基于改进信号注入法的配电网电容电流测量方法

彭元庆，程洪锦

(国网江西省电力有限公司德兴供电分公司，江西德兴334200)

为了提高供电的可靠性和连续性，我国早期的中低压配电网多采用中性点不接地方式[1-2]，发生单相接地故障时，在线电压矢量三角形不变，相线对中性点电压不变。电网电容电流不大的情况下，接地电弧能够自熄，配电网可带故障继续供电1～2 h。随着配电网的不断发展，特别是城市电网中电缆线路的比例越来越高，对地电容不断增大，导致发生单相接地故障时，流过故障点的电容电流不断增加[3-4]。为了确保电网中出现的接地电弧能可靠熄灭，当系统电容电流大于规程要求的限值时，须安装消弧线圈以补偿接地电容电流[5]。配电网的电容电流准确测量是决定是否安装消弧线圈以及确定消弧线圈合理补偿容量的前提。

为避免在电网一次侧进行操作，目前广泛采用基于信号注入法[6-7]的测量方法。在测量中性点不接地配电网的电容电流时，通常选择在互感器的开口三角端注入异频信号，通过测量注入信号的电流和开口三角端的电压来计算电网的对地电容[8]。考虑到电压互感器的短路阻抗不能忽略不计，有些方法则通过加一个可调电感来减小误差[9]。但电网实际运行时会存在一定的零序电压[10]，该零序电压会反映在互感器开口三角端，对电压的测量带来很大的影响，往往使得测量误差较大。

本文针对传统信号注入法在测量中性点不接地配电网电容电流时未考虑零序电压的问题，提出了一种改进的信号注入法。该方法通过测量不同情况下电压互感器开口三角端的电压值来求解系统的对地电容，采用计及互感器绕组漏抗和系统零序电压的戴维南等效电路模型。该方法不涉及到相量的运算，无需对相角进行测量，采用的仪器设备简单，容易实现。

1 电容电流测量原理及方法

为确保测量精度，信号注入法需要用一个50 Hz陷波器来去除工频信号的干扰，在实际中数字滤波器难以实现，操作起来较为困难，因此提出了注入信号法的改进方法，采用简便的接线方式，不需要设计工频滤波器也能有较高的测量精度。电容电流测量原理如图1所示。

图1 电容电流测量原理

如图1所示，可调电阻R′和变频电压源E串联后接到电压互感器开口三角端AB两端，并用电压表V测量AB两端电压有效值。其中，LA、LB、LC为电压互感器的一次侧绕组，L′A、L′B、L′C为互感器的三次侧绕组，采用三角型连接。CA、CB、CC分别为各相对地电容。

一方面，10 kV电压互感器的励磁阻抗可达兆欧级，其绕组电阻和漏抗大约为几千欧，而配电网线路的对地容抗在工频下一般为几百欧到几千欧，因此电压互感器的励磁支路在计算时可以忽略不计。另一方面，由于三相对地电容的不对称，系统在运行时并不是严格对称的，此时在电压互感器开口三角端会存在零序电压。由系统不对称引起的在AB两端的电压大约为1 V，而外加的变频电压源的电压约为几伏，因此AB两端的电压不能忽略。

由此可得等效测量原理如图2所示。其中，U0为互感器开口三角端电压；C0为折算到互感器三次侧的系统对地电容；R和L为互感器一次侧绕组和三次侧绕组折算到三次侧的绕组电阻和漏感；R′为可调电阻；E为变频电压源。

图2 等效测量原理

在不接变频电压源和可调电阻支路时，可以直接从电压表读出U0的大小。

仅在AB两端接入可调电阻时，即此时AB两端电压为UAB1，UAB1与U0的关系为:

式中ω50为工频下的角频率。

设置R′的阻值分别为R1和R2，电压表的读数分别为U01和U02，则根据式 (1)可得:

将变频电压源和可调电阻串联后接到AB两端时，设置电压源输出电压为E，输出频率f为25 Hz。U0单独作用下AB两端电压为UAB1，记电压E单独作用下AB两端电压为UAB2，由叠加原理，可知:

保持可调电阻R′阻值不变，变频电压源接入电路前后电压表的读数分别为UAB1和UAB，由此可以求得变频电压源单独作用时AB两端电压的大小UAB2。UAB2和E的关系为:

（2）数据整合度低，信息孤岛现象严重。各MIS系统分别由不同的厂商建设，系统间数据整合度低，缺乏全局数据标准规范约束，数据交换共享困难，信息孤岛现象普遍存在。

式中ω25为25 Hz下的角频率。由式 (4)可以求

同理，设置变频电压源输出频率分别f1＝75 Hz，输出电压大小为E1，记电压表的读数为U1，可得:

根据的X25、X50和X75值，可由以下方法求得C0的大小。

判断X25、X50和X75的大小:

1)若X75最小，则有

2)若X最小，则有

3)若X25最小，则有

求解方程组可得C0的大小。最后将求得的C0换算成电网的对地电容C′0，换算公式为C′0＝9C0/k213，其中k13为电压互感器第一绕组到第三绕组的变比。 电网的电容电流IC＝ω50C′0Uφn， 其中Uφn为电网额定相电压。

2 仿真验证

一般情况下，电压互感器一次侧到三次侧的变比为10/3:0.1/3，折算到一次侧的绕组电阻约为1 kΩ，漏感约为10 H。配电网的不平衡系数一般为0.5%～1.5%，由此引起的三角开口端电压约为1 V左右。建立Matlab/Simulink仿真模型，仿真模型如图3所示。

图3 基于改进信号注入法的仿真图

系统电压10 kV，三相线路对地电容采用集中电容进行模拟，设置三组不同的电容值分别进行仿真分析，第一组为3μF、3.07μF、3.1μF；第二组 为 10μF、 10.3μF、 10.5μF； 第 三 组 为30.1μF、30.5μF、 30.8μF。 测量步骤: ①支路断开时开路电压U0(V)；②电压源输出置零，调节电阻到R1＝0.2Ω，记录U01(V)；③电压源输出置零，调节电阻到R2＝0.5Ω，记录U02(V)；④电压源输出E1＝3 V，f1＝25 Hz，R2＝0.5Ω 不变，记录U1(V)；⑤电压源输出E2＝3 V，f2＝75 Hz，R2＝0.5Ω不变，记录U2(V)。计算电容电流C′0(μF) 仿真结果见表1。

表1 基于改进信号注入法的仿真测量数据及计算结果

采用传统的分频法，其仿真结果见表2。

表2 采用分频法的仿真实验结果

由仿真结果可以看出:

1)无论是测量较小的系统对地电容，还是测量较大的系统对地电容，采用改进的信号注入法均具有较高的精确度。

2)当系统存在较大的不平衡度时，采用改进的信号注入法仍具有较高的精确度。

3 实际应用

该方法应用于某220 kV城区变电站中，变电站10 kV线路以电缆为主，两段母线分列运行，测量得出的10 kV线路电容电流的情况见表3和表4。

表3和表4结果与仿真计算结果最大误差不超过1%，进一步验证了方法的正确性和实用性。

表3 Ⅰ母配出10 kV线路电容电流 A

表4 Ⅱ母配出10 k V线路电容电流情况 A

4 结语

针对传统信号注入法在测量中性点不接地配电网电容电流时未考虑零序电压的问题，提出一种改进的信号注入法。这种测量方法无需相角的测量，所用仪器设备简单，实际操作容易实现。仿真结果表明，当系统对地电容存在较大的不平衡度时，较传统信号注入方法具有更高的测量精度。