基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測(cè)試研究

王智勇，王開(kāi)明，覃日升，敖剛，李章勇

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明安寧供電局，昆明 650300；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100； 3. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 6502517，4. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

我國(guó)中壓配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈或經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式[1-2]。隨著供電網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，特別是電纜線路日益廣泛應(yīng)用，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，部分中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中存在故障點(diǎn)電容電流過(guò)大，接地電弧很難熄滅等問(wèn)題。從而產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓，有可能演化成兩相短路等惡劣事故。為實(shí)現(xiàn)故障時(shí)電弧的可靠熄滅，抑制故障升級(jí)，基于消弧線圈以補(bǔ)償電容電流的方式是當(dāng)前治理的主流方法[3]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈與電網(wǎng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路[4]。當(dāng)消弧線圈運(yùn)行于諧振點(diǎn)附近，感性電流與故障容性電流互相抵消，從而減小故障點(diǎn)電流值，保證了接地電弧的可靠自熄。

電容電流的精確測(cè)量是消弧線圈合理補(bǔ)償?shù)那疤?，如何選擇消弧線圈容量，需要知道對(duì)地容性電流值。此外對(duì)地電容值也是分析鐵磁諧振的重要參數(shù)，因此測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)地電容電流值不可或缺[5]。但由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，線路對(duì)地電容的存在，導(dǎo)致線地間容性電流無(wú)法簡(jiǎn)單、直接的測(cè)量。

現(xiàn)階段容性電流測(cè)量法主要有兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、并聯(lián)阻抗法和有源注入法[6-7]。兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法和并聯(lián)阻抗法的測(cè)試精度受運(yùn)行態(tài)勢(shì)及電網(wǎng)參數(shù)作用，因而易造成系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓偏移較大；有源注入法的測(cè)量精度受注入信號(hào)強(qiáng)度、頻率等因素綜合影響，需要多方面控制才能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量[8-11]。

基于以上不足，本文提出了濾波箱自適應(yīng)掃頻法。其主旨是在消弧線圈濾波箱中間變壓器二次側(cè)或零序PT 二次側(cè)注入特定頻率的恒流信號(hào)IN，即在注入信號(hào)選擇前先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。該方法基于注入法，自適應(yīng)選擇性尋找掃描信號(hào)頻率，并根據(jù)背景信號(hào)含有率情況，選擇含量較低的頻率信號(hào)作為注入信號(hào)，從而減少干擾和畸變信號(hào)對(duì)結(jié)果的影響，削減了消弧線圈在電壓不平衡下的電容值測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

1 傳統(tǒng)容性電流測(cè)試方法

1.1 兩點(diǎn)法

兩點(diǎn)法適用于中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，在較大中性點(diǎn)位移電壓工況下才能運(yùn)用。該法旨在通過(guò)測(cè)量?jī)煞N不同脫諧度下的中性點(diǎn)電壓和消弧線圈電流，計(jì)算容性電流，其精準(zhǔn)度有賴于脫諧度。兩點(diǎn)法忽略阻尼率，即線路對(duì)地電導(dǎo)和消弧線圈附加電阻值，測(cè)量精度有待提升，其易造成系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓偏移較大。

1.2 三點(diǎn)法

三點(diǎn)法是對(duì)兩點(diǎn)法的改進(jìn)算法，加入考慮了阻尼率因素。三點(diǎn)法測(cè)量較多，需要測(cè)量三種脫諧度下中性點(diǎn)電壓及消弧線圈電流，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。容性電流的準(zhǔn)確測(cè)量有賴于較小脫諧度和較大中性點(diǎn)位移電壓工況才能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也將造成中性點(diǎn)電壓偏移。

