中性點不接地系統電容電流測試方法優選研究

梅照賽，鄒國平，金佳敏

（1.國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000；2.國網浙江省電力公司，杭州310007）

中性點不接地系統電容電流測試方法優選研究

梅照賽1，鄒國平2，金佳敏1

（1.國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000；2.國網浙江省電力公司，杭州310007）

介紹了中性點不接地系統常用的幾種電容電流測試方法，包括直接接地法、異頻信號法等。其中，直接接地法可以在投入或退出消弧線圈的情況下進行測量，異頻信號法可以通過母線電壓互感器開口三角、電容器中性點、接地變中性點等不同點注入進行測量。選取測試樣本，采用以上測試方法開展系統電容電流實測。從測試誤差、測試復雜度、測試工作量、測試風險、適用范圍等5個方面對測試方法進行了綜合分析評價，認為電容器中性點注入異頻信號法最具工程推廣應用價值。

中性點不接地系統；電容電流；直接接地法；異頻信號法

0 引言

隨著城市配電網新增電力電纜線路規模的日益增長，不接地系統對地電容電流也快速增長。一旦發生單相接地故障，如果無法及時補償不接地系統電容電流（殘流大于10 A），將造成嚴重的弧光接地過電壓，引起干式所用變壓器、TV（電壓互感器）、電纜、避雷器、開關柜等不接地系統絕緣薄弱點絕緣擊穿，嚴重的甚至將引發開關室火災。因此，有效掌握系統電容電流基礎數據，定期開展消弧線圈裝置容量校核，是確保電網安全穩定運行的重要工作。

國家電網公司《十八項電網重大反事故措施及編制說明》規定，對于中性點不接地系統，應根據電網發展每3～5年進行1次電容電流測試。目前，電容電流測試方法主要有直接接地法、間接測試法、工程計算法等。直接接地法通過系統金屬性單相接地，直接測量系統電容電流，數據準確性高。間接測試法主要有異頻信號注入法、電容偏移法、中性點外加電壓法、中性點外加電容法等。消弧線圈自動控制器通過改變消弧線圈分接頭位置，采用調諧法、相角法、阻抗三角法等算法獲取系統電容電流，也屬于一種間接測試方法。工程計算法需要準確掌握配電電纜的長度及型號。如何選取一種測試準確、操作簡便、適用范圍廣、安全風險小的電容電流測試方法，對實際工程應用將非常有價值。

1 直接接地法

電容電流的直接測量，主要采用單相金屬接地法，通過制造一個人工單相接地點，模擬線路單相接地，直接測量不接地系統單相金屬接地時的全電流值。直接接地法可以在消弧線圈退出運行的條件下測量，也可以在消弧線圈投入運行的條件下測量。文獻[1]介紹了直接接地法的具體測量原理。

1.1 消弧線圈投入

制造一個人工單相接地點，一般采用變電站內開關柜備用間隔接電纜外引至變電所內，直接單相金屬性接地，并在接地電纜電處串接TA（電流互感器），安裝電流表、功率表等，用于測量接地點電流矢量及其有功分量、無功分量。

在消弧線圈退出運行的條件下，在接地變壓器（以下簡稱接地變）中性點安裝TV和TA，以及采樣用的電壓表、電流表、功率表，用于測量系統中性點處的電流矢量，其有功分量ILp和無功分量ILq，試驗接線見圖1。

圖1 直接接地法（投入消弧線圈）試驗接線

測試時，消弧線圈投入運行，合上線路開關，系統單相金屬性接地，測量出金屬接地點電流和接地變中性點電流，系統電容電流由公式（1）—（2）可以計算得出系統電容電流IC：

特別要指出，由于消弧線圈成套裝置中性點一般采用穿心式TA，其額定容量較小，負載特性較差，當串聯電流表、功率表后無法滿足電容電流測試精度的要求，因此建議在測試時安裝獨立的TA。如使用原電流回路，需采用數字電流相位表或數字式示波器，才能確保采樣準確。

1.2 消弧線圈退出

該方法是在消弧線圈退出運行的條件下，直接測出金屬接地點的電流幅值，即為系統電容電流IC，試驗接線以及電容電流矢量分析見圖2。

圖2 直接接地法（退出消弧線圈）試驗接線以及電流矢量分析

2 間接測試法

《中性點不接地系統電容電流測試》推薦的間接測量法包括中性點外加電壓法、中性點外加電容法、電容偏移法、異頻信號注入法等。其中，異頻信號注入法因其注入信號不會干擾系統運行，測試回路不與一次系統接觸而被普遍使用。該方法主要通過電磁式TV電磁耦合的方式，向系統注入幅值相同、頻率不同的電流信號，測量輸入端的電壓值；再根據系統等效模型不同及變比變化，計算出線路對地的電容值、電容電流值。

