何洪偉 胡 波 付昆鵬

(云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，昆明 650228)

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配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流的幾種測(cè)量方法*

何洪偉 胡 波 付昆鵬

(云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，昆明 650228)

隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是電纜線(xiàn)路的用戶(hù)增加，使得系統(tǒng)單相接地電容電流不斷增加。當(dāng)配電網(wǎng)對(duì)地電容電流達(dá)到一定數(shù)值，極易產(chǎn)生間隙性弧光接地過(guò)電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)單相接地故障。本文介紹了測(cè)量電容電流3種方法以及其優(yōu)缺點(diǎn)，特別介紹了信號(hào)注入法，是配電網(wǎng)電容電流測(cè)量中值得大力推廣的實(shí)用方法。

配電網(wǎng)；電容電流；測(cè)量

0 引言

我國(guó)地方電網(wǎng)主要以35kV、10kV和6kV三個(gè)中壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)屬于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)。但是隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是采用電纜線(xiàn)路的用戶(hù)日益增加，使得系統(tǒng)單相接地電容電流不斷增加。實(shí)際上，當(dāng)6～10kV配電網(wǎng)對(duì)地電容電流達(dá)到一定數(shù)值(一般為20A及以上)時(shí)，由于電弧不能自行熄滅，將會(huì)帶來(lái)諸如弧光過(guò)電壓，尤其是間歇弧光過(guò)電壓引起電纜故障等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)單相接地故障擴(kuò)展為事故。

我國(guó)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(guò)一定值時(shí)，要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式。35kV電網(wǎng)如果單相接地電容電流大于10A，6～10kV電網(wǎng)如果接地電容電流大于30A，需要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)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)定值的整定，另一方面亦可為選擇消弧線(xiàn)圈容量提供依據(jù)，所以，了解配電網(wǎng)電容電流大小的真實(shí)值較為重要。

本文介紹了測(cè)量配網(wǎng)電容電流的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，特別介紹了信號(hào)注入法，并通過(guò)理論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，得出該方法有較高的準(zhǔn)確度。證明了這種方法切實(shí)可行，是配電網(wǎng)電容電流測(cè)量中值得大力推廣的實(shí)用方法。

1 測(cè)量電容電流的幾種方法

1.1 直接法

直接法為單相金屬接地法，優(yōu)點(diǎn)是可直接測(cè)量出電網(wǎng)的電容電流、有功泄漏電流和作為二者之和的全電流，但此方法操作及接線(xiàn)復(fù)雜，而且有可能導(dǎo)致非接地相絕緣薄弱處損傷從而造成兩相短路，對(duì)操作人員和供電系統(tǒng)都不安全，一般不采用。

1.2 間接法

間接法包括中性點(diǎn)外加電容法、外加電壓法、調(diào)頻法、變頻法和電容增量法。間接法若利用得當(dāng)，能較準(zhǔn)確地測(cè)量電容電流值，獲得滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要的數(shù)據(jù)。這些是目前常用的方法，但是在實(shí)施間接測(cè)量方法時(shí)仍然需要直接接觸系統(tǒng)主回路，人員與設(shè)備安全還是得不到確保。另外由于涉及一次回路，因此，操作繁瑣、準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)，通常大部分時(shí)間耗費(fèi)在等待調(diào)度命令、開(kāi)工作票、倒閘操作以及準(zhǔn)備安全措施上，工作效率非常低。

間接法測(cè)量的幾種方法中，外加電容法和其他方法相比,具有簡(jiǎn)便、測(cè)量快、對(duì)系統(tǒng)不會(huì)引起過(guò)電壓等優(yōu)點(diǎn),而測(cè)試精度也能滿(mǎn)足工程要求。

中性點(diǎn)外加電容測(cè)量系統(tǒng)的電容電流是在系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r下，在變壓器中性點(diǎn)對(duì)地接入適當(dāng)?shù)碾娙萘?，測(cè)量中性點(diǎn)的對(duì)地電壓，然后用計(jì)算的方法間接得到系統(tǒng)的電容電流。

