混連接地方式下消弧線圈電容電流測(cè)量準(zhǔn)確性研究

汪霄飛，王偉，孫澤文

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410015)

混連接地方式下消弧線圈電容電流測(cè)量準(zhǔn)確性研究

汪霄飛1，王偉2，孫澤文2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410015)

對(duì)目前電力系統(tǒng)廣泛使用的調(diào)匝式消弧線圈測(cè)量電容電流的原理進(jìn)行了說明，建立了混連運(yùn)行狀態(tài)下等值電路，并分析了電容電流測(cè)量的誤差，通過仿真計(jì)算，論證該分析的正確性；對(duì)混連運(yùn)行狀態(tài)下的消弧線圈的電容電流的測(cè)量提出了工程上的改進(jìn)意見。

電力系統(tǒng)；調(diào)匝式消弧線圈；電容電流；混連運(yùn)行

目前，我國6－35 kV中壓配電網(wǎng)大多采用經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償?shù)慕拥胤绞健．?dāng)單相接地電容電流大于規(guī)定值時(shí)，利用消弧線圈的電感電流補(bǔ)償電容電流，使接地點(diǎn)殘流減小，接地電弧自行熄滅。但隨著城市化規(guī)模的進(jìn)一步增大，電纜用量的增多，電容電流增長(zhǎng)很快，于是，許多變電站選擇了采用電阻接地方式。通常這兩種接地方式獨(dú)立運(yùn)行，互不干預(yù)。但由于供電可靠性的要求，為確保供電可靠性指標(biāo)，許多地方采用了手拉手供電措施，以確保當(dāng)某種原因?qū)е乱粋€(gè)變電站失壓時(shí)立即合上聯(lián)絡(luò)斷路器而由另一個(gè)變電站供電。從而使得原本獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)有可能出現(xiàn)互聯(lián)現(xiàn)象。

為保證消弧線圈的補(bǔ)償效果，必須對(duì)配網(wǎng)的電容電流進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)。針對(duì)這一問題，眾多學(xué)者做了大量的工作〔1－4〕。但都是基于消弧線圈接地系統(tǒng)的，對(duì)某些地區(qū)新出現(xiàn)的配網(wǎng)混連接地方式(消弧線圈和電阻接地)下的電容電流測(cè)量問題還無人研究探討。

混聯(lián)后，系統(tǒng)的規(guī)模變大且出現(xiàn)2個(gè)中性點(diǎn)接地點(diǎn):一個(gè)是消弧線圈接地點(diǎn)，另一個(gè)小電阻接地點(diǎn)。在此情況下，消弧線圈廣泛使用的測(cè)量電容電流的方法為兩點(diǎn)法和諧振法的問題，本文對(duì)其測(cè)量精度的問題進(jìn)行研究分析。

1 消弧線圈測(cè)量電容電流的方法

1)兩點(diǎn)法測(cè)量原理

當(dāng)消弧線圈投入運(yùn)行后，消弧線圈接地系統(tǒng)在正常的運(yùn)行情況下，消弧線圈的電感與電網(wǎng)的三相對(duì)地電容構(gòu)成電壓調(diào)諧回路，如圖1所示。

圖1 諧振接地電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的等值電路

圖1 中，L為消弧線圈的電感；RL為消弧線圈的損耗電阻；C為三相對(duì)地等效電容；零序回路中的電源Un為三相不平衡電壓。在此三相不平衡電壓的作用下，零序電流流經(jīng)消弧線圈、線路、線路對(duì)地電容及大地構(gòu)成的零序回路。

根據(jù)圖1中的電壓關(guān)系可以得到:

假設(shè)調(diào)檔過程中不平衡電壓Un不變，則調(diào)節(jié)2個(gè)不同的檔位，可以得到兩組U0和I0值。將其代入式 (1)即可求得 Xc的值〔1〕。實(shí)際應(yīng)用中兩點(diǎn)法是利用消弧線圈的2個(gè)固定檔位進(jìn)行測(cè)量〔5〕。

2)諧振法的測(cè)試原理

基于曲線擬合的諧振法測(cè)量電容電流的等值電路如圖1所示。當(dāng)運(yùn)行方式不變化時(shí)，圖1中的位移電壓U0只與消弧線圈的感抗值XL有關(guān)，由式(1)可以得到U0與XL的函數(shù)關(guān)系曲線如圖2。