根據不同的算法，可分為一異頻幅值電流相角法、雙異頻等幅電流相角法、三異頻等幅電流相角等。根據異頻信號注入點的不同，分為母線TV二次開口三角注入、電容器中性點注入、接地變中性點注入等方式。

2.1 母線TV開口三角注入

以雙異頻等幅電流相角法為例，在退出消弧線圈的狀態下，在TV二次開口三角注入異頻測量信號，其測量接線見圖3。測量回路可以等效為一個串聯阻抗電路，利用TV變比K的關系，在輸入端測量電流I0、輸入端測量電壓U0，可以得到：

測量時，通過向母線TV的開口三角分別注入頻率為f1和f2的恒定電流I0，分別測得開口三角側電壓值U1和U2，根據公式（3）—（5），聯立求解可得參數C。

式中：ω1，ω2分別為2個測試頻率的角頻率；θ1為測試電流I0與測試電壓信號U1之間的相角；θ2為測試電流I0與測試電壓信號U2之間的相角。

根據公式（6）計算電網的電容電流IC。

2.2 電容器中性點注入

圖3 異頻信號母線TV開口三角注入測試接線

在消弧線圈退出的狀態下，在電容器組中性點外接電磁式TV，通過TV二次端注入異頻電流信號，測試接線見圖4。其測試及計算原理與開口三角注入相同，由于測試等效模型為系統電容串聯電容器組電容，因此在測得電容量C測量后，需根據公式（7），計算得到系統對地電容。

圖4 異頻信號電容器中性點注入測試接線

2.3 接地變中性點注入

接地變中性點異頻信號注入法與電容器組中性點異頻信號注入法類似，在消弧線圈退出的狀態下，通過接地變中性點外接TV，注入異頻信號，測試接線見圖5。根據測量的信號得出對地電容，再計算出電容電流值。

3 現場實測及數據分析

為比較以上5種常用電容電流測試方法的實際測試效果，優選一種在實際工程應用中最為便捷、安全、通用的測試方法，選取110 kV錦江變電站10 kVⅠ段母線為測試樣本，逐一進行現場實際測試，并根據配電網電纜長度對系統電容電流進行了工程計算，選取消弧線圈控制器測試結果進行比較。

圖5 異頻信號接地變中性點注入測試接線

3.1 某110 kV變電站基本情況

某110 kV變電站為110 kV內橋接線，110 kV變壓器為2臺50 MVA三圈變，10 kV母線Ⅰ段、Ⅱ段正常分列運行，分別裝有接地變及自動調諧消弧線圈成套裝置各1套，型號為XHDCZ-630/10.5。10 kVⅠ段母線共10回出線，其中C877線為備用間隔，A867線為檢修間隔。

3.2 系統電容電流工程計算

該110 kV變電站10 kVⅠ段中分支線電纜長度為10.219 15 km，主線電纜長度為8.148 2 km，主線架空長度為0.818 km。

按照主線為300 mm2芯線截面積電纜，分支線為240 mm2芯線截面積電纜估算，根據經驗公式（8）計算，當10 kV電力電纜芯線截面積為300 mm2時，IC=2.32 A/km；當10 kV電力電纜芯線截面積為240 mm2時，IC=1.95 A/km。10 kVⅠ段電容電流I=38.833 2 A。式中：S為電纜芯線截面；Ue為線電壓。

3.3 測試結果

直接接地法采用投入消弧線圈、退出消弧線圈的測試數據；異頻信號法采用從母線TV開口三角、電容器中性點、接地變中性點等多個點注入進行測試，測試結果見表1。

4 測試方法優選研究

主要從測試誤差、測試復雜度、測試工作量、測試風險、適用范圍5個方面對測試方法進行綜合評定。

4.1 測試誤差

在該110 kV變電站測試案例中，直接接地法由于直接測量系統的電容電流，測試數據最接近實際電容電流。由表1可以看出，5種電容電流測試方法的測試偏差率均小于5%。但要指出，文獻[3]認為異頻信號母線TV開口三角注入法，由于受到3個單相TV勵磁特性不一致、忽略勵磁阻抗等因素影響，測量結果可能會偏大；文獻[6]認為“開口三角繞組”注入電流信號頻率的選擇對結果影響顯著，而且中性點工頻位移電壓會嚴重干擾注入信號的檢測。

