唐 軼，齊敦金，羅建鋒，劉建華

（1.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221008；2.中國長江三峽集團(tuán)公司機(jī)電工程部，宜昌 443000）

諧振接地系統(tǒng)的準(zhǔn)確、快速自動(dòng)調(diào)諧控制是影響發(fā)生接地故障時(shí)有效消弧的主要因素。已有多種消弧線圈調(diào)諧控制方法：位移電壓極大值法［1］、阻抗三角形法［2］、相位調(diào)諧方法［3］、兩點(diǎn)解析法［4］、注入信號(hào)法［5～7］、諧振法結(jié)合曲線擬合法［8］、負(fù)序電流分量極小值調(diào)諧法［9，10］等，它們各有其特點(diǎn)。如：位移電壓極大值法［1］、阻抗三角形法［2］、相位調(diào)諧方法［3］調(diào)諧時(shí)需要消弧線圈不斷調(diào)檔，這將大大縮短調(diào)檔所用機(jī)械元件（如有載開關(guān)）的壽命，并且，只適用于“預(yù)調(diào)諧”消弧線圈，不能給出脫諧電流或是電容電流的值；兩點(diǎn)解析法［4］、注入信號(hào)法［5～7］、諧振法結(jié)合曲線擬合法［8］直接測量出電網(wǎng)的接地電容電流，因此既可適用于“隨調(diào)諧”，也可適用于“預(yù)調(diào)諧”消弧線圈，但調(diào)諧時(shí)也要求消弧線圈多次操作，同樣會(huì)縮短調(diào)檔所用機(jī)械元件的壽命，并且不能連續(xù)對(duì)電網(wǎng)的脫諧電流或是電容電流的值進(jìn)行監(jiān)視，因此調(diào)諧測量裝置對(duì)電網(wǎng)零序參數(shù)（線路操作）的變化需要有個(gè)正確判斷，以便重新測量；由于負(fù)序電流不只是單相接地故障才產(chǎn)生，負(fù)荷不對(duì)稱、斷線故障等均可產(chǎn)生，因此負(fù)序電流分量極小值調(diào)諧法難以實(shí)際用于消弧線圈的主調(diào)諧控制，只能作為其他調(diào)諧控制方式的輔助［11］；位移電壓極大值法［1］、阻抗三角形法［2］、兩點(diǎn)解析法［4］、諧振法結(jié)合曲線擬合法［8］適用于中性點(diǎn)自然偏移電壓較高（0.5%以上）的電網(wǎng)，而純電纜電網(wǎng)（如煤礦）中性點(diǎn)自然偏移電壓較低，一般在0.2%以下，有些煤礦電網(wǎng)只有0.02%。對(duì)于這些電網(wǎng)，以上調(diào)諧方式控制的消弧線圈安裝時(shí)就要給電網(wǎng)添加一個(gè)不平衡，如接地變壓器三相繞組不平衡、在電網(wǎng)的某一相加一個(gè)電容等。

本文提出一種適合于純電纜電網(wǎng)和電纜架空線混合電網(wǎng)的接地電流在線測量方法，它既適用于“預(yù)調(diào)諧”，也適用于“隨調(diào)諧”消弧線圈的調(diào)諧控制，具有測量方法簡單、測量時(shí)不需要任何伴隨操作、僅需要一個(gè)測量量、可連續(xù)重復(fù)測量、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 接地電流測量原理

圖1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)等值電路［12］。對(duì)隨調(diào)式消弧線圈，L為消弧線圈輸出初始補(bǔ)償電流時(shí)的等效電感值，對(duì)預(yù)調(diào)式消弧線圈，L為消弧線圈當(dāng)前輸出補(bǔ)償電流時(shí)的等效電感值；C∑＝CA＋CB＋CC，CA、CB和CC分別為電網(wǎng)三相對(duì)地電容；g∑為電網(wǎng)三相對(duì)地總電導(dǎo)，g∑＝1／rA＋1／rB＋1／rC；gL＝1／RL，RL為消弧線圈損耗和阻尼電阻（預(yù)調(diào)式消弧線圈有）的總等效電阻。

