饒新亮，龔鶴騰，胡海寧，石英春，劉維可，田睿

(1．國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2．中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410208； 4. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著城市10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)智能化和智慧化的建設(shè)，10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)日益龐大，同時(shí)隨著供電服務(wù)質(zhì)量和現(xiàn)代化城市建設(shè)的需求增加，地下配網(wǎng)電纜的應(yīng)用規(guī)模也逐年升高，部分城市已經(jīng)出現(xiàn)電容電流嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象[1-3]。

21世紀(jì)初，李中樹(shù)[4]提出利用消弧線圈補(bǔ)償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，測(cè)得電容電流的新方法，該方法在不影響電網(wǎng)正常運(yùn)行的條件下快速且準(zhǔn)確。2007年，李曉波[5]針對(duì)6～10 kV配電網(wǎng)，提出了單相經(jīng)電阻接地的測(cè)試方法并進(jìn)行了微機(jī)型電容電流測(cè)試儀的研制。彭元慶和程洪錦基于改進(jìn)注入信號(hào)的方法，提出了一種新的配電網(wǎng)電容電流測(cè)試方法[6]，研究結(jié)果證明該方法可以解決電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)測(cè)量電容電流精度不高的問(wèn)題，且簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，提高了測(cè)量效率。周求寬[7]等人推導(dǎo)了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中“三異頻等幅電流阻抗法”的正確公式，提出了將異頻電流注入電容器組中性點(diǎn)的新方法來(lái)測(cè)量電容電流，并分析了影響測(cè)量結(jié)果的不利因素。冉啟鵬和胡之榮等人[8]比較了幾種配電網(wǎng)電容電流的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法并完成了27個(gè)變電站10 kV / 35 kV系統(tǒng)電容電流的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)測(cè)試不當(dāng)?shù)牡胤教岢隽烁倪M(jìn)意見(jiàn)。曾祥君等人[9]提出在零序電壓互感器的開(kāi)口三角側(cè)串聯(lián)可調(diào)電感的測(cè)試方法，并證明該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

綜上所述，傳統(tǒng)電容電流測(cè)量方法繁雜多樣，在滿足試驗(yàn)條件的情況下，都能完成電容電流的測(cè)試。但隨著安全生產(chǎn)和提質(zhì)增效要求的提高，目前電容電流測(cè)試方法逐漸不能滿足電力生產(chǎn)實(shí)際的需求。本文在總結(jié)現(xiàn)有電容電流測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，分析各種測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并提出一種帶消弧線圈測(cè)量電容電流的方法，為各大儀器設(shè)備生產(chǎn)提供參考，并為消弧線圈控制器提供一個(gè)可參考的研究方向。

1 電容電流測(cè)試方法

根據(jù)測(cè)量信號(hào)源的劃分，可以將電容電流測(cè)量方法劃分為無(wú)源測(cè)量和有源測(cè)量[10-11]。無(wú)源測(cè)量主要根據(jù)系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行電容電流計(jì)算，有源則是通過(guò)外加的信號(hào)源、異頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量[12-13]。

目前，無(wú)源法主要有單相金屬接地法、中性點(diǎn)外加電容法、偏置電容法，以及消弧裝置中運(yùn)用最多的中性點(diǎn)位移電壓偏移法[14-15]；有源法主要采用外加異頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，主要有母線TV開(kāi)口三角注入法、接地變中性點(diǎn)注入法、電容器組中性點(diǎn)注入法。

1.1 單相金屬接地法

10 kV不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，因三相電壓仍舊對(duì)稱，允許帶故障運(yùn)行2 h[16-18]，此時(shí)接地點(diǎn)流過(guò)的故障電流即為系統(tǒng)對(duì)地電容電流之和。單相金屬接地法通過(guò)人工構(gòu)造一個(gè)單相接地點(diǎn)，模擬不接地系統(tǒng)單相接地故障，測(cè)量接地點(diǎn)的故障電流，即可得到系統(tǒng)的電容電流[19]。

(1)

隨著電力生產(chǎn)對(duì)系統(tǒng)安全要求的提高，該測(cè)量方法在早期有所應(yīng)用，但目前應(yīng)用場(chǎng)合較少。人工構(gòu)造單相接地故障后，非故障相的電壓將上升到線電壓，對(duì)10 kV系統(tǒng)絕緣造成積累性損傷。

1.2 中性點(diǎn)外加電容法

根據(jù)基爾霍夫定律可以得到式(2)：

(2)

化簡(jiǎn)可得：

(3)

轉(zhuǎn)化后可得系統(tǒng)總對(duì)地電容C的大小為：

(4)

則，系統(tǒng)電容電流大小為：

IC=2πfC

(5)

1.3 偏置電容法

(6)

則系統(tǒng)電容電流大小為：

IC=2πfC

(7)