表1 電容電流測試數據

表1測試結果還表明，消弧線圈控制器算法、工程計算法的測試偏差率也小于5%，完全滿足消弧線圈容量校核的工程應用需求。消弧線圈自動控制器一般通過采樣接地變中性點電壓、中性點電流，采用調諧法、相角法、阻抗三角法等算法來獲取系統電容電流，也屬于一種間接測試方法。工程計算方法是在準確掌握電纜臺賬數據的前提下，通過經驗公式計算，計算結果也完全滿足工程應用需求。

4.2 測試復雜度、測試工作量

直接接地法接線準備工作量較大，需要將10 kV備用間隔外引接地，停用接地變消弧線圈成套裝置進行測試接線，布置測試所需TA和TV。

異頻信號從母線TV開口三角注入，測試復雜度較高。TV的接線方式較多，包括3TV，3TV帶消諧電阻、4TV方式等多種接線方式，需判別TV接線方式、開口三角繞組變比等；需退出一次、二次消諧裝置，涉及相關一次設備停電；開口三角在端子排上接線相對復雜，查找較困難。

異頻信號從電容器中性點、接地變中性點注入，則不需要考慮TV的運行方式，不需退出一次、二次消諧裝置。異頻信號直接通過測試TV與電容器中性點或接地變中性點相連注入。電容器中性點注入法還可以在電容器組運行的情況下，用絕緣桿將電容器組中性點與測試TV相連接，避免設備停電操作。

各種測試方法的測試復雜度、工作量整體評價詳見表2。

表2 測試復雜度、測試工作量評價

4.3 適用范圍、測試風險

直接接地法測試時，在退出消弧線圈的情況下，系統單相接地運行，如系統任一處再發生單相接地，將造成該10 kV線路故障跳閘，而且退出消弧線圈，單相接地故障時，有可能引發弧光接地過電壓。

異頻信號母線TV開口三角注入法，需退出一次消諧裝置，涉及到一次設備停電，需切實做好相關安全措施，且退出消諧裝置存在系統諧振風險；TV開口三角回路拆接線復雜，需要專業人員核對查找后才能進行測試，且存在誤拆誤接風險。

各種測試方法的適用范圍、測試風險評價詳見表3。

5 結論

（1）從測試誤差、測試復雜度、測試工作量、測試風險、適用范圍5個方面，對5種電容電流測試方法進行綜合評價，認為電容器中性點注入異頻信號法測試準確、操作簡便、適用范圍廣、安全風險小，最具工程推廣應用價值。

（2）利用消弧線圈自動控制器間接測試系統電容電流，測試方法可靠，數據誤差滿足工程應用需求。與其他測試方法結果比對，數據結果無明顯誤差。對于已安裝消弧線圈的變電站，完全可以替代電容電流實測。

表3 適用范圍、測試風險評價

（3）在準確掌握電纜臺賬數據的前提下，工程計算方法可以做為電容電流實測結果的輔助檢驗手段，其數據誤差能夠滿足工程應用需求。

[1]要煥年，曹梅月.電力系統諧振接地[M].北京：中國電力出版社，2009.

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[7]曾祥君，許瑤，陳博，等.中性點不接地配電網電容電流實時測量方法[J].電力系統自動化，2009，33（2）∶78-81.

[8]張彩友.探討變電所消弧線圈補償容量問題[J].浙江電力，2004，23（7）∶70-71.

（本文編輯：方明霞）

Optimization Research on Capacitive Current Testing Methods for Neutral Point Ungrounding System

MEI Zhaosai1，ZHOU Guoping2，JIN Jiamin1
（1.State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，China）

The paper introduces some capacitive current testing methods such as direct grounding measurement method and pilot frequency current signal injection method.The direct grounding measurement method can be used when the arc suppression coil is present or absent.The pilot frequency method can be used for measurement by injection into the open delta of bus voltage transformer，neutral point of capacitor and the neutral point of grounding transformer.Test samples are selected to measure capacitance current of the system by the aforementioned methods.Through testing error，test complexity，test error，test risk and test scope of，the test methods are comprehensively analyzed and evaluated.It is considered that the method of pilot frequency injection into neutral point of capacitor is worth of engineering promotion and application.

neutral point ungrounding system；capacitive current；direct grounding measurement method；the pilot frequency current signal injection method

10.19585/j.zjdl.201707002

1007-1881（2017）07-0006-05

TM773

B

2017-04-25

梅照賽（1975），男，工程師，從事變電設備檢修、運維技術管理工作。