外加電容一般取系統(tǒng)估算的對(duì)地電容C的0.5倍、1倍和2倍。在每個(gè)電容下測(cè)量一次中性點(diǎn)的對(duì)地電壓(位移電壓)，根據(jù)系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)電壓和測(cè)得的各個(gè)位移電壓來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的電容電流。中性點(diǎn)外加電容法是現(xiàn)場(chǎng)常用的測(cè)量方法，中性點(diǎn)外加電容法測(cè)量系統(tǒng)電容電流的原理接線(xiàn)如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)外加電容法測(cè)量系統(tǒng)電容電流的原理圖

1.3 信號(hào)注入法

為了使系統(tǒng)電容電流的測(cè)量更簡(jiǎn)單、安全，現(xiàn)在有一種新的電容電流測(cè)試方法。該方法從母線(xiàn)電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角施加2個(gè)頻率不同的電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量施加電壓信號(hào)與施加電流信號(hào)的幅值與相位關(guān)系，求解出線(xiàn)路的對(duì)地電容值。施加2個(gè)不同頻率的異頻信號(hào)還可以分辯出電感參數(shù)。采用該方法測(cè)量配電網(wǎng)電容電流不需要觸及設(shè)備的一次端，具有安全便捷的特點(diǎn)。

信號(hào)注入法測(cè)量原理如下：

利用母線(xiàn)常設(shè)的運(yùn)行設(shè)備電壓互感器，從其低壓開(kāi)口三角處注入不同頻率的電流，通過(guò)測(cè)量開(kāi)口三角的電壓，構(gòu)成一系列的方程組，求解出電網(wǎng)的電容電流，操作較為簡(jiǎn)便，且易于實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)注入法測(cè)量原理圖見(jiàn)如圖2、圖3所示。

圖2 信號(hào)注入法測(cè)量原理圖

圖2表示一中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，其中性點(diǎn)可能接消弧線(xiàn)圈L。C是等效該系統(tǒng)的對(duì)地雜散電容。在母線(xiàn)上，一組三臺(tái)電壓互感器PT的二次接成開(kāi)口三角。L、N為二次繞組引出線(xiàn)代號(hào)。根據(jù)線(xiàn)性電路的疊加原理，若在圖1中，L、N端加入不同于工頻的電壓，而又暫不考慮工頻三相母線(xiàn)電壓的作用，三臺(tái)特性相同的PT的二次線(xiàn)圈在單相電壓作用下，其各自在一次線(xiàn)圈感應(yīng)的電壓同幅同相。即：三相母線(xiàn)1、2、3點(diǎn)同電位，可被視為一點(diǎn)，所以，圖2所示電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖3。

圖3 信號(hào)注入法測(cè)量原理簡(jiǎn)化圖

圖3的物理含義其實(shí)就是把一個(gè)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)等效為一個(gè)并聯(lián)RLC電路，把二次接成開(kāi)口三角形的電壓互感器等效為一個(gè)理想變壓器。對(duì)于一般的配電網(wǎng)，三相對(duì)地電容之和一般在1～150μF之間，對(duì)應(yīng)的工頻阻抗為幾千歐至幾十歐，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電壓互感器的勵(lì)磁阻抗(達(dá)兆歐級(jí))，因此，電壓互感器中的勵(lì)磁電流可以忽略不計(jì)。減少電阻R(損耗電阻)，阻尼系統(tǒng)L、C振蕩，使L、C振蕩快速衰減，電阻R(損耗電阻)不消耗有功功率，這正是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。

根據(jù)如圖3的等值回路，當(dāng)在開(kāi)口三角端L，N注入角頻率ω的電流信號(hào)i時(shí)，可在L、N端測(cè)到一電壓信號(hào)u，電壓滯后電流的角度φ。在L、N端的等效復(fù)導(dǎo)納：

(1)

如果注入兩個(gè)不同頻率的電流信號(hào)，可以測(cè)量到兩組電壓、電流的矢量和等效復(fù)阻抗。設(shè)2個(gè)注入電流的頻率分別為f1和f2，利用這兩組測(cè)量結(jié)果，分離出相應(yīng)的實(shí)部和虛部，得到聯(lián)立的兩個(gè)方程，可解得系統(tǒng)對(duì)地電容：

(2)