圖2 U0與XL的函數(shù)關(guān)系曲線

從圖2可以看出:當(dāng)XL＞XC時(shí)，處于欠補(bǔ)償狀態(tài)；當(dāng)XL＝XC時(shí)，處于全補(bǔ)償狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)電壓諧振，U0達(dá)到最大值；當(dāng)XL＜XL時(shí)，處于過補(bǔ)償狀態(tài)。我國配網(wǎng)采用的消弧線圈接地的系統(tǒng)，通常都是工作在過補(bǔ)償狀態(tài)。XL偏離XC越遠(yuǎn)，U0愈小。U0與XL的關(guān)系在Xc(諧振點(diǎn))點(diǎn)附近可以近似看成是一個(gè)拋物線，其函數(shù)關(guān)系可以下面的二次函數(shù)近似表示:

由式 (2)表述的U0與XL的函數(shù)關(guān)系，利用諧振法可以測(cè)量出系統(tǒng)的容抗，進(jìn)而求出電容電流。因?yàn)檎{(diào)匝式消弧線圈的電感值不是連續(xù)可調(diào)的，無法直接找到諧振點(diǎn)，可以通過諧振點(diǎn)左右的3個(gè)點(diǎn)的U0與XL擬合出圖2所示的二次函數(shù)曲線方程式 (2)。將諧振點(diǎn)XC附近的3個(gè)XL值和測(cè)得的對(duì)應(yīng)的3個(gè)U0值入式 (2)得到3個(gè)方程，用行列式計(jì)算:

拋物線的頂點(diǎn)XL＝－b/2a為系統(tǒng)的諧振點(diǎn)，因?yàn)閄L＝XC，由此求出電容電流IC。

2 混連運(yùn)行對(duì)電容電流測(cè)量的誤差分析

1)當(dāng)消弧線圈投入運(yùn)行后，諧振接地系統(tǒng)在正常的運(yùn)行情況下，消弧線圈的電感與電網(wǎng)的三相對(duì)地電容構(gòu)成電壓調(diào)諧回路，如圖3所示。

圖3 消弧線圈接地電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的等值電路

圖3 中，L為消弧線圈的電感；RL為消弧線圈的損耗電阻；C為三相對(duì)地等效電容；零序回路中的電源Un為三相不平衡電壓。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)混連運(yùn)行后，原來的消弧線圈接地系統(tǒng)測(cè)量電容電流的等效電路圖3發(fā)生了變化，增加了1個(gè)接地電阻RN的并聯(lián)支路，如圖4所示。

由圖4可知，較圖3多了1條電阻支路，此時(shí)流過電容的電流不僅是電感電流了，而是電阻電流與電感電流的相量和。

圖4 混連運(yùn)行時(shí)的測(cè)量電容電流的等效電路

如果此時(shí)仍如非混連運(yùn)行方式下 (圖3所示)計(jì)算電容電流 (用電感電流I0代替電容電流Ic)，則測(cè)量配網(wǎng)電容電流的誤差為:

由圖4所示電路，消弧線圈等效支路與電阻RN的并聯(lián)等效阻抗為 ZL＝XL＋r， ∵ γ很小，

∴ ZL≈XL。

此時(shí)，阻抗ZT由2個(gè)部分構(gòu)成，一個(gè)是虛部一個(gè)是實(shí)部

現(xiàn)在主要討論虛部，也就是與容抗平衡產(chǎn)生諧振的部分。

將虛部變形為:

2)對(duì)測(cè)量過程出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，分下列情況討論:

①R?ωL，ZT≈R， 這種情況對(duì)應(yīng)的電容電流較小的情況，消弧線圈的電感較大，輸出的補(bǔ)償電流較小。此時(shí)，IR≈Ic。圖4的等值電路近似為圖5所示的一階電路，也即等效感抗值較以前的純感抗值大大減小。例如:如果R為10Ω，感抗取100Ω，則由式 (7)計(jì)算的結(jié)果是感抗減少101倍，由100Ω變?yōu)?Ω，此數(shù)值沒法與配網(wǎng)對(duì)地容抗匹配產(chǎn)生諧振，測(cè)量誤差γ很大。

②R＝ωL，ZT≈ωL/2， 這是對(duì)應(yīng)電容電流較大的情況，消弧線圈的電感較小，以輸出較大的補(bǔ)償電流。此時(shí)，IL＝I0。例如:如果R為50Ω，由式 (7)可知，等效電感變?yōu)?5Ω，減小1/2，它只能使誤差變小，照樣無法與配網(wǎng)對(duì)地容抗匹配產(chǎn)生諧振，測(cè)量誤差γ較大。

