基于改進信號注入法的配電網電容電流測量方法

彭元慶，程洪錦

(國網江西省電力有限公司德興供電分公司，江西德興334200)

為了提高供電的可靠性和連續性，我國早期的中低壓配電網多采用中性點不接地方式[1-2]，發生單相接地故障時，在線電壓矢量三角形不變，相線對中性點電壓不變。電網電容電流不大的情況下，接地電弧能夠自熄，配電網可帶故障繼續供電1～2 h。隨著配電網的不斷發展，特別是城市電網中電纜線路的比例越來越高，對地電容不斷增大，導致發生單相接地故障時，流過故障點的電容電流不斷增加[3-4]。為了確保電網中出現的接地電弧能可靠熄滅，當系統電容電流大于規程要求的限值時，須安裝消弧線圈以補償接地電容電流[5]。配電網的電容電流準確測量是決定是否安裝消弧線圈以及確定消弧線圈合理補償容量的前提。

為避免在電網一次側進行操作，目前廣泛采用基于信號注入法[6-7]的測量方法。在測量中性點不接地配電網的電容電流時，通常選擇在互感器的開口三角端注入異頻信號，通過測量注入信號的電流和開口三角端的電壓來計算電網的對地電容[8]。考慮到電壓互感器的短路阻抗不能忽略不計，有些方法則通過加一個可調電感來減小誤差[9]。但電網實際運行時會存在一定的零序電壓[10]，該零序電壓會反映在互感器開口三角端，對電壓的測量帶來很大的影響，往往使得測量誤差較大。

本文針對傳統信號注入法在測量中性點不接地配電網電容電流時未考慮零序電壓的問題，提出了一種改進的信號注入法。該方法通過測量不同情況下電壓互感器開口三角端的電壓值來求解系統的對地電容，采用計及互感器繞組漏抗和系統零序電壓的戴維南等效電路模型。該方法不涉及到相量的運算，無需對相角進行測量，采用的儀器設備簡單，容易實現。

1 電容電流測量原理及方法

為確保測量精度，信號注入法需要用一個50 Hz陷波器來去除工頻信號的干擾，在實際中數字濾波器難以實現，操作起來較為困難，因此提出了注入信號法的改進方法，采用簡便的接線方式，不需要設計工頻濾波器也能有較高的測量精度。電容電流測量原理如圖1所示。

圖1 電容電流測量原理

如圖1所示，可調電阻R′和變頻電壓源E串聯后接到電壓互感器開口三角端AB兩端，并用電壓表V測量AB兩端電壓有效值。其中，LA、LB、LC為電壓互感器的一次側繞組，L′A、L′B、L′C為互感器的三次側繞組，采用三角型連接。CA、CB、CC分別為各相對地電容。

一方面，10 kV電壓互感器的勵磁阻抗可達兆歐級，其繞組電阻和漏抗大約為幾千歐，而配電網線路的對地容抗在工頻下一般為幾百歐到幾千歐，因此電壓互感器的勵磁支路在計算時可以忽略不計。另一方面，由于三相對地電容的不對稱，系統在運行時并不是嚴格對稱的，此時在電壓互感器開口三角端會存在零序電壓。由系統不對稱引起的在AB兩端的電壓大約為1 V，而外加的變頻電壓源的電壓約為幾伏，因此AB兩端的電壓不能忽略。

由此可得等效測量原理如圖2所示。其中，U0為互感器開口三角端電壓；C0為折算到互感器三次側的系統對地電容；R和L為互感器一次側繞組和三次側繞組折算到三次側的繞組電阻和漏感；R′為可調電阻；E為變頻電壓源。

圖2 等效測量原理

在不接變頻電壓源和可調電阻支路時，可以直接從電壓表讀出U0的大小。

僅在AB兩端接入可調電阻時，即此時AB兩端電壓為UAB1，UAB1與U0的關系為:

式中ω50為工頻下的角頻率。

設置R′的阻值分別為R1和R2，電壓表的讀數分別為U01和U02，則根據式 (1)可得:

