中性點(diǎn)注入三頻法電網(wǎng)電容電流測(cè)量

趙 威，徐永強(qiáng)，郭曉霞（國網(wǎng)隨州供電公司，湖北 隨州 44130 0）

中性點(diǎn)注入三頻法電網(wǎng)電容電流測(cè)量

趙 威，徐永強(qiáng)，郭曉霞
（國網(wǎng)隨州供電公司，湖北 隨州 44130 0）

常用的三頻法測(cè)量電網(wǎng)對(duì)地電容是通過電壓互感器二次側(cè)開口三角端注入頻率不同、幅值恒定的電流信號(hào)，測(cè)量注入電流和反饋電壓，通過建立方程組來求解出系統(tǒng)對(duì)地電容值。但是這種方法受電壓互感器漏電阻、漏電感的影響，測(cè)量的誤差較大、測(cè)量的范圍較小。本文基于替代消弧線圈的有源全補(bǔ)償消弧裝置提出一種改進(jìn)方法，即中性點(diǎn)注入三頻法。本文詳細(xì)分析了中性點(diǎn)注入三頻法的測(cè)量原理，選取不同注入頻率，對(duì)兩種電容電流測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的測(cè)量方法較原方法具有測(cè)量精度高、對(duì)電網(wǎng)影響 小的特點(diǎn)。

電容電流；有源全補(bǔ)償消弧裝置；中性點(diǎn)注入三頻法

1　引言

我國中、低壓配電網(wǎng)以中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地為主。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電負(fù)荷密度、供電范圍快速擴(kuò)大。電纜線路的廣泛應(yīng)用使得配電系統(tǒng)對(duì)地容性電流進(jìn)一步增大，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)容性電流增大，接地電弧不能自熄，極易產(chǎn)生間隙性弧光接地過電壓，持續(xù)時(shí)間一長，在線路絕緣薄弱點(diǎn)還會(huì)發(fā)展成兩相短路事故［1］。我國電氣設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)接地電容電流超過一定值時(shí)要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。因此，測(cè)量配電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地電容電流一方面有助于繼電保護(hù)數(shù)值的整定，另一方面亦可為選擇消弧線圈容量提供依據(jù)，所以準(zhǔn)確測(cè)量配電網(wǎng)電容電流的大小尤為重要。

傳統(tǒng)的電容電流測(cè)量有直接法和間接法兩類。直接法是單相金屬接地法［2］，該方法因操作接線復(fù)雜、對(duì)測(cè)量人員和配電系統(tǒng)均存在一定的安全隱患已遭棄用。間接法主要有人工中性點(diǎn)法、偏置電容法和信號(hào)注入法［3］。相比傳統(tǒng)的間接測(cè)量法，三頻法整個(gè)測(cè)量過程均在系統(tǒng)的二次側(cè)進(jìn)行，操作人員的安全能夠得到保證，且測(cè)量不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，是目前測(cè)量電網(wǎng)電容電流的主要方法。但是該方法受電壓互感器漏電阻、漏電感影響較大，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到較大影響，且測(cè)量范圍較小。此外，對(duì)于安裝了消諧電阻的電壓互感器需要先退出消諧電阻方能測(cè)量，操作麻煩。

為了克服互感器開口三角側(cè)注入三頻法的局限性，本文基于有源全補(bǔ)償裝置提出了一種改進(jìn)的信號(hào)注入法——中性點(diǎn)注入三頻法，通過與傳統(tǒng)的電壓互感器副邊注入法對(duì)比，給出了其測(cè)量原理：不通過電壓互感器，直接向系統(tǒng)中性點(diǎn)注入三個(gè)幅值恒定、不同特定頻率的信號(hào)，通過分析反饋信號(hào)從而計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容電流。

2　中性點(diǎn)注入三頻法電容電流測(cè)量分析

2.1傳統(tǒng)三頻法電容電流測(cè)量原理

如圖1所示為傳統(tǒng)的三頻法測(cè)量原理圖。

圖1　三頻法測(cè)量原理圖

圖中i0為注入信號(hào)；虛線框?yàn)殡妷夯ジ衅鳎≒T）， L、N為其開口三角側(cè)輸入端，LA、LB、LC為其高壓繞組，匝數(shù)n1，La、Lb、Lc為其低壓繞組，匝數(shù)n2；i1、i2、i3為感應(yīng)三相電流；CA、CB、CC為三相電容。

