一種中性點不接地系統電容電流測試裝置

吳冕之，林美玲，王瑞果

（1.貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550002；2. 貴州電力職業技術學院，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

電力設備在制造、運輸和安裝過程中難免會出現絕緣缺陷，并會在外施電壓作用下不斷發展進而可能導致擊穿，使設備失去絕緣性能[1-3]。因此，如何及時、準確地發現高壓設備內部存在的絕緣缺陷，是狀態檢修的關鍵問題。近年來，隨著工業生產能力和商業發展空間的擴大，供電網絡不斷增容擴大，城市內配網普遍使用電纜供電方式。電纜供電線路比架空網絡對地分布電容效應顯著增大，電網分布電容電流也隨之增加。因單相接地故障，弧光過電壓容易引起設備絕緣擊穿事故。據統計，配電網的故障主要是由于線路單相接地時電容電流過大而無法自行息弧而引起的。因此，我國的電力規程規定，當10 kV和35 kV系統電容電流分別大于30 A和10 A時，應裝設消弧線圈補償電容電流。另外，配電網的對地電容和PT配合會產生PT鐵磁諧振過電壓。為了驗證該配網系統是否會發生PT諧振及其他性質的諧振，必須準確測量配電網的對地電容電流[4-6]。

目前，在進行中性點電容電流測量時，須由測試人員手持絕緣桿，使用分立儀表讀出測試數據。這種測試方法存在工作量大、儀表體積重量大、使用不便等問題。另外，試驗過程中，測試人員與帶電部位僅通過絕緣桿隔離，存在很大的安全隱患。

在中性點外加電容法的基礎上，本文結合近幾年電力電子元器件的最新發展成果，運用新器件新方式研制了一套中性點電容電流測試裝置，并采用遙控機械臂遙控測試終端方式，實現了測試人員與帶電部分的電氣隔離。理論分析和現場試驗證明，該裝置能夠顯著提高現場測量的方便性和安全性，并具有較高的測量精度，能在系統發生接地故障時有效提供安全保護，保障被測配網系統的安全。

1 中性點電容電流測量原理

中性點不接地系統的電容電流測試儀測量采用間接測量法中的中性點外加電容法來測量配網的電容電流[7-8]，測量原理如圖1所示。

圖1 中性點外加電容法測量原理

圖1 中，CA、CB、CC分別為被測系統的三相對地電容。由于CA≠CB≠CC，所以主變壓器被測系統側的中性點對地必有一個不對稱電壓UHC存在。若將外加電容C0的一端接地，另一端接于主變壓器被測系統側的中性點，則按等效發電機原理，可簡化為如圖2所示的等效電路。

圖2 中性點接C0后的等效電路

測量標準電容器上的位移電壓U0，并通過式（1）計算出被測網絡的電容和電容電流值。

2 自動伸縮遙控接線臂

為降低測試人員搭接絕緣桿時的安全風險，本課題組研制了一套自動伸縮遙控接線臂[9-10]。該接線臂可安裝于伸縮絕緣桿上，由單人操作，靈活遙控鉗口的開合、旋轉、俯仰，以替代人工完成繁重的測試引線夾持、拆除等工作任務，減輕人員勞動強度、作業風險，提高工作效率。圖3為遙控機械臂的設計原理圖。當機械臂接收到無線遙控器發出的信號時，能靈活地開合、旋轉和俯仰。

圖3 遙控機械臂的設計原理圖

圖3 中，1為固定基座，連接高空接線鉗并支撐機械臂；2為旋轉軸，內置電池、控制電路、接收器、步進電機，可360°旋轉；3為咬合鉗座，支撐咬合鉗并可180°旋轉；4為定位銷，定位咬合鉗口；5為咬合鉗A，在咬合座上滑動，最大咬合力100 N；6為滑動螺桿，為咬合鉗提供咬合動力；7為咬合鉗B，在咬合座上滑動，最大咬合力100 N。圖4為咬合鉗示意圖。

圖4 咬合鉗示意圖

將設計的機械臂連接測試線，并安裝在可自動伸縮的絕緣伸縮桿上，即可應用在電容電流測試中。試驗過程由測試人員遠程遙控進行，有效降低了作業安全風險和勞動強度。圖5為自動伸縮遙控接線臂的實物圖。