將變頻電壓源和可調電阻串聯后接到AB兩端時，設置電壓源輸出電壓為E，輸出頻率f為25 Hz。U0單獨作用下AB兩端電壓為UAB1，記電壓E單獨作用下AB兩端電壓為UAB2，由疊加原理，可知:

保持可調電阻R′阻值不變，變頻電壓源接入電路前后電壓表的讀數分別為UAB1和UAB，由此可以求得變頻電壓源單獨作用時AB兩端電壓的大小UAB2。UAB2和E的關系為:

（2）數據整合度低，信息孤島現象嚴重。各MIS系統分別由不同的廠商建設，系統間數據整合度低，缺乏全局數據標準規范約束，數據交換共享困難，信息孤島現象普遍存在。

式中ω25為25 Hz下的角頻率。由式 (4)可以求

同理，設置變頻電壓源輸出頻率分別f1＝75 Hz，輸出電壓大小為E1，記電壓表的讀數為U1，可得:

根據的X25、X50和X75值，可由以下方法求得C0的大小。

判斷X25、X50和X75的大小:

1)若X75最小，則有

2)若X最小，則有

3)若X25最小，則有

求解方程組可得C0的大小。最后將求得的C0換算成電網的對地電容C′0，換算公式為C′0＝9C0/k213，其中k13為電壓互感器第一繞組到第三繞組的變比。 電網的電容電流IC＝ω50C′0Uφn， 其中Uφn為電網額定相電壓。

2 仿真驗證

一般情況下，電壓互感器一次側到三次側的變比為10/3:0.1/3，折算到一次側的繞組電阻約為1 kΩ，漏感約為10 H。配電網的不平衡系數一般為0.5%～1.5%，由此引起的三角開口端電壓約為1 V左右。建立Matlab/Simulink仿真模型，仿真模型如圖3所示。

圖3 基于改進信號注入法的仿真圖

系統電壓10 kV，三相線路對地電容采用集中電容進行模擬，設置三組不同的電容值分別進行仿真分析，第一組為3μF、3.07μF、3.1μF；第二組 為 10μF、 10.3μF、 10.5μF； 第 三 組 為30.1μF、30.5μF、 30.8μF。 測量步驟: ①支路斷開時開路電壓U0(V)；②電壓源輸出置零，調節電阻到R1＝0.2Ω，記錄U01(V)；③電壓源輸出置零，調節電阻到R2＝0.5Ω，記錄U02(V)；④電壓源輸出E1＝3 V，f1＝25 Hz，R2＝0.5Ω 不變，記錄U1(V)；⑤電壓源輸出E2＝3 V，f2＝75 Hz，R2＝0.5Ω不變，記錄U2(V)。計算電容電流C′0(μF) 仿真結果見表1。

表1 基于改進信號注入法的仿真測量數據及計算結果

采用傳統的分頻法，其仿真結果見表2。

表2 采用分頻法的仿真實驗結果

由仿真結果可以看出:

1)無論是測量較小的系統對地電容，還是測量較大的系統對地電容，采用改進的信號注入法均具有較高的精確度。

2)當系統存在較大的不平衡度時，采用改進的信號注入法仍具有較高的精確度。

3 實際應用

該方法應用于某220 kV城區變電站中，變電站10 kV線路以電纜為主，兩段母線分列運行，測量得出的10 kV線路電容電流的情況見表3和表4。

表3和表4結果與仿真計算結果最大誤差不超過1%，進一步驗證了方法的正確性和實用性。

表3 Ⅰ母配出10 kV線路電容電流 A

表4 Ⅱ母配出10 k V線路電容電流情況 A

4 結語

針對傳統信號注入法在測量中性點不接地配電網電容電流時未考慮零序電壓的問題，提出一種改進的信號注入法。這種測量方法無需相角的測量，所用儀器設備簡單，實際操作容易實現。仿真結果表明，當系統對地電容存在較大的不平衡度時，較傳統信號注入方法具有更高的測量精度。