若在圖中的L、N端注入一恒定電流i0，則在電壓互感器高壓側(cè)分別感應(yīng)出三相電流i1、i2、i3，通過PT高壓側(cè)與電網(wǎng)對(duì)地電容構(gòu)成回路。高、低壓電流關(guān)系如式（1），其中ia、ib、ic為互感器勵(lì)磁感應(yīng)電流。

PT的等值電路如圖2所示。圖中Zm為勵(lì)磁阻抗， XL為互感器漏抗，R為繞組電阻和漏電阻之和。PT勵(lì)磁阻抗一般為兆歐級(jí)、漏抗為千歐級(jí)，而R一般很小，所以勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于R和XL之和。故近似認(rèn)為ia、ib、ic為0。

圖2　三頻法等效電路圖

由母線 PT 的開口三角形側(cè)注入一個(gè)恒定電流i0就會(huì)在 PT 的高壓側(cè)產(chǎn)生三個(gè)幅值相等、相位相同的電流i1、i2、i3，且它們會(huì)在 PT三相繞組的漏阻R、漏抗XL和導(dǎo)線對(duì)地電容C中產(chǎn)生壓降。通常PT的三相參數(shù)是對(duì)稱的，而且三相系統(tǒng)對(duì)地電容CA、CB、CC也是基本相等的，因此三相電流i1、i2、i3分別在三相 PT 與系統(tǒng)對(duì)地電容間產(chǎn)生的壓降Ui是基本相等的，此刻在 PT 開口三角形側(cè)可以得到一個(gè)零序電壓U0，該電壓值就等于3倍的Ui·n2/n1。從上述的分析中可以得出從 PT 開口三角形端注入i0測(cè)量得到的 U0為：

式中C—系統(tǒng)單相對(duì)地電容。

由式（2）可知，式中有R、XL、C三個(gè)未知量，因此為了求出單相對(duì)地電容C，需要向PT開口三角側(cè)注入三個(gè)頻率分別為f1、f2、f3的恒流信號(hào)，在開口三角側(cè)測(cè)得三個(gè)零序電壓Uoi（i=1，2，3），由式（2）

可得：

從式（4）可知，通過向PT開口三角側(cè)注入三個(gè)不同頻率的電流信號(hào)可以計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容值，通過式（5）即可計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容電流值i。

式中C0—系統(tǒng)三相對(duì)地電容；

E—系統(tǒng)單相電勢(shì)。

從上述分析可知該方法計(jì)算電容電流誤差主要來源為：互感器漏阻和漏抗變化、互感器一次側(cè)和二次側(cè)進(jìn)行歸算、不同的注入頻率組合、較大的電容測(cè)量范圍、電壓測(cè)量值不準(zhǔn)確等。

2.2中性點(diǎn)注入三頻法測(cè)量原理

圖3所示為中性點(diǎn)注入三頻法測(cè)量原理圖，i0為注入信號(hào)；UA、UB、UC為三相電源，CA、CB、CC為三相等效電容，i1、i2、i3為i0三相分流。

圖3　中性點(diǎn)直注入三頻法測(cè)量原理圖

從中性點(diǎn)注入電流i0，則在三相電路中分別感應(yīng)出電流i1、i2、i3，通過線路零序阻抗、分布電容對(duì)地構(gòu)成回路，A相等效電路如圖4所示。

圖4　中性點(diǎn)注入三頻法A相等效電路圖

由圖4，根據(jù)基爾霍夫定律（KCL）定律可得，

其中ω為注入的信號(hào)角頻率，

同理，B、C相有

當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，三相電阻、線路等效電感及分布電容基本相等，即有：

由式（10）可知，式中有R、XL、C三個(gè)未知量，因此為了求出單相對(duì)地電容C，需要向中性點(diǎn)注入三個(gè)頻率分別為f1、f2、f3的恒流信號(hào)i0k（k=1，2，3），在系統(tǒng)中性點(diǎn)可測(cè)得三個(gè)零序電壓U0k（k=1，2，3），U0k與i0k的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（10）所示。

