中性点注入三频法电网电容电流测量

2016-09-07徐永强郭晓霞国网随州供电公司湖北随州44130

山东工业技术 2016年14期

赵威，徐永强，郭晓霞（国网随州供电公司，湖北随州 44130 0）

中性点注入三频法电网电容电流测量

赵威，徐永强，郭晓霞
（国网随州供电公司，湖北随州 44130 0）

常用的三频法测量电网对地电容是通过电压互感器二次侧开口三角端注入频率不同、幅值恒定的电流信号，测量注入电流和反馈电压，通过建立方程组来求解出系统对地电容值。但是这种方法受电压互感器漏电阻、漏电感的影响，测量的误差较大、测量的范围较小。本文基于替代消弧线圈的有源全补偿消弧装置提出一种改进方法，即中性点注入三频法。本文详细分析了中性点注入三频法的测量原理，选取不同注入频率，对两种电容电流测量方法进行对比仿真验证。仿真结果表明，改进后的测量方法较原方法具有测量精度高、对电网影响小的特点。

电容电流；有源全补偿消弧装置；中性点注入三频法

1　引言

我国中、低压配电网以中性点不接地或经消弧线圈接地为主。随着经济的发展，供电负荷密度、供电范围快速扩大。电缆线路的广泛应用使得配电系统对地容性电流进一步增大，当线路发生单相接地故障时，流过接地点容性电流增大，接地电弧不能自熄，极易产生间隙性弧光接地过电压，持续时间一长，在线路绝缘薄弱点还会发展成两相短路事故［1］。我国电气设备设计规范规定，当接地电容电流超过一定值时要采用中性点经消弧线圈接地方式。因此，测量配电网系统对地电容电流一方面有助于继电保护数值的整定，另一方面亦可为选择消弧线圈容量提供依据，所以准确测量配电网电容电流的大小尤为重要。

传统的电容电流测量有直接法和间接法两类。直接法是单相金属接地法［2］，该方法因操作接线复杂、对测量人员和配电系统均存在一定的安全隐患已遭弃用。间接法主要有人工中性点法、偏置电容法和信号注入法［3］。相比传统的间接测量法，三频法整个测量过程均在系统的二次侧进行，操作人员的安全能够得到保证，且测量不影响电网的正常运行，是目前测量电网电容电流的主要方法。但是该方法受电压互感器漏电阻、漏电感影响较大，测量结果会受到较大影响，且测量范围较小。此外，对于安装了消谐电阻的电压互感器需要先退出消谐电阻方能测量，操作麻烦。

为了克服互感器开口三角侧注入三频法的局限性，本文基于有源全补偿装置提出了一种改进的信号注入法——中性点注入三频法，通过与传统的电压互感器副边注入法对比，给出了其测量原理：不通过电压互感器，直接向系统中性点注入三个幅值恒定、不同特定频率的信号，通过分析反馈信号从而计算出系统对地电容电流。

2　中性点注入三频法电容电流测量分析

2.1传统三频法电容电流测量原理

如图1所示为传统的三频法测量原理图。

图1　三频法测量原理图

图中i0为注入信号；虚线框为电压互感器（PT）， L、N为其开口三角侧输入端，LA、LB、LC为其高压绕组，匝数n1，La、Lb、Lc为其低压绕组，匝数n2；i1、i2、i3为感应三相电流；CA、CB、CC为三相电容。

若在图中的L、N端注入一恒定电流i0，则在电压互感器高压侧分别感应出三相电流i1、i2、i3，通过PT高压侧与电网对地电容构成回路。高、低压电流关系如式（1），其中ia、ib、ic为互感器励磁感应电流。

PT的等值电路如图2所示。图中Zm为励磁阻抗， XL为互感器漏抗，R为绕组电阻和漏电阻之和。PT励磁阻抗一般为兆欧级、漏抗为千欧级，而R一般很小，所以励磁阻抗远大于R和XL之和。故近似认为ia、ib、ic为0。

图2　三频法等效电路图

由母线 PT 的开口三角形侧注入一个恒定电流i0就会在 PT 的高压侧产生三个幅值相等、相位相同的电流i1、i2、i3，且它们会在 PT三相绕组的漏阻R、漏抗XL和导线对地电容C中产生压降。通常PT的三相参数是对称的，而且三相系统对地电容CA、CB、CC也是基本相等的，因此三相电流i1、i2、i3分别在三相 PT 与系统对地电容间产生的压降Ui是基本相等的，此刻在 PT 开口三角形侧可以得到一个零序电压U0，该电压值就等于3倍的Ui·n2/n1。从上述的分析中可以得出从 PT 开口三角形端注入i0测量得到的 U0为：