1.3 阻抗法

阻抗法適用于消弧線圈并（串）聯(lián)電阻的接地系統(tǒng)中，常應(yīng)用在帶有有載開(kāi)關(guān)調(diào)匝式或氣隙式消弧線圈的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置系統(tǒng)中。由于電感值無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，只能將裝置調(diào)整到離諧振點(diǎn)最近的分接頭處，調(diào)整精度受到影響。阻抗法為預(yù)調(diào)諧法，即電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行調(diào)協(xié)，發(fā)生單相接地故障后不再調(diào)節(jié)。該方法計(jì)算電容電流仍需測(cè)量?jī)煞N脫諧度下的中性點(diǎn)電壓及消弧線圈電流，測(cè)試過(guò)程仍會(huì)造成中性點(diǎn)電壓位移。

1.4 有源注入法

有源注入法是從母線電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角側(cè)注入兩個(gè)幅值相同、頻率不同的電流信號(hào)，通過(guò)測(cè)量注入電壓，構(gòu)成一系列方程組，求解出電網(wǎng)電容電流。這種方法測(cè)量電容電流法不能采用某些固定頻率來(lái)滿足所有測(cè)量要求，必須根據(jù)相應(yīng)的判據(jù)采用自適應(yīng)技術(shù)，將頻率從高到低進(jìn)行搜頻，找到最合適頻段注入該頻率段的兩組異頻電流進(jìn)行電容電流的測(cè)量。有源注入法的測(cè)量精度受注入信號(hào)強(qiáng)度、頻率等因素綜合影響，需要多方面控制才能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

2 自適應(yīng)掃頻法

借鑒有源注入法，本文提出了在消弧線圈濾波箱中間變壓器二次側(cè)或零序PT 二次側(cè)注入特殊頻率的恒流信號(hào)IN，向消弧線圈一次側(cè)注入特殊頻率信號(hào)的自適應(yīng)掃頻測(cè)試法。為了確保測(cè)試值盡量不受系統(tǒng)影響，在注入信號(hào)選擇前先對(duì)系統(tǒng)背景信號(hào)進(jìn)行頻率掃描，根據(jù)背景信號(hào)的含有率情況，選擇含量較低的頻率信號(hào)作為注入信號(hào)。注入信號(hào)頻率選擇非工頻及其整數(shù)倍，以減少干擾和畸變信號(hào)對(duì)結(jié)果的影響。

基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測(cè)試原理如圖1，對(duì)應(yīng)的等值電路如圖2 所示，其中，r 為對(duì)地泄漏電阻，rL為消弧線圈的等值損耗電阻，Csum單相對(duì)地電容值之和，為為變換到電壓互感器一次側(cè)電流。假設(shè)電壓互感器變比為n。注入頻率選擇的相關(guān)理論模型如式（1）至（5）。

圖1 注入信號(hào)法原理圖

圖2 注入信號(hào)法等效原理圖

假設(shè)注入電流角頻率為ω1，注入電流在TV一次側(cè)電壓為，PT 二次側(cè)電壓為，那么得到關(guān)系式如下：

進(jìn)一步得：

通過(guò)矢量運(yùn)算，可以得到：

若引入另一角頻率為ω2的注入電流，可得：

式（5）即為注入信號(hào)選擇模型。此方法求解使用的是特殊頻率，避免了基頻不平衡電流的影響。而且和兩點(diǎn)法相比，由于頻率的改變使阻抗大大不同，不同頻率下Im()相差較大，不會(huì)增大中性點(diǎn)零序電壓。

3 仿真分析

某變電站運(yùn)行方式為經(jīng)消弧線圈接地，配置為調(diào)容式消弧線圈。信號(hào)加在消弧線圈二次側(cè)電容處，而非加在PT 處，可在線圈接地點(diǎn)處直接測(cè)量對(duì)地電容電流，因此只需注入一個(gè)頻率特殊信號(hào)即可。基于PSCAD 對(duì)基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測(cè)試方法進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3 所示。

仿真中消弧線圈一次側(cè)電感值為0.1173 H，二次側(cè)電容值為3000μF，工頻50 Hz 下阻抗為66.39 Ω，對(duì)應(yīng)于此變電站所使用DXRC 型隨調(diào)調(diào)容式消弧線圈的32 檔位；由輸電線路電纜參數(shù)查表知，該處線路對(duì)地總電容約為43.89μF。