其中ω=2πfk，k=1，2，3

在不同注入頻率下的線路阻抗Zk如式（12）所示。

由式（7）即可求出單相對(duì)地電容C， 如式（9）所示。

通過式（10）即可計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地電容電流值i。

式中C—系統(tǒng)三相對(duì)地電容；

f—系統(tǒng)頻率，我國為50Hz

E—系統(tǒng)單相電勢(shì)。

上述分析可知中性點(diǎn)注入三頻法具有如下點(diǎn)：

（1）操作方法簡單。電壓互感器副邊一般加裝有小的消諧電阻，傳統(tǒng)的電壓互感器副邊注入三頻法需要退掉消諧電阻，否則消諧電阻會(huì)引起分流，降低測(cè)量精度。而從中性點(diǎn)直接注入三頻法，沒有了消諧電阻，操作起來更為簡單。

（2）測(cè)量結(jié)果精確?；ジ衅鞲边呑⑷肴l法計(jì)算時(shí)，互感器漏抗和漏阻發(fā)生微小變化，都會(huì)影響計(jì)算精度。而中性點(diǎn)注入時(shí)，電阻R0和電感L0是線路零序電阻和零序電感，對(duì)于一段固定規(guī)格和長度的線路，其電阻和電感值是基本保持不變的，且在計(jì)算過程中省略了一次側(cè)到二次側(cè)的歸算過程。

（3）測(cè)量范圍擴(kuò)大。隨著電網(wǎng)電容的增大，三頻法所測(cè)得的電壓逐漸變小，而中性點(diǎn)注入三頻法所測(cè)得的電壓要大的多，因此測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要更高，所能測(cè)量電容值的范圍擴(kuò)大。

3　仿真分析

在MATLAB中搭建仿真模型，該系統(tǒng)為一個(gè)有3條線路的35KV/10kV變電所，變壓器為Y/Y0形接線，線路的正序阻抗為z1=（0.013+j0.047）Ω/km；零序漏阻、漏抗為z0=（0.39+j0.21）Ω/km；三條線路長度均為15km。傳統(tǒng)三頻法測(cè)量和計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。電壓互感器的、高低壓側(cè)變比n1:n2=20。取系統(tǒng)對(duì)地電容分別為0.4uF、3uF、6uF、7.5uF，注入頻率為1A，頻率分別為15Hz、 20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、180 Hz。

表3、表4為中性點(diǎn)直接注入三頻法測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。其中變壓器副邊零序阻抗；取系統(tǒng)對(duì)地電容分別為0.6uF、3uF、6 uF、12 uF、30 uF，注入電流幅值為1A，頻率分別為15Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、60 Hz、70 Hz、80 Hz、180 Hz。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表2中“--”表示無法計(jì)算，這是由于根據(jù)式（4）計(jì)算單相對(duì)地電容時(shí)出現(xiàn)了負(fù)數(shù)開根號(hào)的情況。

表1　傳統(tǒng)三頻法測(cè)量結(jié)果

表2　傳統(tǒng)三頻法計(jì)算結(jié)果

表3　中性點(diǎn)直接注入三頻法測(cè)量結(jié)果

表4　中性點(diǎn)直接注入三頻法計(jì)算結(jié)果

仿真結(jié)果分析：表3對(duì)比表1可知，中性點(diǎn)注入三頻法所測(cè)得的零序電壓要比變壓器副邊注入三頻法大的多，因此可以提高數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，進(jìn)而擴(kuò)大測(cè)量范圍。

由表3、表4可知，0.6uF、3 uF、6 uF、12 uF、30 uF計(jì)算值和理論值的誤差百分比分別是0.67%、0.33%、0.33%、0.58%、0.6%，均低于0.8%的國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足電力系統(tǒng)的計(jì)算精度要求。且與表2所示的計(jì)算值相比，計(jì)算精度明顯提高。

從表4可以看出，隨著系統(tǒng)對(duì)地電容的增大，計(jì)算值與理論值的誤差逐漸增大，但是誤差百分比遠(yuǎn)低于表2所示的互感器副邊注入三頻法。說明該方法提高了三頻法的測(cè)量范圍。

4　結(jié)論

本文提出一種基于中性點(diǎn)直接注入的三頻法電容電流測(cè)量。與傳統(tǒng)三頻法相比，該方法避免了電壓互感器漏電阻、漏電感的影響，可以顯著提高計(jì)算的精度和測(cè)量范圍。該方法同樣適用于兩頻法、掃頻法、向量 法、一次頻率注入法等注入信號(hào)法間接測(cè)量電網(wǎng)電容電流。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.243