其中，ω=2pf，u和i是電壓互感器二次開(kāi)口三角端的實(shí)測(cè)電壓、電流數(shù)據(jù)，k是電壓互感器二次接成開(kāi)口三角形時(shí)的變比，由U=ku，I=i/k折算到高壓方。系統(tǒng)電容電流：

IC=ωCUφ

(3)

2 測(cè)量實(shí)例

根據(jù)以上原理研制生產(chǎn)的MS-500P型配電網(wǎng)接地電容電流測(cè)量?jī)x，分為測(cè)量系統(tǒng)和異頻功率源二部分，測(cè)量系統(tǒng)濾除所有非注入頻率的干擾信號(hào)，包括開(kāi)口三角端處(見(jiàn)圖2中母線(xiàn)PT、二次開(kāi)口三角輸入測(cè)試異頻電壓)的工頻信號(hào)等，并進(jìn)行有效電壓、電流信號(hào)的采樣、分析和計(jì)算。異頻功率源能根據(jù)配電網(wǎng)特性提供頻率1～100Hz，功率50W的恒流源，該測(cè)量?jī)x采用自適應(yīng)技術(shù)，能對(duì)不同配電網(wǎng)自動(dòng)搜索其特性，并判斷注入到被測(cè)配電網(wǎng)系統(tǒng)恒流源的頻率。

采用MS-500P型配電網(wǎng)接地電容電流測(cè)量?jī)x對(duì)某110kV變電站的10kV配電網(wǎng)對(duì)地電容電流進(jìn)行測(cè)量。該站10kV母線(xiàn)共兩段，每段母線(xiàn)設(shè)計(jì)為10回出線(xiàn)，共計(jì)20回10kV出線(xiàn)，另外每段母線(xiàn)還有4組電容器組。根據(jù)輸電線(xiàn)路參數(shù)，其電容電流值的理論計(jì)算分別為：

理論值計(jì)算依據(jù)式(3)計(jì)算。

ω=2pf=2×3.14×50=314

C1=100km×0.0125μF/km=0.00000125F

C2=100km×0.0118μF/km=0.00000118F

Uφ=10kV/1.732=5773.67V

Ic1=ωC1Uφ=314×0.00000125×5773.67 =22.58A

Ic2=ωC2Uφ=314×0.00000118×5773.67 =21.33A

10kV 1M段的電容電流為22.58A；10kV 2M段的電容電流為21.33A。采用MS-500P型配電網(wǎng)接地電容電流測(cè)量?jī)x對(duì)該配電網(wǎng)的電容電流進(jìn)行了4次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示，均能保持較高的準(zhǔn)確度。

表1 電容電流測(cè)量結(jié)果

3 注意事項(xiàng)

采用信號(hào)注入法測(cè)量，還必須注意以下幾點(diǎn)：

1)必須斷開(kāi)連接在系統(tǒng)中性點(diǎn)上的補(bǔ)償裝置(如消弧線(xiàn)圈)。

2)對(duì)于少數(shù)在PT中性點(diǎn)上安裝高阻消諧器的PT組，必須將消諧器短接后再進(jìn)行測(cè)量。

3)如果系統(tǒng)兩段母線(xiàn)上的PT二次繞組是并聯(lián)運(yùn)行的，應(yīng)將二次繞組改成單獨(dú)運(yùn)行的方式后，再進(jìn)行測(cè)量。

4)如果PT開(kāi)口三角接入的負(fù)載(如消諧裝置)阻抗小于100Ω，應(yīng)將該負(fù)載斷開(kāi)后再進(jìn)行測(cè)量。

5)該方法只能從電磁式PT的二次側(cè)測(cè)量電容電流，不能從電容式電壓互感器(CVT)進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)論

1)本文介紹了測(cè)量配網(wǎng)電容電流的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，特別介紹了信號(hào)注入法，該方法不需要涉及一次設(shè)備，測(cè)量工作安全、快捷。

2)采用該方法的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值非常吻合，該方法有較高的準(zhǔn)確度。證明了這種方法切實(shí)可行，是配電網(wǎng)電容電流測(cè)量中值得大力推廣的實(shí)用方法。

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*云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院科技計(jì)劃項(xiàng)目(JLKY2013-9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.06