一种直流系统的系统电容在线测量方法

黄东山等

摘 要： 提出一种在直流电源系统中系统对地电容的测量方法。该方法可以在不影响直流电源系统正常运行的情况下，在线完成测量直流系统对地的各种参数，再根据各种参数计算出系统对地电容的大小。这种方法不需要改变直流电源系统的现有结构，也不需要系统处于停电状态。该方法既安全又可靠，可应用于解决直流电源系统对地电容在线测量的问题。

关键词： 直流系统； 系统电容； 在线测量； 对地电容

中图分类号： TN95?34； TP391.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）05?0132?03

An on?line measurement method of ground capacitance for DC system

HUANG Dong?shan1， ZHOU Wei1， LI Qiu?xia1， WANG Xiao?ming1， CHEN Hua?shou2

（1. Electric Power Research Institute， Guangxi Grid Company， Nanning 530001， China； 2. Guangzhou Qianshun Electronic Co.， Ltd.， Guangzhou 511430， China）

Abstract： A ground capacitance measurement method for DC power supply system is proposed in this paper. This method can complete the online measurement of various earthing parameters of DC system， without affecting the normal operation of DC power supply system. The system earthing capacitance values can be calculated according to various parameters. It is unnecessary for this method to change the existing structure of the DC power supply system， and neither require the system in a power down state. It is safe and reliable， and can be applied to the online ground capacitance measurement of DC power supply system.

Keywords： DC system； system capacitance； on?line detection； ground capacitance

0 引 言

直流系统对地电容的产生在变电现场中是无法避免的。直流系统对地电容主要由开关电源对地的滤波电容、屏蔽电缆的对地分布电容、抗干扰电容等组成。一般情况下，变电站的规模越大，直流系统对地电容也会越大。在现有的国家标准和电力行业中都有一个误区，单点接地不会造成保护设备误动。在传统的认识中，都忽视了直流回路电容的存在，仅考虑了电路回路中电容的通交流隔直流的特性，但实际上由于直流系统直流系统对地电容的存在，一点接地同样会引起保护设备误动[1]。因此对现有运行的发电厂和变电站的直流系统对地电容的测量是很有必要的。据此提出直流系统接地故障引起保护误动的防护措施，尽可能地减少甚至杜绝由于一点接地引起保护误动的停电事故[2]。

根据广东省电力科学研究院“直流控制电源接地引起保护误动防护措施”研究结果，直流系统对地电容与一点接地故障导致保护装置误动的重要参数[3]，具体情况如表1所示。

目前，现有的检测直流系统对地电容参数的方法和手段是非常有限。传统方法有电容电桥法、放电法和交流信号注入法。电容电桥法需要将蓄电池、充电机退出直流系统，断电测量。然而，这种停电的测量方法在很多场合下是不适用的。因为变电站、发电厂的直流电源系统都是为继电保护、控制系统等提供操作电源的，所以完成系统电容测量的作业必须在直流电源系统不间断供电的情况下完成测量。

显然，电容电桥法测量直流电源系统的电容不可取。而放电法是利用电容自身充放电的特性，构成RC电路进行测量，根据电容两端的电压与时间的波形曲线获取系统的电容值，放电法对放电时间的测量要求比较高，小电容放电时间短，大电容放电时间长。测量值偏差大，离散性差。而交流信号注入法是利用低频信号发生器产生一个正弦波信号通过无极性电容耦合到直流系统的正极或者负极上，从而测量直流系统电容值的方法。而最新的电力行业标准中明确规定不宜采用低频信号注入法[4]。由于直流系统一旦投入运行，终身服役。一般情况下，是无法退出运行状态而测量系统对地电容的。而上述的3种测量方法均存在以上所述的不足，因此需要提出一种更为安全可靠的在线检测直流电源系统对地电容的方法。

