彭元慶，程洪錦

(國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司德興供電分公司，江西德興334200)

為了提高供電的可靠性和連續(xù)性，我國(guó)早期的中低壓配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不接地方式[1-2]，發(fā)生單相接地故障時(shí)，在線電壓矢量三角形不變，相線對(duì)中性點(diǎn)電壓不變。電網(wǎng)電容電流不大的情況下，接地電弧能夠自熄，配電網(wǎng)可帶故障繼續(xù)供電1～2 h。隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，特別是城市電網(wǎng)中電纜線路的比例越來越高，對(duì)地電容不斷增大，導(dǎo)致發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過故障點(diǎn)的電容電流不斷增加[3-4]。為了確保電網(wǎng)中出現(xiàn)的接地電弧能可靠熄滅，當(dāng)系統(tǒng)電容電流大于規(guī)程要求的限值時(shí)，須安裝消弧線圈以補(bǔ)償接地電容電流[5]。配電網(wǎng)的電容電流準(zhǔn)確測(cè)量是決定是否安裝消弧線圈以及確定消弧線圈合理補(bǔ)償容量的前提。

為避免在電網(wǎng)一次側(cè)進(jìn)行操作，目前廣泛采用基于信號(hào)注入法[6-7]的測(cè)量方法。在測(cè)量中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)的電容電流時(shí)，通常選擇在互感器的開口三角端注入異頻信號(hào)，通過測(cè)量注入信號(hào)的電流和開口三角端的電壓來計(jì)算電網(wǎng)的對(duì)地電容[8]。考慮到電壓互感器的短路阻抗不能忽略不計(jì)，有些方法則通過加一個(gè)可調(diào)電感來減小誤差[9]。但電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)存在一定的零序電壓[10]，該零序電壓會(huì)反映在互感器開口三角端，對(duì)電壓的測(cè)量帶來很大的影響，往往使得測(cè)量誤差較大。

本文針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)注入法在測(cè)量中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)電容電流時(shí)未考慮零序電壓的問題，提出了一種改進(jìn)的信號(hào)注入法。該方法通過測(cè)量不同情況下電壓互感器開口三角端的電壓值來求解系統(tǒng)的對(duì)地電容，采用計(jì)及互感器繞組漏抗和系統(tǒng)零序電壓的戴維南等效電路模型。該方法不涉及到相量的運(yùn)算，無需對(duì)相角進(jìn)行測(cè)量，采用的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

1 電容電流測(cè)量原理及方法

為確保測(cè)量精度，信號(hào)注入法需要用一個(gè)50 Hz陷波器來去除工頻信號(hào)的干擾，在實(shí)際中數(shù)字濾波器難以實(shí)現(xiàn)，操作起來較為困難，因此提出了注入信號(hào)法的改進(jìn)方法，采用簡(jiǎn)便的接線方式，不需要設(shè)計(jì)工頻濾波器也能有較高的測(cè)量精度。電容電流測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 電容電流測(cè)量原理

如圖1所示，可調(diào)電阻R′和變頻電壓源E串聯(lián)后接到電壓互感器開口三角端AB兩端，并用電壓表V測(cè)量AB兩端電壓有效值。其中，LA、LB、LC為電壓互感器的一次側(cè)繞組，L′A、L′B、L′C為互感器的三次側(cè)繞組，采用三角型連接。CA、CB、CC分別為各相對(duì)地電容。

一方面，10 kV電壓互感器的勵(lì)磁阻抗可達(dá)兆歐級(jí)，其繞組電阻和漏抗大約為幾千歐，而配電網(wǎng)線路的對(duì)地容抗在工頻下一般為幾百歐到幾千歐，因此電壓互感器的勵(lì)磁支路在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。另一方面，由于三相對(duì)地電容的不對(duì)稱，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)并不是嚴(yán)格對(duì)稱的，此時(shí)在電壓互感器開口三角端會(huì)存在零序電壓。由系統(tǒng)不對(duì)稱引起的在AB兩端的電壓大約為1 V，而外加的變頻電壓源的電壓約為幾伏，因此AB兩端的電壓不能忽略。

由此可得等效測(cè)量原理如圖2所示。其中，U0為互感器開口三角端電壓；C0為折算到互感器三次側(cè)的系統(tǒng)對(duì)地電容；R和L為互感器一次側(cè)繞組和三次側(cè)繞組折算到三次側(cè)的繞組電阻和漏感；R′為可調(diào)電阻；E為變頻電壓源。

圖2 等效測(cè)量原理

在不接變頻電壓源和可調(diào)電阻支路時(shí)，可以直接從電壓表讀出U0的大小。

僅在AB兩端接入可調(diào)電阻時(shí)，即此時(shí)AB兩端電壓為UAB1，UAB1與U0的關(guān)系為:

式中ω50為工頻下的角頻率。

設(shè)置R′的阻值分別為R1和R2，電壓表的讀數(shù)分別為U01和U02，則根據(jù)式 (1)可得:

將變頻電壓源和可調(diào)電阻串聯(lián)后接到AB兩端時(shí)，設(shè)置電壓源輸出電壓為E，輸出頻率f為25 Hz。U0單獨(dú)作用下AB兩端電壓為UAB1，記電壓E單獨(dú)作用下AB兩端電壓為UAB2，由疊加原理，可知:

保持可調(diào)電阻R′阻值不變，變頻電壓源接入電路前后電壓表的讀數(shù)分別為UAB1和UAB，由此可以求得變頻電壓源單獨(dú)作用時(shí)AB兩端電壓的大小UAB2。UAB2和E的關(guān)系為:

（2）數(shù)據(jù)整合度低，信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。各MIS系統(tǒng)分別由不同的廠商建設(shè)，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)整合度低，缺乏全局?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范約束，數(shù)據(jù)交換共享困難，信息孤島現(xiàn)象普遍存在。

式中ω25為25 Hz下的角頻率。由式 (4)可以求

同理，設(shè)置變頻電壓源輸出頻率分別f1＝75 Hz，輸出電壓大小為E1，記電壓表的讀數(shù)為U1，可得:

根據(jù)的X25、X50和X75值，可由以下方法求得C0的大小。

判斷X25、X50和X75的大小:

1)若X75最小，則有

2)若X最小，則有

3)若X25最小，則有

求解方程組可得C0的大小。最后將求得的C0換算成電網(wǎng)的對(duì)地電容C′0，換算公式為C′0＝9C0/k213，其中k13為電壓互感器第一繞組到第三繞組的變比。 電網(wǎng)的電容電流IC＝ω50C′0Uφn， 其中Uφn為電網(wǎng)額定相電壓。

2 仿真驗(yàn)證

一般情況下，電壓互感器一次側(cè)到三次側(cè)的變比為10/3:0.1/3，折算到一次側(cè)的繞組電阻約為1 kΩ，漏感約為10 H。配電網(wǎng)的不平衡系數(shù)一般為0.5%～1.5%，由此引起的三角開口端電壓約為1 V左右。建立Matlab/Simulink仿真模型，仿真模型如圖3所示。

圖3 基于改進(jìn)信號(hào)注入法的仿真圖

系統(tǒng)電壓10 kV，三相線路對(duì)地電容采用集中電容進(jìn)行模擬，設(shè)置三組不同的電容值分別進(jìn)行仿真分析，第一組為3μF、3.07μF、3.1μF；第二組 為 10μF、 10.3μF、 10.5μF； 第 三 組 為30.1μF、30.5μF、 30.8μF。 測(cè)量步驟: ①支路斷開時(shí)開路電壓U0(V)；②電壓源輸出置零，調(diào)節(jié)電阻到R1＝0.2Ω，記錄U01(V)；③電壓源輸出置零，調(diào)節(jié)電阻到R2＝0.5Ω，記錄U02(V)；④電壓源輸出E1＝3 V，f1＝25 Hz，R2＝0.5Ω 不變，記錄U1(V)；⑤電壓源輸出E2＝3 V，f2＝75 Hz，R2＝0.5Ω不變，記錄U2(V)。計(jì)算電容電流C′0(μF) 仿真結(jié)果見表1。

表1 基于改進(jìn)信號(hào)注入法的仿真測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

采用傳統(tǒng)的分頻法，其仿真結(jié)果見表2。

表2 采用分頻法的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出:

1)無論是測(cè)量較小的系統(tǒng)對(duì)地電容，還是測(cè)量較大的系統(tǒng)對(duì)地電容，采用改進(jìn)的信號(hào)注入法均具有較高的精確度。

2)當(dāng)系統(tǒng)存在較大的不平衡度時(shí)，采用改進(jìn)的信號(hào)注入法仍具有較高的精確度。

3 實(shí)際應(yīng)用

該方法應(yīng)用于某220 kV城區(qū)變電站中，變電站10 kV線路以電纜為主，兩段母線分列運(yùn)行，測(cè)量得出的10 kV線路電容電流的情況見表3和表4。

表3和表4結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果最大誤差不超過1%，進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的正確性和實(shí)用性。

表3 Ⅰ母配出10 kV線路電容電流 A

表4 Ⅱ母配出10 k V線路電容電流情況 A

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)注入法在測(cè)量中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)電容電流時(shí)未考慮零序電壓的問題，提出一種改進(jìn)的信號(hào)注入法。這種測(cè)量方法無需相角的測(cè)量，所用儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，實(shí)際操作容易實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容存在較大的不平衡度時(shí)，較傳統(tǒng)信號(hào)注入方法具有更高的測(cè)量精度。