基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法探討

師麗霞

（國(guó)網(wǎng)山西忻州供電公司，山西 忻州 034000）

基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法探討

師麗霞

（國(guó)網(wǎng)山西忻州供電公司，山西 忻州 034000）

在對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)工作原理電路的模型進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，探討了基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法，即在保持變參數(shù)前后一定等量關(guān)系的前提下不斷改變系統(tǒng)參數(shù)，然后構(gòu)建關(guān)系式完成對(duì)地參數(shù)的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電容電流的測(cè)量，該方法具有一般性，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)地電容以及對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量。最后基于Matlab/Simulink平臺(tái)搭建仿真模型，對(duì)電容電流測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和精確度。

模型改進(jìn)；變參數(shù)調(diào)整；電容電流測(cè)量；Matlab/Simulink

0 引言

單相接地故障發(fā)生時(shí)，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地[1-2]的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，故障點(diǎn)電流中的容性成分（即對(duì)地電容電流）通過(guò)調(diào)諧被消弧線圈產(chǎn)生的感性成分抵消，使接地點(diǎn)的電流大大減小，大幅度降低接地電弧發(fā)生的概率，提高配電網(wǎng)運(yùn)行安全水平。為了更好地實(shí)現(xiàn)消弧線圈補(bǔ)償，需要對(duì)系統(tǒng)電容電流[3-12]進(jìn)行精確測(cè)量。所以，保證配電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行，對(duì)地參數(shù)的精確測(cè)量顯得尤為重要。

1 電容電流測(cè)量的基本原理

圖1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖

圖1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖。其中，Ubd為中性點(diǎn)自然不平衡電壓；UA、UB、UC分別為電源A、B、C三相相電壓；gL為消弧線圈并聯(lián)電導(dǎo)；L為消弧線圈電感；gA、gB、gC分別為電源A、B、C三相對(duì)地電導(dǎo)；CA、CB、CC分別為電源A、B、C三相對(duì)地電容；K為開(kāi)關(guān)。

現(xiàn)將中性點(diǎn)電壓U0構(gòu)造成受控電壓源，此受控電壓源系數(shù)為UA，并且以系統(tǒng)相電壓 為基礎(chǔ)量；系統(tǒng)三相電源支路、消弧線圈支路以及受控電壓源與大地支路構(gòu)成改進(jìn)后模型的全部回路。系統(tǒng)工作原理電路改進(jìn)模型如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)工作電路改進(jìn)模型

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)電壓表示為

其中，Yω=ωCΣ-1/（ωL） 為系統(tǒng)失諧量，CΣ=CA+CB+CC為系統(tǒng)總的對(duì)地電容；KZ=jωCA+gA+α2（jωCB+gB）+α（jωCC+gC）為系統(tǒng)參數(shù)不對(duì)稱矢量和，其中 α=ej120°；gΣ=gA+gB+gC為系統(tǒng)總的對(duì)地電導(dǎo)，R為消弧線圈并聯(lián)電阻。

對(duì)式（1） 兩邊去絕對(duì)值

其中，｜U0｜為中性點(diǎn)電壓幅值；參數(shù)量｜-UAKZ｜在三相對(duì)地電容及對(duì)地電導(dǎo)不變的情況下為一常數(shù)，因此消弧線圈電感量及與其并聯(lián)的電阻將影響中性點(diǎn)電壓幅值。

電容電流為

其中，Ubd＝U0（v－jd） 為中性點(diǎn)自然不平衡電壓，其中U0中性點(diǎn)電壓，為失諧度，d＝為阻尼率。

2 電容電流測(cè)量方法

根據(jù)分析可得到以下兩種方案。

方案一：在消弧線圈并聯(lián)電阻不變的情況下，調(diào)節(jié)消弧線圈電感量，使中性點(diǎn)電壓幅值在不同補(bǔ)償狀態(tài)下不發(fā)生改變；方案二：在改變消弧線圈并聯(lián)電阻的同時(shí)調(diào)節(jié)消弧線圈電感量，使中性點(diǎn)電壓的幅值不發(fā)生改變，其中參數(shù)的設(shè)置可根據(jù)牛頓—拉夫遜法得到。