式中C—系统单相对地电容。

由式（2）可知，式中有R、XL、C三个未知量，因此为了求出单相对地电容C，需要向PT开口三角侧注入三个频率分别为f1、f2、f3的恒流信号，在开口三角侧测得三个零序电压Uoi（i=1，2，3），由式（2）

可得：

从式（4）可知，通过向PT开口三角侧注入三个不同频率的电流信号可以计算出系统对地电容值，通过式（5）即可计算出系统对地电容电流值i。

式中C0—系统三相对地电容；

E—系统单相电势。

从上述分析可知该方法计算电容电流误差主要来源为：互感器漏阻和漏抗变化、互感器一次侧和二次侧进行归算、不同的注入频率组合、较大的电容测量范围、电压测量值不准确等。

2.2中性点注入三频法测量原理

图3所示为中性点注入三频法测量原理图，i0为注入信号；UA、UB、UC为三相电源，CA、CB、CC为三相等效电容，i1、i2、i3为i0三相分流。

图3　中性点直注入三频法测量原理图

从中性点注入电流i0，则在三相电路中分别感应出电流i1、i2、i3，通过线路零序阻抗、分布电容对地构成回路，A相等效电路如图4所示。

图4　中性点注入三频法A相等效电路图

由图4，根据基尔霍夫定律（KCL）定律可得，

其中ω为注入的信号角频率，

同理，B、C相有

当系统处于平衡状态时，三相电阻、线路等效电感及分布电容基本相等，即有：

由式（10）可知，式中有R、XL、C三个未知量，因此为了求出单相对地电容C，需要向中性点注入三个频率分别为f1、f2、f3的恒流信号i0k（k=1，2，3），在系统中性点可测得三个零序电压U0k（k=1，2，3），U0k与i0k的对应关系如式（10）所示。

其中ω=2πfk，k=1，2，3

在不同注入频率下的线路阻抗Zk如式（12）所示。

由式（7）即可求出单相对地电容C，如式（9）所示。

通过式（10）即可计算出系统对地电容电流值i。

式中C—系统三相对地电容；

f—系统频率，我国为50Hz

E—系统单相电势。

上述分析可知中性点注入三频法具有如下点：

（1）操作方法简单。电压互感器副边一般加装有小的消谐电阻，传统的电压互感器副边注入三频法需要退掉消谐电阻，否则消谐电阻会引起分流，降低测量精度。而从中性点直接注入三频法，没有了消谐电阻，操作起来更为简单。

（2）测量结果精确。互感器副边注入三频法计算时，互感器漏抗和漏阻发生微小变化，都会影响计算精度。而中性点注入时，电阻R0和电感L0是线路零序电阻和零序电感，对于一段固定规格和长度的线路，其电阻和电感值是基本保持不变的，且在计算过程中省略了一次侧到二次侧的归算过程。

（3）测量范围扩大。随着电网电容的增大，三频法所测得的电压逐渐变小，而中性点注入三频法所测得的电压要大的多，因此测量数据的精度要更高，所能测量电容值的范围扩大。

3　仿真分析

在MATLAB中搭建仿真模型，该系统为一个有3条线路的35KV/10kV变电所，变压器为Y/Y0形接线，线路的正序阻抗为z1=（0.013+j0.047）Ω/km；零序漏阻、漏抗为z0=（0.39+j0.21）Ω/km；三条线路长度均为15km。传统三频法测量和计算结果如表1、表2所示。电压互感器的、高低压侧变比n1:n2=20。取系统对地电容分别为0.4uF、3uF、6uF、7.5uF，注入频率为1A，频率分别为15Hz、 20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、180 Hz。

表3、表4为中性点直接注入三频法测量结果和计算结果。其中变压器副边零序阻抗；取系统对地电容分别为0.6uF、3uF、6 uF、12 uF、30 uF，注入电流幅值为1A，频率分别为15Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、60 Hz、70 Hz、80 Hz、180 Hz。测量和计算结果如表3、表4所示。

表2中“--”表示无法计算，这是由于根据式（4）计算单相对地电容时出现了负数开根号的情况。