一種電磁混合式消弧線圈電容測量方法

肖龍海 沈偉偉 朱小飛 孫寶金

（國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電公司）

一種電磁混合式消弧線圈電容測量方法

肖龍海 沈偉偉 朱小飛 孫寶金

（國網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電公司）

小電流接地系統(tǒng)多采用消弧線圈接地，準(zhǔn)確測量系統(tǒng)對地電容對提高系統(tǒng)消弧能力有重要意義。本文基于電磁混合式消弧線圈的工作原理，結(jié)合磁控電抗器的無極調(diào)節(jié)特性與有源補償器的變頻特性，消除系統(tǒng)正常運行時產(chǎn)生的中性點位移電壓對測量系統(tǒng)的影響，提出一種采用高速FPGA實現(xiàn)的基于信號調(diào)整法的電容測量方法。模擬實驗結(jié)果表明此方法具有計算簡便、測量精度高、速度快等特點，可以推廣應(yīng)用于任何類型的隨調(diào)式消弧線圈系統(tǒng)。

電磁混合式消弧線圈；磁控電抗器；電容測量；位移電壓；FPGA

0 引言

我國大部分6～66kV的中壓配電網(wǎng)都已經(jīng)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，現(xiàn)今大量架空線路改造入地代之電纜線路，系統(tǒng)對地電容便急劇上升，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相故障時，將會產(chǎn)生較大的對地電容電流，此時電弧將不會自動熄滅，嚴(yán)重時甚至產(chǎn)生弧光過電壓引起相間短路，進(jìn)而擴大事故范圍。因此，準(zhǔn)確測量系統(tǒng)地電容電流，并迅速保持跟蹤狀態(tài)，使消弧線圈時刻處于正確的補償位置，是保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外對電容的測量方法分為直接法和間接法，由于直接法具有操作接線復(fù)雜，并且對測量人員和配電系統(tǒng)存在一定的安全隱患，因此一般不建議采用；間接法包括單頻率法、三頻率法、偏置電容法、調(diào)諧法、調(diào)阻抗法、掃頻法等。

本文將基于電磁混合式消弧線圈的工作原理，借助高速FPGA的運算能力，提出基于信號調(diào)整法的新型電容測量方法，解決中性點位移電壓對變頻法測量電容的影響問題。

1 EHPC測量工作原理

電磁混合式消弧線圈（Electromagnetic Hybrid Petersen Coil，EHPC） 由 磁 控 電 抗 器（Magnetically Controllable Reactor，MCR）和有源補償器（Active Power Compensator，APC）兩部分組成。其中，MCR 是通過改變直流勵磁電流， 連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)等效電抗，達(dá)到自動跟蹤補償接地故障電流的無功分量的目的；APC 能補償有功和諧波，可等效為一個可調(diào)負(fù)電阻和PAPF的并聯(lián)， 其工作原理與 STATCOM 和PAPF 類似，采用基于電力電子技術(shù)的柔性控制策略。

圖1 基于EHPC的配電網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 零序等效電路

在系統(tǒng)未發(fā)生單相接地故障時，EHPC工況處于電容測量狀態(tài)，母線零序電壓由APC變頻電流與三相不平衡電壓決定，此工況下的等效回路如下圖2所示，其中，虛線框表示EHPC的等效電路，包括MCR的空載電感L0與APC產(chǎn)生的等效電流源，零序回路中電容+，C對C地泄露電阻，表示三相不平衡電壓，與系統(tǒng)三相電源有關(guān)。

圖2 電容測量狀態(tài)的等效回路

不失一般性，由于線路對地泄露電阻R0相當(dāng)大，因此，在以下等效電路分析中可將R0省略。在APC注入的可變頻率、幅值恒定電流與三相不平衡電壓U·

00作用下，根據(jù)疊加原理得到中性點電壓0式中，ω0表示系統(tǒng)工頻50Hz， ωf表示APC 注入的可變頻率f?？梢?，在電容測量工況下，系統(tǒng)測量需要檢測的中性點電壓包含兩部分不同頻率的電壓分量，根據(jù)系統(tǒng)諧振條件，必須保證MCR空載電感L0與系統(tǒng)電容C0在工頻下不能發(fā)生諧振，即 ω0L0C0≠1，否則將產(chǎn)生過電壓，而根據(jù)MCR的工作特性，在空載情況下，可以保證MCR的電感值遠(yuǎn)離諧振點，并且通過優(yōu)化MCR 的鐵心結(jié)構(gòu)和本體磁路能改善L0的線性度。

1.2 測量電容原理

圖3 掃頻示意圖

根據(jù)諧振頻率ωf，可以得到系統(tǒng)電容C0式中， fr為LC諧振回路的諧振頻率。

1.3 增量與精度的關(guān)系

假設(shè)在對兩個電容C1、C2測量工作中，兩次的注入諧振頻率分別為 f1、 f2，掃描頻率增量，考慮到電容測量的精度σ，需要滿足

不失一般性，假設(shè)C1=C0，聯(lián)立，得到掃描頻率增量 Δf與測量精度σ存在以下關(guān)系

按照實際現(xiàn)場測量要求，若電容測量精度σ達(dá)到2%，MCR設(shè)計的空載電抗為500m?，假設(shè)現(xiàn)場電容最大達(dá)到100μF（10kV系統(tǒng)的電容電流達(dá)到約200A），那么諧振頻率最小為22Hz，根據(jù)式（5）得到掃頻增量應(yīng)滿足ΔΔff ==00..22221188～～00..22228855 H H z z ，因此，只要掃頻增量就可以滿足精度2%的要求；若掃頻增量 Δf為0.1Hz，反推計算此時的測量精度σ達(dá)到0.45%。

從以上分析可知，通過改變掃頻增量 Δf，可以相應(yīng)提高測量精度σ。

2 實驗測試與結(jié)果分析

為驗證信號調(diào)整法在實際電容測量的效果，搭建380V低壓實驗系統(tǒng)，如圖7所示，每條線路的各相并聯(lián)電容等效模擬實際電力系統(tǒng)的對地電容。操作電容投切開關(guān)S1、S2、S3（虛線框內(nèi)，可單獨投切），進(jìn)而改變線路對地電容CA、CB、CC大小，由電壓互感器T1作為APC的變頻信號注入通道，由電壓互感器T2采集中性點電壓，電流互感器CT采集MCR的輸出電流，控制器根據(jù)采集進(jìn)來的電壓信號進(jìn)行處理，同時控制APC與MCR的脈沖，使用信號調(diào)整法測量電容，測量結(jié)果如下表所示。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可見，改變中性點電壓位移電壓時，電容測量結(jié)果絕對誤差最大為1.43μF，相對誤差最大為1.32%，具有較高精度，完全滿足誤差小于2%的規(guī)程規(guī)定，可以適用于實際電力現(xiàn)場。

表 實驗測試電容數(shù)據(jù)

圖7 模擬實驗平臺

3 結(jié)束語

本文利用磁控電抗器的無極調(diào)節(jié)特性作為隨調(diào)式消弧線圈，并采用有源補償器的變頻特性作為測量系統(tǒng)的信號源，注入恒值頻率可變的電流信號，結(jié)合提出的信號調(diào)整法對電容進(jìn)行測量，選擇合適的掃頻增量可以提高測量速度，并自適應(yīng)調(diào)整頻率增量，提高測量系統(tǒng)信噪比。結(jié)果表明，此電容測量方法可適用于任何類型的隨調(diào)式消弧線圈系統(tǒng)。

2016-04-27）