根據(jù)方案一可得變參數(shù)調(diào)整方法：設(shè)系統(tǒng)初始狀態(tài)下失諧量 Yω＞0，即 ωC＞1/（ωL），消弧線圈處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，記系統(tǒng)此時(shí)為狀態(tài)1，消弧線圈電感量為L(zhǎng)1，并聯(lián)阻尼電阻為R1，測(cè)量得中性點(diǎn)電壓有效值為U01；保持消弧線圈并聯(lián)電阻不變即R2=R1，僅調(diào)整消弧線圈電感量為L(zhǎng)2，使中性點(diǎn)電壓幅值不變，即U01=U02，此時(shí)消弧線圈處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，系統(tǒng)脫諧量 Yω＞0，即 ωC＞1/（ωL），記錄此時(shí)為狀態(tài)2，消弧線圈電感量為L(zhǎng)2。根據(jù)變化建立并聯(lián)電阻不變時(shí)變參數(shù)調(diào)整關(guān)系，如圖3所示。

在消弧線圈的不同補(bǔ)償狀態(tài)下，中性點(diǎn)電壓幅值相同；在系統(tǒng)三相對(duì)地電容及對(duì)地電導(dǎo)不變情況下｜-UAKZ｜為一常數(shù)，結(jié)合圖3中的變參數(shù)調(diào)整關(guān)系，可得式（4）。

圖3 并聯(lián)電阻不變時(shí)變參數(shù)調(diào)整關(guān)系圖

結(jié)合變參數(shù)過(guò)程及調(diào)整前后消弧線圈的補(bǔ)償狀態(tài)的不同，由式（4） 可得式（5）。

解式（5） 可得系統(tǒng)對(duì)地電容表達(dá)式（6）。

方案一可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)地電容的測(cè)量，但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量。根據(jù)方案二所述，分析該思路下可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)地電容及對(duì)地絕緣電阻測(cè)量的方法，其具體變參數(shù)調(diào)整流程（參數(shù)的調(diào)整根據(jù)牛頓—拉夫遜法進(jìn)行）。

設(shè)系統(tǒng)初始狀態(tài)下消弧線圈電感量為L(zhǎng)1，并聯(lián)電阻為R1，測(cè)量得中性點(diǎn)電壓幅值為U01，記系統(tǒng)此時(shí)為狀態(tài)1；此后進(jìn)行對(duì)消弧線圈電感量及并聯(lián)電阻進(jìn)行3次調(diào)整。一次調(diào)整為同時(shí)調(diào)整消弧線圈電感與并聯(lián)電阻值為L(zhǎng)2、R2，使中性點(diǎn)電壓幅值保持不變，即U02=U01，記系統(tǒng)此時(shí)為狀態(tài)2；二次調(diào)整為保持阻尼電阻不變R3=R2，僅改變消弧線圈電感量為L(zhǎng)3，使中性點(diǎn)電壓幅值改變?yōu)閁03，即U03≠U02，記系統(tǒng)此時(shí)為狀態(tài)3；三次調(diào)整為改變電感與電阻值分別為L(zhǎng)4、R4，使中性點(diǎn)電壓幅值保持不變，即U04=U03，記系統(tǒng)此時(shí)為狀態(tài)4。根據(jù)上述變化建立3次變參數(shù)調(diào)整關(guān)系圖，如圖4所示。

根據(jù)圖4所示3次變參數(shù)調(diào)整關(guān)系，可建立式（7） 方程組關(guān)系。

解式（7） 可求得系統(tǒng)對(duì)地電容及對(duì)地電導(dǎo)的表達(dá)式分別為式（8）、式（9）。

圖4 3次變參數(shù)調(diào)整關(guān)系圖

根據(jù)式（8）、式（9） 及式（3） 即可計(jì)算出電容電流的大小，且供電支路的增加（或減少）不會(huì)影響該方法對(duì)對(duì)地參數(shù)的測(cè)量?；谧儏?shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量控制流程圖如圖5所示。