1 系统对地电容在线测量原理

1.1 直流系统等效电路

直流系统为变电站的继电保护、控制系统、信号系统、自动装置、UPS和事故照明等提供电源，其主要由蓄电池组、充电设备、直流屏等设备组成。在直流系统等效电路中去掉了与其无关的回路后，其等效电路如图1所示，图中[R+，][R-]分别为直流系统正对地、负对地绝缘电阻；[C+，][C-]分别为直流系统正对地、负对地的等效电容值。对地电容值的大小主要来自屏蔽电缆的分布电容和开关电源的对地滤波电容、抗干扰电容。其中[C+，][C-]为所述的测量参数。根据直流系统等效电路模型，选择合适的测量方法和测量信号频率，以达到测量系统对地电容[C+，][C-。]

1.2 测量信号频率选取

随着电网电压等级的不断提高，发电厂、变电站的容量不断增大和规模范围的扩大，屏蔽电缆对地的分步电容、开关电源对地的滤波电容和抗干扰电容也随着增大。正常情况下，220 kV变电站的直流电源系统的系统对地电容在10～50 μF的范围内比较多。如表2所示，不同的电容值在不同频率下的响应特性。

根据南方电网最新规程关于平衡桥的要求[4]，220 V系统平衡桥（30±5） kΩ，110 V系统平衡桥（15±2.5） kΩ，结合表2中的数据，选取测量信号频率为0.5 Hz最为理想，效果最好。

1.3 检测方法

首先，在直流系统母线正极与大地或者负极与大地之间接入一个可变电阻，根据可变电阻的输出特性，通过控制使可变电阻的输出阻值以频率0.5 Hz按照正弦函数的方式变化，因此系统母线对地的电压也在某一范围内以频率0.5 Hz按照正弦函数的方式发生变化，产生的电流i也符合频率0.5 Hz的正弦函数关系。因此直流系统等效电路如图2所示的[RC]电路模型。图中[Ri]为直流系统正对地电阻[R+、]负对地电阻[R-]的并联值，[ZC]为直流系统母线对地的容抗，系统母线对地电容等于正对地电容[C+、]负对地电容[C-]的并联值。该检测信号的电流i与RC的阻抗有关。

图2 检测等效电路图

然后通过测量计算出该电流[i]的相位[tanθ]的大小，再根据[tanθ]与输入阻抗[Ri、]容抗[ZC]的关系，计算出系统容抗[ZC]的大小，从而可以得出系统对地电容的大小。

[Ri=R+∥R-] （1）

[C=C++C-] （2）

[ZC=1（2πfC）] （3）

[tanθ=RiZC] （4）

根据南方电网、国家电网关于直流电源技术规范中的规定[4]，电压的瞬时波动不大于10%的直流额定电压。先根据正负母线对地电压偏差的关系，将可变电阻接入对地电压高的一极，再通过控制可变电阻的输出阻值范围，使测量过程中母线对地电压瞬时波动小于10%的额定电压的要求。

根据式（1）可以知道还要测量直流系统正极对地、负极对地电阻的大小。再通过一定的电阻网络测量直流系统正极对地电压、负极对地电压可以准确地得出直流系统正极对地电阻[R+、]负极对地电阻R-大小。从而得出[Ri]的大小

[Ri=R+∥R-=R+R-（R++R-）] （5）

1.4 计算公式推导

根据式（1），式（3）和式（4）可以得出：

[C=tanθ（2πfRi）] （6）

再根据式（5）和式（6）可以推导出系统电容值为

[C=（R++R-）tanθ（2πfR+R-）] （7）

式中：π=3.141 592 6；[f=]0.5 Hz；而[tanθ，][R+，][R-]也为已知量。根据公式（7）就可以得出系统电容[C]的值。即系统电容：

[C=C++C-=（R++R-）tanθ（πR+R-）] （8）

这就是计算系统对地电容的数学计算公式。

2 测量系统的组成

2.1 硬件结构

按照上述所说的测量原理，采用以Cortex?M3为核心的STM32系列的单片机作为核心处理器[5]，时钟频率高达72 MHz，AD/DA采用单片机自带的1 μs的双12位ADC，可以实现高速、高精度A/D转换。该测量系统的硬件结构如图3所示。