單相附加電容法是通過(guò)在電網(wǎng)某相對(duì)地之間接入一附加電容造成電容負(fù)載不對(duì)稱，產(chǎn)生零序電壓，測(cè)得零序電壓和流過(guò)附加電容器的電流后，通過(guò)計(jì)算來(lái)間接測(cè)量電網(wǎng)單相接地電容電流，但是測(cè)量誤差與外接電容的大小有關(guān)。此外，在人為接地的瞬間，電容的充電效應(yīng)相當(dāng)于在電網(wǎng)中產(chǎn)生了一個(gè)金屬性接地故障，不利于安全，還會(huì)在外接電容過(guò)大時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。

1.4 TV開(kāi)口三角異頻信號(hào)注入法

三異頻法，也稱分頻法，如圖1所示。

圖1 TV開(kāi)口三角異頻信號(hào)注入法

該方法通過(guò)在10 kV母線TV開(kāi)口三角形側(cè)注入一個(gè)恒流源信號(hào)i0，則在一次繞組上感應(yīng)出電流i1、i2、i3，三者幅值相位相同，i1=i2=i3=I0。

i0=(I0-iabc)N

(8)

式中：I0為一次側(cè)繞組零序電流；iabc為勵(lì)磁電流；N為電壓互感器變比。

勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于電壓互感器阻抗，勵(lì)磁電流忽略不計(jì)，可以得到下式：

i0=I0N

(9)

在三相對(duì)地電容較為平衡的時(shí)候，零序電流I0不能在電源和負(fù)載之間流通，只能通過(guò)線路及線路的對(duì)地電容，構(gòu)成回路，可得：

(10)

轉(zhuǎn)化一次側(cè)零序表達(dá)式：

(11)

式中：U0為TV一次側(cè)零序電壓；R=Ra/3=Rb/3=Rc/3，L=La/3=Lb/3=Lc/3，C=Ca+Cb+Cc。

最終得到下式：

(12)

由上式可知，有三個(gè)未知數(shù)，故通過(guò)TV開(kāi)口三角形注入三個(gè)異頻信號(hào)，得到三個(gè)方程，即可得到10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)地總電容為：

(13)

式中：ω1>ω2>ω3；zi=u0/i0(i=1，2，3)。

在TV開(kāi)口三角形處注入異頻信號(hào)法優(yōu)勢(shì)明顯，相對(duì)于無(wú)源法，具有安全、易重復(fù)測(cè)量且對(duì)系統(tǒng)無(wú)沖擊影響的優(yōu)點(diǎn)。但是隨著電網(wǎng)的發(fā)展，該方法在電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)受到很大的制約。首先，該方法需要試驗(yàn)人員、繼電保護(hù)人員、運(yùn)維人員等多工種人員配合，效率低下，難以達(dá)到提質(zhì)增效的要求。其次，目前大部分電壓互感器一次側(cè)中性線上裝有一次高阻消諧器，需要將一次消諧器短接(存在鐵磁諧振風(fēng)險(xiǎn))，并將消弧線圈退出運(yùn)行(存在單相接地?zé)o補(bǔ)償風(fēng)險(xiǎn))，還需要一次檢修人員和調(diào)度人員的協(xié)調(diào)；測(cè)試過(guò)程中發(fā)生單相不穩(wěn)定接地時(shí)，若沒(méi)有消弧線圈的補(bǔ)償，可能引起系統(tǒng)的弧光接地過(guò)電壓；測(cè)量過(guò)程中，二次監(jiān)視回路及二次消諧處于退出狀態(tài)，失去絕緣監(jiān)視的作用。因此，在TV開(kāi)口三角形側(cè)采用注入異頻信號(hào)法測(cè)量電容電流，在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)中難以奏效。

1.5 中性點(diǎn)異頻信號(hào)注入法

中性點(diǎn)異頻信號(hào)注入法分為接地變壓器(接地站用變壓器)中性點(diǎn)注入法和電容器中性點(diǎn)異頻信號(hào)注入法，兩種方法原理與TV開(kāi)口三角注入法相似，均需拉開(kāi)消弧線圈，且電容器組中性點(diǎn)注入法需要折算引入的電容值。

2 帶消弧線圈測(cè)量電容電流的新方法

采用傳統(tǒng)方法測(cè)量需調(diào)度允許，運(yùn)維操作人員退出消弧線圈裝置后，電氣試驗(yàn)人員方可測(cè)量。如果在TV開(kāi)口三角側(cè)測(cè)量，還需要二次專業(yè)人員配合試驗(yàn)接線、斷開(kāi)二次消諧器及測(cè)量后的端子恢復(fù)。同時(shí)，如果TV中性點(diǎn)存在非線性高阻消諧器，還需一次專業(yè)人員進(jìn)行短接，不符合電力生產(chǎn)實(shí)際要求。