圖5 基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量控制流程圖

3 基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)試方法

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并電阻接地的10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)有5條分別為長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5的出線，其中包含長(zhǎng)度為10 km、15 km、13 km的架空線，分別對(duì)應(yīng) L1、L3、L4；長(zhǎng)度為6.3 km、5 km電纜線，分別對(duì)應(yīng)L2、L5，并為PI型分布參數(shù)。1支路的A相有一個(gè)單相PI型線路等效模塊L1A，長(zhǎng)度為6 km，此線路參數(shù)等同于線路零序分布參數(shù)。系統(tǒng)中正序參數(shù)分布架空線的電感、電容和電阻分別為：1.21×10-3H/km、9.7×10-9F/km、0.17 Ω/km；電纜線的電感、電容和電阻分別為 0.26×10-3H/km、5.94×10-9F/km、0.06 Ω/km。零序參數(shù)分布架空線的電感、電容和電阻分別為：4.23×10-3H/km、6.6×10-9F/km、0.21 Ω/km。電纜線的電感、電容和電阻分別為：1.1×10-3H/km、376×10-9F/km、0.09 Ω/km。系統(tǒng)中 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8 為單相斷路器 (其中B1、B3、B5、B7分別控制電阻R1、R2、R3、R4，B2、B4、B6、B8 分別控制電感 L1、L2、L3、L4)。

基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法具體仿真過(guò)程如下。

初始狀態(tài)：設(shè)置斷路器B1、B2為閉合狀態(tài)，將消弧線圈的電感以及并聯(lián)電阻接入系統(tǒng)，測(cè)量并記錄此時(shí)中性點(diǎn)電壓有效值為U01。

一次調(diào)整：設(shè)置斷路器B3、B4初始為斷開(kāi)狀態(tài)，并設(shè)置在0.5 s時(shí)刻閉合，改變接入系統(tǒng)的消弧線圈電感量以及并聯(lián)電阻數(shù)值，保證中性點(diǎn)電壓有效值在變參數(shù)前后不發(fā)生改變，測(cè)量并記錄此時(shí)中性點(diǎn)電壓有效值為U02，則有U01=U02。

二次調(diào)整：設(shè)置斷路器B5、B6初始為斷開(kāi)狀態(tài)，并設(shè)置在1 s時(shí)刻閉合，改變接入系統(tǒng)的消弧線圈電感量，但保持并聯(lián)電阻參數(shù)不變R2=R3，僅改變消弧線圈電感量，測(cè)量并記錄此時(shí)中性點(diǎn)電壓有值為U03，則有U03≠U02。

三次調(diào)整：設(shè)置斷路器B7、B8初始為斷開(kāi)狀態(tài)，并設(shè)置在1.5 s時(shí)刻閉合，改變接入系統(tǒng)的消弧線圈電感量以及并聯(lián)電阻數(shù)值，保證中性點(diǎn)電壓有效值在變參數(shù)前后不發(fā)生改變，測(cè)量并記錄此時(shí)中性點(diǎn)電壓有值為U04，則有U03=U04。

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出：系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，在0.5 s經(jīng)歷第一次調(diào)整，消弧線圈的電感量以及并聯(lián)電阻均發(fā)生變化，短暫波動(dòng)之后，系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓幅值與參數(shù)改變之前的中性點(diǎn)幅值相同；在1 s進(jìn)行第二次參數(shù)調(diào)整，僅改變消弧線圈的電感量，短暫波動(dòng)之后，系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓幅值穩(wěn)定下來(lái)不等于參數(shù)改變之前的中性點(diǎn)幅值；在1.5 s經(jīng)歷第3次調(diào)整，消弧線圈的電感量以及并聯(lián)電阻均發(fā)生變化，在經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)之后，系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓幅值穩(wěn)定下來(lái)并與參數(shù)改變之前的中性點(diǎn)幅值相同。根據(jù)數(shù)據(jù)以及式（6）、式（7）、式（8）計(jì)算所得地參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法的仿真數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)可以看出，基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法的探討中對(duì)地電容以及對(duì)地絕緣電導(dǎo)的測(cè)量誤差均較小，測(cè)量結(jié)果精度高，為電容電流的測(cè)量以及中性點(diǎn)電壓控制提供了保證。