首先，该测量系统硬件结构主要由电源模块、主CPU处理器、显示单元、D/A转换单元、可调电阻单元、桥电阻控制电路单元、桥电阻电路、电压电路取样单元、A/D转换单元组成。通过输入端口直接与直流系统母线相连接，在线测量直流系统母线对地电容的参数。

然后通过桥电阻控制、桥电阻单元和电压取样、A/D转换单元进行系统绝缘状况的测量，即[R+，][R-]的大小。再通过D/A转换、启动可调电阻单元输出和经过电流取样、A/D转换单元进行电流信号的大小、相位的测量，从而根据式（8），计算出直流系统对地的系统电容值，并在人机界面上进行显示。

2.2 软件流程

软件流程如图4所示，首先对STM32系列的单片机进行初始化，系统正常运行后，经过电压取样单元、A/D转换单元进行直流系统正极对地电压、负极对地电压的测量，准确计算出直流系统正极对地电阻[R+、]负极对地电阻[R-]的大小，然后根据正负极对地电阻的大小，将可调电阻接入电阻大的一极，再启动可调电阻的输出，通过电流取样单元、A/D转换单元进行测量并计算出测量信号电流的大小和相位关系。最后根据计算式（8）就可以计算出直流系统母线对地电容值的大小。

3 测量结果的分析

为了验证该测量方法的正确性，按照图1所示的等效电路模拟测量。选用不同的[C+，][C-]电容值进行实际测量，实际测量数据结果如表3所示。

从表中的数据可以看出：在1～50 μF范围内，除了小电容测量偏差相对大些外，其他的测量值与标称值比较接近。测量的结果与标称值存在一定的偏差，最主要的原因是电容的标称值与真实值也存在偏差造成的。但测量值与电容的标称值相差小于2 μF。每组数据都重复测量了10次，每组数据的最大值和最小值相差不超过1 μF。即极差小于1 μF。测试的数据离散性较好。

4 现场应用

为了对上述的理论和测量方法进行现场应用验证，在A市的10个变电站进行了实际测量试验。并记录了应用的试验数据，如表4所示。

从以上的测试结果来看，不难发现，220 kV及以下电压等级的变电站直流系统对地电容值普遍为10～50 μF。个别站的绝缘装置内部有对地滤波电容，运行中增加了系统对地电容。在现场应用中，带电测量系统对地电容过程设备运行正常。

5 结 论

为了满足变电站对地电容在安全范围内运行，杜绝由于变电站直流系统母线对地电容过大 ，导致由于一点接地引起保护设备误动，因此电力系统对变电站中直流系统母线对地电容的测量是很有必要的，了解变电站直流系统对地电容参数情况，据此提出防范措施。本文提出的这种测量方法经过现场应用的测试试验，可以有效地解决直流电源系统在带电的情况下系统对地电容测量的难题。

参考文献

[1] 李建芳.直流回路对地电容对系统安全的分析[EB/OL].[2010?11?09].http：//wenku.baidu.com.

[2]王坚敏.直流回路一点接地引起保护误动的实例分析[J].电力系统保护与控制，2003（z1）：65?68.

[3] 梅成林.防止一点接地故障引起保护误动的五项具体措施[J].直流电源技术，2011（6）：65?67.

[4] 中国南方电网有限责任公司.中国南方电网有限责任公司企业标准[S].广州：中国南方电网有限责任公司，2013.

[5] 佚名.STM32F103xE 数据手册[M].STM32F103xE Datasheet，January，2010.

[6] 李伟.对鄂电工程220 kV总降变控制电缆分布电容影响断路器跳闸的分析[J].西北电建，2006（2）：36?38.

[7] 高旭，胥桂仙，孙集伟，等.一起典型的500 kV失灵保护误动分析[J].电力系统自动化，2007，31（8）：104?106.

[8] 杨新华.直流系统一点接地导致继电器误动的分析[J].红水河，2013（1）：69?71.