配電系統(tǒng)電容電流測量方法的研究

王偉 鄒磊 歐陽進(jìn) 孫澤文

摘 要：在配網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和電纜線路的大量投入，使得電容電流越來越大，如何精確測量電容電流是決定裝設(shè)消弧線圈與否和正確選擇消弧線圈容量的前提。目前電容電流測量方法很多，有單相金屬接地法、中性點(diǎn)外加電容法、TV開口三角信號注入法、中性點(diǎn)信號注入法等。本文詳細(xì)介紹上述幾種測量方法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。目前電力系統(tǒng)中采用的電容電流測試儀多種多樣，本文也簡要介紹了一套全自動電容電流測試儀校驗(yàn)裝置，通過該裝置可以甄別出各廠家電容電流測試儀產(chǎn)品的優(yōu)劣，能為今后電容電流測試儀設(shè)備的選購提供參考依據(jù)，也可以對現(xiàn)有儀器進(jìn)行效驗(yàn)工作。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；電容電流；測量方法；校驗(yàn)裝置

配網(wǎng)系統(tǒng)一般直接面向用戶進(jìn)行供電，配網(wǎng)的可靠性決定了供電的可靠性，而配網(wǎng)的故障很大程度是由于線路單相接地時(shí)電容電流過大，接地電弧無法自行熄滅所引起的，為了限制這種間歇性燃弧產(chǎn)生的過電壓，規(guī)程規(guī)定：當(dāng)10kV和35kV系統(tǒng)電流分別大于30A和10A時(shí)，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈補(bǔ)償電容電流。因此，測量系統(tǒng)電容電流是決定裝設(shè)消弧線圈與否和正確選擇消弧線圈容量的根據(jù)。因此對電容電流采取有效的限制勢在必行，而前提是必須對系統(tǒng)的電容電流進(jìn)行準(zhǔn)確測算。目前電容電流測量方法很多，本文詳細(xì)介紹了幾種測量方法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，目前電容電流測試儀產(chǎn)品存在部分產(chǎn)品測試不準(zhǔn)的現(xiàn)象，對電容電流測試儀進(jìn)行校驗(yàn)勢在必行，本文介紹了一款電容電流測試儀校驗(yàn)裝置。

1 電容電流基礎(chǔ)知識

電容電流的產(chǎn)生：電力系統(tǒng)中的線路和設(shè)備都存在一定的對地分布電容，在交流電壓作用下，就會產(chǎn)生電容電流，特別是在配網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大、電力線路和設(shè)備不斷增加以及電纜線路的大量投運(yùn)，使得電容電流越來越大。

系統(tǒng)電容電流主要包括線路對地電容的電流和設(shè)備對地的分布電容產(chǎn)生的電流，一般情況下，架空線路的電容電流比同樣長度下的電纜電容電流小的多，而電力設(shè)備的電容電流比電力線路小得多，故通常只計(jì)算電纜和架空線路的電容電流。

大量資料表明，10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地時(shí)電容電流的工程計(jì)算法為：

（1）電纜線路：

式中為電容電流，A；為系統(tǒng)線電壓，kV；I為電纜長度，km；，其中S為電纜芯線截面，。

（2）絕緣架空線路：

式中為電容電流，A；為電壓，kV；I為電纜長度，km。

（3）普通架空裸導(dǎo)線系統(tǒng)線

當(dāng)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在不考慮系統(tǒng)參數(shù)和相電壓誤差的情況下，三相對地電容大小相等，相位相差120度，其矢量和為0，中性點(diǎn)無電流流入。

圖1 配電網(wǎng)一次模擬圖

由于配網(wǎng)系統(tǒng)往往直接面向用戶供電，系統(tǒng)情況復(fù)雜，系統(tǒng)參數(shù)也不可能完全對稱，因此，運(yùn)行中的配網(wǎng)系統(tǒng)中總是存在電容電流。更為嚴(yán)重的情況是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地或間歇性電弧接地時(shí)，中性點(diǎn)電位升為相電壓，其他兩相電壓將在震蕩過程后上升為線電壓，流過接地點(diǎn)的電容電流為其他兩相電壓在其對地電容上產(chǎn)生的電流矢量和。

圖2 配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路時(shí)電流流向圖

在不穩(wěn)定單相接地過程中，將對電網(wǎng)造成間隙性電弧接地過電壓，這種過電壓的幅值有時(shí)可達(dá)相電壓的3～5倍或更高，往往會造成電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，甚至發(fā)展成相間短路，還可能引起電纜著火、避雷器爆炸等事故。另外，當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，非故障相電壓升高，可能造成系統(tǒng)中的電磁式電壓互感器鐵芯飽和，引起互感器燒毀等事故，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電容電流測量方法

目前電容電流測量方法很多，有單相金屬接地法、中性點(diǎn)外加電容法、TV開口三角信號注入法、中性點(diǎn)信號注入法等。本文詳細(xì)介紹上述幾種測量方法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 單相金屬接地法

在較早時(shí)期，測量電容電流一般采用單相金屬接地法。這種方法利用一個(gè)斷路器來操作，在配電線路上人為造成一個(gè)單相金屬性接地點(diǎn)，利用電流互感器直接測量入地點(diǎn)的電容電流。這種方法需要的操作及安全措施非常繁雜，而且有可能在試驗(yàn)過程中危及非接地相絕緣薄弱處的絕緣，造成相間短路，很不安全。整個(gè)試驗(yàn)工作對試驗(yàn)人員和配網(wǎng)系統(tǒng)的安全均構(gòu)成危險(xiǎn)。由于這種方法存在上述的缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代后一般很少采用。目前均使用更為安全的方法測量電容電流——間接測量法。

圖3 單相金屬測量法原理圖

2.2 中性點(diǎn)外加電容法

中性點(diǎn)外加電容法測量系統(tǒng)的電容電流應(yīng)在系統(tǒng)無補(bǔ)償?shù)那闆r下，在變壓器或者接地站用變的中性點(diǎn)對地接入適當(dāng)?shù)碾娙萘浚瑴y量中性點(diǎn)的對地電容，然后用計(jì)算的方法間接得到系統(tǒng)的電容電流。

圖4 中性點(diǎn)外加電容法原理圖

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，由于三相不可能完全對稱，系統(tǒng)中性點(diǎn)對地電壓并不等于0，由中性點(diǎn)KCL定律可得（2.1）式。當(dāng)在中性點(diǎn)串入一個(gè)電容量為的電容器時(shí)，此時(shí)中性點(diǎn)KCL定律為（2.2）式。

圖5 中性點(diǎn)外加電容法電流流向圖

（2.1）

（2.2）

將式（2.1）簡化得式（2.3）：

（2.3）

將式（2.2）簡化得式（2.4）：

（2.4）

將式（2.3）除以式（2.4）得式（2.5）：

（2.5）

令，得式（2.6）：

（2.6）

其中為加了外加電容中性點(diǎn)的不平衡電壓，為沒有加外加電容中性點(diǎn)的平衡電壓。

電容電流 （2.7）

2.3 TV開口三角信號注入法

圖6 TV開口三角信號注入法原理圖