圖1 配電網(wǎng)等值電路Fig.1 Equivalent circuit of distribution networks

在電網(wǎng)未接入小電容ΔC的自然狀態(tài)下，電網(wǎng)正常運(yùn)行的零序電壓為

安裝消弧線圈時(shí)，在參考相（A相）接入一個(gè)小電容ΔC，并考慮ΔC?C∑，則電網(wǎng)的零序電壓為

對(duì)于電纜電網(wǎng)，由于˙U00相對(duì)于˙U0很小，接近于零，可以忽略，則得

取實(shí)部得

小電容ΔC所加的某相與所取的線電壓參考相量必須保證一個(gè)“相應(yīng)的”關(guān)系，即要保證ΔC所加相的˙Eφ超前參考相量90°，這就保證Re（˙Eφ）＝0，Im（˙Eφ）＝Eφ，其中φ為A、B和C見圖2。

圖2 相量圖Fig.2 Phasor

式（5）兩邊同乘額定相電壓可得接地電流中電容電流分量（用于“隨調(diào)式”消弧線圈的控制）得

接地電流中脫諧電流分量（用于“預(yù)調(diào)式”消弧線圈的控制）為

同樣，式（3）取虛部并乘以額定相電壓得接地電流中有功（阻尼）電流分量為

式中：u0（k）為電網(wǎng)零序電壓的采樣值；N為一個(gè)工頻周期T的采樣點(diǎn)數(shù)；UφN為額定相電壓。

2 理論測量誤差

式（6）～式（8）是假設(shè)電網(wǎng)自然的零序電壓U00＝0由（3）推得的，實(shí)際電網(wǎng)不可能絕對(duì)對(duì)稱，U00不可能為零，因此，這將產(chǎn)生測量誤差［12］?？紤]U00由式（2）得

式（9）減式（3）得絕對(duì)誤差為

因此有

脫諧度相對(duì)誤差為

阻尼率相對(duì)誤差為

3 ΔC的確定［12］

由式（1）和式（2）得

對(duì)隨調(diào)式消弧線圈，Id≈0，由此得

對(duì)預(yù)調(diào)式消弧線圈，Iυ≈0，由此得

例如：對(duì)一10 k V接地電流約為45 A（C∑＝24.8μF）的配網(wǎng)，安裝一臺(tái)補(bǔ)償電流下限值為15 A“隨調(diào)式”消弧線圈，電網(wǎng)的自然零序電壓為0.1%，希望測量誤差在5%以內(nèi)，則可?。害＝μF，這時(shí)，電網(wǎng)正常運(yùn)行（電網(wǎng)接入ΔC的零序電壓標(biāo)幺值為U＊0＝0.1%×（1＋1／0.05）＝2.1%。再如：對(duì)一10 k V接地電流約為45 A的配網(wǎng)，安裝一臺(tái)阻尼電流為15 A“預(yù)調(diào)式”消弧線圈，自然不平衡電壓為0.1%，希望測量誤差在5%以內(nèi)，則可取這時(shí)，電網(wǎng)正常運(yùn)行的零序電壓標(biāo)幺值為U＊0＝0.1%×（1＋1／0.05）＝2.1%；若同樣取ΔC＝0.331μF，則零序電壓為4.2%，測量誤差在2.5%以內(nèi)。

以上兩例也可看出，該測量方法比較適合于自然零序電壓相對(duì)較低的電纜電網(wǎng)或電纜架空線混合電網(wǎng)，當(dāng)自然零序電壓在0.5%以內(nèi)，要求測量誤差在5%以內(nèi)的條件下，電網(wǎng)正常運(yùn)行的零序電壓可控制在10%以內(nèi)。提高測量精度和降低電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的零序電壓是一對(duì)矛盾，顯然，自然零序電壓越低越有利于該測量方法提高測量精度和降低電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的零序電壓，因此，它最適合于純電纜電網(wǎng)，也適用于電纜架空線混合電網(wǎng)壓。