基于對(duì)容性電流測(cè)試前的變電站實(shí)際電流測(cè)量與傅里葉分析，發(fā)現(xiàn)30 Hz 分量含量較低。結(jié)合式（5），仿真則以兩個(gè)角頻率分別為工頻50 Hz 和30 Hz 的注入信號(hào)展開(kāi)。其中工頻情況下脫諧度約為-0.0998，即10% 左右。通過(guò)PWM 變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)30 Hz 交流信號(hào)的注入，測(cè)量所得的電壓波形如圖4，對(duì)地電容電流波形如圖5。

由圖4 和圖5 可知，注入電壓和對(duì)地電容電流均具有較大的高頻分量，與PWM 變頻技術(shù)中的30 Hz 分量注入工況吻合。使用切比夫斯基濾波器對(duì)中性點(diǎn)電壓波形和電流波形進(jìn)行低通濾波，為使50 Hz 和30 Hz 信號(hào)量等值保留，中心頻率選為40 Hz，其中性點(diǎn)電壓電流波形圖分別為圖6 和圖7 所示。

圖3 仿真模型圖

圖4 注入電壓波形

圖5 對(duì)地電容電流波形

圖6 中性點(diǎn)電壓波形

圖7 中性點(diǎn)電流波形

基于PSCAD 仿真的數(shù)據(jù)分析可得中性點(diǎn)電壓峰值為79.149 V，電流峰值為0.6725 A，故對(duì)地電容為：

仿真計(jì)算結(jié)果與估計(jì)值43.89μF非常接近，故仿真結(jié)果是合理的，表明基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測(cè)試分析方法具有可行性。

4 中性點(diǎn)電壓偏差分析

鑒于兩點(diǎn)法應(yīng)用的廣泛性，本文在上述10 kV 的仿真條件下，采用兩點(diǎn)法和自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流，進(jìn)行的中性點(diǎn)電壓偏移Uun對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 不同脫諧度下，兩點(diǎn)法引起中性點(diǎn)電壓偏移圖

由圖8 可知，隨著原始不平衡度的增加，采用兩點(diǎn)法測(cè)試容性電流時(shí)，中性點(diǎn)電壓也隨之急劇增大。在不平衡電壓為3% 時(shí)，采用兩點(diǎn)法測(cè)試容性電流，中性點(diǎn)電壓偏移幅值超過(guò)7 000 V，為額定電壓的1.2 倍。

由圖9 可知，隨著原始不平衡度的增加，采用自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流時(shí)，中性點(diǎn)電壓也隨之增大。在不平衡電壓為3%時(shí)，采用自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流，中性點(diǎn)電壓偏移幅值低于600 V，為額定電壓的0.099 倍。

圖9 不同脫諧度下，自適應(yīng)掃頻法引起中性點(diǎn)電壓偏移圖

綜上分析，采用同一條件下，采用自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流時(shí)，引起的中性點(diǎn)電壓波動(dòng)幅值遠(yuǎn)低于兩點(diǎn)法。因此，基于消弧裝置濾波箱二次側(cè)注入的自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流，引起電壓波動(dòng)小，具備工程實(shí)際優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流方法是對(duì)傳統(tǒng)有源注入測(cè)試法的改進(jìn)，采用了最優(yōu)頻率掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二次側(cè)注入，具有自適應(yīng)性、安全性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)仿真分析和對(duì)比，本文提出的基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法測(cè)試容性電流方法具有準(zhǔn)確性高，精確度好的優(yōu)勢(shì)，較傳統(tǒng)容性電流測(cè)試方法在中性點(diǎn)電壓偏移方面也有所優(yōu)化。

此外，由于信號(hào)由電壓互感器二次側(cè)注入，該方法將不影響一次側(cè)的正常運(yùn)行，該過(guò)程不需要啟動(dòng)消弧線圈的調(diào)協(xié)機(jī)制，有利于調(diào)諧裝置的正常運(yùn)行，適用于任何類型的消弧線圈系統(tǒng)。