圖5 自動伸縮遙控接線臂實物圖

3 測試裝置研制

3.1 測試主機

測試主機通過高壓電容連接到中性點，主機的測量對象（中性點）是帶電的，中性點電壓最高可超過1.5%的系統相電壓，對于35 kV系統電壓為100～300 V。在系統發生單相接地并上升到系統相電壓時，對于一次設備集中、空間狹小的工作區域，需要保證人員不碰觸帶電設備，并測量主機的絕緣電壓等級達到系統相電壓。測量主機要求全絕緣結構設計并提供高壓熔斷保護機制，主機內部帶鋰電池組，不用外接電源，利用無線通信手段連接手持終端，保證測試人員與高壓電的安全距離。

測試主機主要由微處理器、電壓信號處理單元、標準電容器組、高壓熔斷器、無線模塊、存儲器、顯示器和電源部分組成。

微處理器使用意法半導體（ST）公司出品的32位ARM微控制器，內核是Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，主要完成信號的采集（模數轉換）、計算結果的存儲，顯示、信號傳輸等功能。

電壓（電流）信號放大單元使用美國ADI公司的OP213運算放大器，采用4～36 V單電源供電，可以維持低噪聲和精密性能。典型增益帶寬積為3.4 MHz、壓擺率超過1 V/μs、噪聲密度極低，為4.7 nV/√Hz。不僅可保證輸入失調電壓性能，而且能保證失調電壓漂移低于 0.8 μV/℃。

無線模塊采用挪威Nordic公司的nRF905無線芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段，能夠提供高速的數據傳輸，不需要昂貴的高速MCU進行數據處理/時鐘覆蓋，降低了MCU存儲器需求。

存儲器采用美國ATMEL公司的AT45DB161D閃存芯片，大大減少了可用引腳數量，同時提高了系統可靠性，降低了開關噪聲，縮小了封裝體積。芯片有充足的存儲空間，可以保存大量數據。

顯示器為手持終端顯示器，采用帶觸摸的3.5寸工業串口屏，可適應惡劣環境、強磁干擾和戶外等工作場合。

電源部分為內部供電電源，使用大容量鋰聚合物電池，一次充電可連續工作3 h左右。采用ASM1117穩壓器，提供完善的過流保護和過熱保護功能，輸出電壓和參考源精度為±1%。

3.2 手持測試終端

通過無線通信技術與測量主機連接，可以實現遙控主機測量，接收存儲測量結果，設定主機測量參數等。在變電站內強電磁干擾環境下，可靠通信距離大于30 m，改變了以往需人員直接操作主機測試的模式，增加了人員的工作安全性。

3.3 軟件及算法

波形采樣率為10 kHz/s，即每個信號波形1 s采樣10 000個點，每周期200個點，并通過FFT技術分離出實測波形的基波分量和各次諧波分量。

通過阻容濾波電路，對經高速A/D轉換器后得到的離散化數字信號序列f(n)進行濾波，并根據截止頻率與電路電阻、電容的數值關系計算RC值帶入差分方程，最終得到經低通濾波的信號序列。

3.4 自動伸縮遙控接線臂

傳統測量時，測試人員需手持絕緣棒連接高壓電纜，將其金屬頭碰觸中性點母線，以測量三相對地不對稱電壓UHC和位移電壓Uo。整個測量過程中，人員一直在測試位置附近，有一定的危險性。使用伸縮遙控接線臂后，整個作業過程均通過操作人員遠程遙控完成，不需要通過絕緣工器具接觸帶電位置即可完成測試工作，有效保障了工作人員的人身安全。

3.5 裝置結構及工作流程

測試系統主要由測量主機、接收終端和遙控接線臂組成。測試人員開啟主機電源，接好低壓線路后即可離開測試區，然后通過操作遙控接線臂接好測試線，操作手持終端遙控主機，主機自動采集電壓信號并處理，最終測試結果經過無線發射模塊傳送到接收終端。測試人員可以操作手持終端控制主機復測，讀取數據并結束測試，如圖6所示。

經過模擬試驗和現場測試，該中性點不接地系統電容電流測量裝置有較高的測量精度，不僅能準確測量待測電流，還有效實現了作業人員與帶電母線的電氣隔離，顯著提高了該作業項目的工作效率和安全性。

4 結 論

本文研制了一套中性點不接地系統電容電流測量裝置，通過模塊化集成，有效解決了原來使用分立儀表接線的體積大、重量大、使用不便的問題。通過伸縮遙控接線臂和手持終端遠程控制的方式，解決了高電壓隔離的問題。測試人員遠離高壓測試區，操作遙控終端接線即可完成測試工作，不需要通過絕緣工器具接觸帶電部位，有效保障了現場人員的人身安全。

圖6 裝置整體結構及接線示意圖