③R?ZL，ZT≈ZL， 這是非混聯(lián)情況，由于沒有并聯(lián)電阻，此時(shí)，IR＝0，Ic＝I0，由式 (7) 可知，其等效感抗等于 ωL，可以與配網(wǎng)對(duì)地容抗匹配產(chǎn)生諧振，測(cè)量誤差γ很小。

圖5 混連運(yùn)行時(shí)的測(cè)量電容電流的簡(jiǎn)化等效電路

3 混連運(yùn)行時(shí)的電容電流的仿真計(jì)算

為了探討在不同運(yùn)行情況 (不同參數(shù)匹配情況下——電感和電阻)下的電容電流的測(cè)量誤差的情況，根據(jù)等效電路搭建仿真模型 (如圖6，7所示)，利用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。2個(gè)模型稍有區(qū)別，前者代表消弧線圈接地系統(tǒng)，后者代表混連接地系統(tǒng)。

圖6 消弧線圈電容電流測(cè)量仿真模型

圖7 混連運(yùn)行時(shí)的電容電流測(cè)量仿真模型

1)兩點(diǎn)法的仿真計(jì)算

由于現(xiàn)在配電網(wǎng)的電容電流都較大，對(duì)應(yīng)的消弧線圈的感抗也就不大，以便其提供較大的補(bǔ)償電流。設(shè)小電阻 R分別為 10Ω，30Ω，60Ω及∞(非混連時(shí))時(shí)，選取消弧線圈所調(diào)節(jié)的2個(gè)檔位的電抗值為:XL11＝30Ω，XL2＝40Ω，利用圖6，7的仿真模型得到表1中參數(shù)。

表1 不同電感及電阻值時(shí)的電容量測(cè)量誤差

表1中的UO1，UO2，IO1，IO2是調(diào)節(jié)消弧線圈兩檔電感時(shí)得到的電流值和電壓值，C為配網(wǎng)電容的測(cè)量值，γ為對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差。從表中可以看出，R值愈小，調(diào)節(jié)不同電感檔位時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流值與電壓值變化量不大。例如:當(dāng)R為10Ω時(shí)，電壓的變化量為0.03 V，電流的變化量為0.000 3 A。而當(dāng)電阻為∞，也即非混連模式下，所對(duì)應(yīng)的電壓的變化量為45 V，電流的變化量為0.14 A。調(diào)節(jié)電感時(shí)如果電流、電壓變化很微小，則說明輸出電壓被鉗位，補(bǔ)償量基本沒有變化，無法找到容抗與感抗的平衡點(diǎn) (諧振點(diǎn))，也即U0與XL的函數(shù)關(guān)系曲線無法形成拋物線，其后果是測(cè)量電容電流的誤差會(huì)很大。反之，如果電壓、電流的變化量較大，說明消弧線圈的調(diào)諧作用很明顯，容易找到容抗與感抗的平衡點(diǎn) (諧振點(diǎn))，測(cè)量誤差大幅減小。

2)諧振法的仿真計(jì)算

當(dāng)R為10Ω時(shí)，選取消弧線圈的3個(gè)不同檔位的電抗值ZL1為219.78Ω，ZL2為180.18Ω，ZL3為151.13Ω，利用圖7的仿真模型得到圖8的曲線。

簡(jiǎn)單地說，人格是指一個(gè)現(xiàn)實(shí)的人。人格的心理特征主要包括三個(gè)方面:能力、氣質(zhì)和性格。通常來說人格具有整體性、穩(wěn)定性、可塑性、獨(dú)特性以及復(fù)雜性等特征。隨著微傳播時(shí)代的來臨，越來越多的網(wǎng)絡(luò)使用者利用手機(jī)上網(wǎng)，手機(jī)網(wǎng)民人數(shù)和上網(wǎng)時(shí)間有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)［1］。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和人們網(wǎng)絡(luò)交往的增加，眾多大學(xué)生沉迷于網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境交往過程中形成了相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)人格。網(wǎng)絡(luò)人格和現(xiàn)實(shí)人格的結(jié)合成為大學(xué)生群體相對(duì)穩(wěn)定的個(gè)性特征。

由圖8中所示曲線所知，在消弧線圈的原理電路上并上一個(gè)小電阻后，由于R?ZL，原來的二階電路近似為一個(gè)一階電路，其電路中U0與ZL的關(guān)系不再近似是二次函數(shù)曲線 (如圖2所示)，而是近乎一條直線，如圖8所示。愈趨于直線，說明其補(bǔ)償性愈不好。