4 結(jié)論

供配電系統(tǒng)中消弧線圈的投入可以提高其安全性和可靠性，但面對(duì)不同情況的供配電系統(tǒng)，若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全有效地運(yùn)行，需要在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)精確測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)。基于變參數(shù)調(diào)整的電容電流測(cè)量方法，在保持變參數(shù)前后一定等量關(guān)系的前提下不斷改變系統(tǒng)參數(shù)，然后構(gòu)建關(guān)系式完成對(duì)地參數(shù)的測(cè)量,該方法具有一般性，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)地電容以及對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電容電流的測(cè)量。

[1] 要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地 [M].2版.北京：中國(guó)電力出版社，2009：81-82.

[2] 李繼紅.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式及并聯(lián)中值電阻選線方法介紹 [J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2007，25(5)：33-36.

[3] 張戰(zhàn)永，王建領(lǐng)，康怡，等.調(diào)容式消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2005，33(16)：90-92.

[4] JIN Wei,YUAN Pengsheng,ZHANG Yang,et al.A method of measuring capacitive current in distribution network based on adjusting the neutral grounding impedance[J].Power Systems Protection and Control，2015， 43(7)：37-41.

[5] 曾祥君,易文韜,劉張磊,等.注入信號(hào)精確諧振測(cè)量配電網(wǎng)電容電流新技術(shù) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(4)：77-80.

[6] ZENG Xiangjun,YI Wentao,LIU Zhanglei,et al.A novel technique of capacitive current resonance measurement with signal injected for distribution networks[J].Automation of Electric Power Systems，2008，32(4)：77-80.

[7] 裴善鵬，連鴻波，李萬(wàn)彬，等.快速調(diào)匝式消弧線圈及接地選線一體化裝置研究 [J].現(xiàn)代電力,2006，23(1)：20-24.

[8] 劉寶穩(wěn)，李曉波.基于失諧量的消弧線圈跟蹤調(diào)諧方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013(05)：6-9.

[9] 熊婭俐，陳喬夫，盛建科，等.基于注入信號(hào)的消弧線圈電容檢測(cè)方法 [J].高電壓技術(shù).2005，30(03)：33-34.

[10] 龐清樂(lè),孫同景,穆健，等.氣隙調(diào)感式消弧線圈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].高電壓技術(shù),2006，32(04)：34-37．

[11] 陳忠仁,吳維寧.調(diào)匝式消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧新方法.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005，29(24):75-78.

[12] ZHU Shuai,LI Xiaobo,CHENG Yukai,et al.Study on a new tuning method based on arc suppression coil[J].Electrical Measurement&lnstrumentation,2010，49 (8)：10-13.

The Method of Capacitance Current Measurement Based on Variable Parameter Adjustment

SHI Lixia
（State Grid Xinzhou Power Supply Company of SEPC,Xinzhou,Shanxi034000,China）

The working principle model of distribution network system is improved，and on that basis,the method of capacitance current measurement based on variable parameter adjustment is discussed.Tobe specific,the method is changingthe systemparameters in the premise that the variable parameters must keep equivalent relationship before and after,and then establish relation for grounding parameters measurement so that the measurement of capacitance current could be realized.The method can be generally used to measure the capacitance to ground and the insulation resistance.Finally,the simulation model is built based on Matlab/Simulink platform,and the method ofcapacitance current measurement is verified.The simulation results showthe proposed method is feasible and accurate.

model improvement;parameter adjustment;capacitance current measuring;Matlab/Simulink

TM835.2

A

1671-0320（2017）06-0018-04

2017-07-19，

2017-10-20

師麗霞（1989），女，山西代縣人，2016年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣┡潆姲踩夹g(shù)。