因此，傳統(tǒng)電容電流測(cè)量方法涉及多專業(yè)、多工種人員的協(xié)調(diào)配合，工作效率和工作質(zhì)量不高，已經(jīng)不能滿足電力生產(chǎn)提質(zhì)增效的實(shí)際需求。針對(duì)目前現(xiàn)狀，電力試驗(yàn)專業(yè)亟需一種電容電流測(cè)試新方法，新方法應(yīng)滿足以下兩個(gè)要求：測(cè)量時(shí)無(wú)需退出消弧線圈裝置；可在接地變壓器中性點(diǎn)或電容器組中性點(diǎn)等便于測(cè)量的地方測(cè)試。

本文提出的帶消弧線圈測(cè)量系統(tǒng)電容電流新方法如圖2所示，在接地變壓器中性點(diǎn)注入一個(gè)異頻恒定電流I0，測(cè)量該點(diǎn)的電壓為U0。

圖2 接地變中性點(diǎn)測(cè)量法

(14)

式中：“//”表示并聯(lián)(以下“//”表示并聯(lián))；r為消弧線圈串接的阻尼電阻，一般在26 Ω左右；L為消弧線圈對(duì)應(yīng)檔位下的電感；rC為接地變壓器中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器、母線、出線等回路電阻；LC為接地變壓器繞組電感；C為系統(tǒng)對(duì)地電容之和。

rC由于遠(yuǎn)小于r，L遠(yuǎn)大于LC，故式(14)可以簡(jiǎn)化成：

(15)

令：

U0/I0=α-jβ

(16)

可得：

(17)

若注入三個(gè)異頻信號(hào)ω1、ω2、ω3，則可得：

(18)

對(duì)于上述三元二次方程，通過(guò)迭代算法可解得3個(gè)未知數(shù)r、L、C；若已知阻尼電阻r及消弧線圈對(duì)應(yīng)檔位下的電感L，既可以驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性 ，也可以代入方程，快速求解。進(jìn)而可得系統(tǒng)電容電流為：

IC=2πfCUN

(19)

對(duì)于求式(18)，除采用實(shí)部α求解外，還可以利用虛部β求解，只需要注入兩個(gè)異頻信號(hào)，就可得到4組方程。

帶消弧線圈測(cè)量電容電流，一方面不需要調(diào)度的許可和運(yùn)維人員的現(xiàn)場(chǎng)操作，提高了工作效率，另一方面可以避免測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的風(fēng)險(xiǎn)；試驗(yàn)人員在接地變壓器中性點(diǎn)或電容器組中性點(diǎn)測(cè)量，則不需要二次專業(yè)、一次專業(yè)人員的配合，可進(jìn)一步提高工作效率。綜上所述，新方法只需試驗(yàn)專業(yè)人員參與，不需要其他專業(yè)的配合，大大提高了工作效率。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該新方法的正確性，開(kāi)發(fā)出一套不帶消弧線圈測(cè)試10 kV系統(tǒng)電容電流的測(cè)試儀，測(cè)試儀基于式(18)，在接地站用變壓器或接地變壓器分別注入三次異頻信號(hào)，通過(guò)牛頓迭代算法求解電感L、系統(tǒng)對(duì)地電容C、阻尼電阻r等變量。測(cè)試儀在10 kV真型配電網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。試驗(yàn)場(chǎng)主要由1段10 kV母線、8回饋線、1臺(tái)接地變壓器構(gòu)成。各饋線電容電流大小由對(duì)地電容模擬，通過(guò)改變10 kV饋線接入回?cái)?shù)來(lái)改變系統(tǒng)電容電流大小。試驗(yàn)場(chǎng)一次接線如圖3所示，電容電流測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 10 kV真型配電網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)一次接線圖

電容電流測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，從表可知，隨著待測(cè)電容的增大，測(cè)試電容與標(biāo)準(zhǔn)電容的測(cè)試結(jié)果誤差變小，滿足電容電流的實(shí)測(cè)精度要求。

表1 帶消弧線圈測(cè)量電容電流的方法驗(yàn)證結(jié)果

在110 kV新安、農(nóng)大、黑石變電站實(shí)測(cè)，電容電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與消弧線圈控制器測(cè)量值見(jiàn)表2。由表可知，帶消弧線圈測(cè)量系統(tǒng)電容電流的測(cè)量方法，測(cè)量值與實(shí)際值相近，相對(duì)偏差在要求范圍內(nèi)，符合電力生產(chǎn)實(shí)際需求。

表2 變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

隨著城市配網(wǎng)系統(tǒng)的擴(kuò)大，尤其是電力電纜的應(yīng)用，大城市電容電流的增長(zhǎng)速度加快。本文從10 kV母線電容電流測(cè)量角度，分析目前電容電流儀器測(cè)量電容電流的原理和在電力生產(chǎn)實(shí)際中存在的局限性。最后，從電力生產(chǎn)實(shí)際的角度，提出一種帶消弧線圈測(cè)量電容電流的測(cè)量方法，并在10 kV真型配電網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)中進(jìn)行驗(yàn)證，其測(cè)量精度、準(zhǔn)確度滿足電力生產(chǎn)的實(shí)際需求，可以實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)提質(zhì)增效。