圖8 U0與XL及R的函數(shù)關(guān)系曲線

為探討電感、電阻不同搭配情況下的函數(shù)關(guān)系曲線，分別取R為40Ω，50Ω，60Ω，選取消弧線圈的3個(gè)不同檔位的電抗值:ZL1為40Ω，ZL2為50Ω，ZL3為60Ω (與電阻值對(duì)應(yīng))。利用圖7的仿真模型得到圖9的曲線。

圖9 U0與XL及R的函數(shù)關(guān)系曲線

由圖8中所示曲線所知，在消弧線圈的電感值減小到與電阻值一樣后，其U0與XL的函數(shù)關(guān)系曲線不再近乎是一條直線，有了二次曲線的雛形，這說明測(cè)量電容的誤差在減小。

在消弧線圈單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，(即非混連運(yùn)行模式時(shí))，其原理電路圖如圖3所示。由于沒有并上電阻，其U0與XL的關(guān)系曲線與圖2的理論曲線相似(見圖9中的點(diǎn)畫線)。

4 測(cè)量誤差導(dǎo)致的危害及改進(jìn)措施

1)電容測(cè)量誤差增大會(huì)導(dǎo)致消弧線圈出現(xiàn)誤補(bǔ)償。當(dāng)電容量測(cè)量過大，會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償，電容量測(cè)量過小，會(huì)出現(xiàn)欠補(bǔ)償。欠補(bǔ)償易產(chǎn)生串聯(lián)調(diào)諧過電壓，對(duì)配電系統(tǒng)的危害較大。

2)電容量測(cè)量不準(zhǔn)確，會(huì)使消弧線圈的調(diào)諧范圍大大增加，導(dǎo)致有載分接開關(guān)的機(jī)械損耗增加，影響其使用壽命。

3)混連接地方式下產(chǎn)生電容電流測(cè)量誤差的根本原因是其等效電路與消弧線圈的等值電路不一致了。在混連接地方式下，消弧線圈測(cè)量電容電流的方法要改進(jìn)完善，不能繼續(xù)使用式 (1)來測(cè)量電容電流。因?yàn)樵诨爝B運(yùn)行方式下，I0不等于IC。為達(dá)此目的，需要在消弧線圈的控制系統(tǒng)中增加模式識(shí)別功能，在不同的工作方式——消弧線圈接地運(yùn)行方式或混連運(yùn)行工作方式下采用不同的測(cè)試程序，以提高測(cè)量精度。

5 結(jié)論

1)在混連接地方式下，消弧線圈常用的2種測(cè)量配電網(wǎng)對(duì)地電容的方法:兩點(diǎn)法和諧振法，都因小電阻接地極的存在而使其等值電路發(fā)生了變化，導(dǎo)致電容測(cè)量出現(xiàn)較大的誤差。

3)混連接地方式下，為提高電容電流的測(cè)量精度，需采用另外的測(cè)量方法 (測(cè)量模型)。

〔1〕田建設(shè)，韋良，李天旭.基于改進(jìn)信號(hào)注入法的配電網(wǎng)電容電流測(cè)量 〔J〕.廣東電力，2008，21(7):28-31.

〔2〕高峰.基于信號(hào)注入法的電網(wǎng)對(duì)地電容電流測(cè)量裝置的研究〔D〕.河北:華北電力大學(xué)，2005.

〔3〕齊慧，戚振彪.基于諧振原理測(cè)量配電網(wǎng)電容電流的新方法〔J〕.電氣技術(shù)，2011(8):50-52.

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〔5〕楊銳，朱金大，于海波.調(diào)匝式消弧線圈電容電流的測(cè)量新方法及其驗(yàn)證 〔J〕.電工電氣，2009(12):47-50.

Accuracy Analysis of Capacitance Current Measurement of Arc Suppression Coil in Mixed Ground Operation

WANG Xiaofei1，WANG Wei2，SUN Zewen2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

This paper introduces the principle of measuring the currentofthe capacitance by using the turn type arc suppression coil，which has been widely used in power system.An equivalent circuit is established and the error of capacitance current measurement is analyzed，particularly when the system runs in mixed ground operation.And then the paper proves the correctness of this analysis with simulations.Finally the suggestion about how to improve the measurement of the capacitance current of arc suppression coil in operation state of mixed ground operation is proposed.

power system；turn type arc suppression coil；current of the capacitance；mixed connection state

TM475

:A

:1008-0198(2017)02-0007-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.002

2017-01-09