4 模擬試驗(yàn)

用該測量方法研制（用SEED＿TMS320C2812MV2.1板開發(fā)）的諧振接地系統(tǒng)調(diào)諧裝置在660 V（煤礦井下電壓等級(jí)）低壓模擬電網(wǎng)（如圖3所示）進(jìn)行了調(diào)諧測量試驗(yàn)。模擬電網(wǎng)有3條線路，分布電容分別為每相8μF、6μF和4μF。為保證分析精度，實(shí)測了線電壓為696 V時(shí)，它們的單相直接接地電流ICA分別為3.17 A、2.39 A和1.61 A。用一臺(tái)額定電壓10.5 k V、額定補(bǔ)償電流為50 A（696 V時(shí)為3.3 A）、下限補(bǔ)償電流15 A（696 V時(shí)為0.99 A）的消弧線圈（三相五柱直調(diào)電感式消弧線圈）進(jìn)行試驗(yàn)。消弧線圈補(bǔ)償電流的有功分量不便精確測量，模擬“預(yù)調(diào)諧”控制時(shí)在消弧線圈的二次并聯(lián)8Ω，按一、二次電壓比計(jì)算等效在一次中性點(diǎn)對(duì)地加160Ω，即該電阻的阻尼電流約2.5 A。試驗(yàn)時(shí)在A相加ΔC＝0.22 μF，分別投入K3、K2和K1，調(diào)諧裝置自動(dòng)分別測得數(shù)據(jù)（只能顯示小數(shù)點(diǎn)后1位）如表1（隨調(diào)諧）和表2（預(yù)調(diào)諧），其中，ICC、δCA和δCC分別為測量電容電流、電容電流理論分析相對(duì)誤差和測量相對(duì)誤差。由于阻尼電流值不易精確測量，因此，沒有分析阻尼電流誤差。表1和表2證明，式（6）～式（8）、式（12）、式（13）、式（15）和式（16）的正確性，表中有些電容電流測量相對(duì)誤差偏高是由于調(diào)諧控制器只能顯示測量值的小數(shù)點(diǎn)后一位產(chǎn)生的誤差和測量采樣（16位AD）誤差所至。圖4是每相8μF，即接地電容電流為3.17 A“隨調(diào)式”消弧線圈全補(bǔ)償?shù)氖静ㄆ麂洸ㄐ巍D中4條曲線從上到下依次為零序電壓、補(bǔ)償電流、電容電流和接地電流，分別從圖3中PT開口三角（電壓探頭）、CT1、CT2和CT3（電流探頭）處測得。接地方式采用手搖間隙，由于試驗(yàn)電壓低，接地電流小，接地電弧難形成，因此這里的“間隙KJ”采用2個(gè)“尖端”，電弧持續(xù)時(shí)間很短。由圖4可見，補(bǔ)償效果很好。

圖3 模擬試驗(yàn)電路Fig.3 Test circuit for simulation

圖4 示波器試驗(yàn)波形Fig.4 Test waveforms recorded by oscilloscope

表1 “隨調(diào)式”消弧線圈試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of follow－tuning arc－suppression coil

表2 “預(yù)調(diào)式”消弧線圈試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of pre－tuning arc－suppression coil

5 結(jié)語

本文從測量原理、誤差分析和ΔC的選擇闡述了補(bǔ)償電網(wǎng)接地電流在線跟蹤測量方法。該方法的優(yōu)勢(shì)在于只需監(jiān)視電網(wǎng)一個(gè)量的變化，并且，測量時(shí)無需任何伴隨操作，便可較精確地知曉電網(wǎng)接地電流中的電容（脫諧）電流和有功（阻尼）電流的變化，她們是消弧線圈調(diào)諧控制所需的兩個(gè)不可或缺的參數(shù)；試驗(yàn)證明，該方法測量精度較高；該方法很易用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。該方法研制的控制器已用于“三相五柱直調(diào)電感式消弧線圈”的控制，現(xiàn)場運(yùn)行證明了該方法測量調(diào)諧控制的有效性。

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