一种对地电容电流检测方法研究

周 锐，夏俊雅，郑安豫，侯宜祥

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥市包河区包河大道56号 230051；2.中国建材检验认证集团安徽有限公司，安徽合肥市包河区望江东路60号 230051；3.安徽省电力公司培训中心，安徽合肥市包河区包河大道56号 230051)

我国35kV及以下配电网系统多采用中性点非有效接地方式，其中中性点经消弧线圈接地方式应用广泛。对该种系统，单相接地故障最为常见，发生单相接地时，接地电容电流由中性点消弧线圈电抗器补偿。采用消弧线圈限制了接地电流的大小，减少恢复电压，使电弧容易熄灭，避免电弧重燃，减少对电路危害[1]。消弧线圈并联阻尼可以有效抑制中性点电压偏移[2-3]，发生故障时，应切除阻尼，并将消弧线圈调制到完全补偿状态[4-5]。只有准确测量对地电容电流才能确定消弧线圈调谐的量，保证补偿效果。该种接地方式有效减少故障电流危害。我国电网系统，对中性点非有效接地方式，发生单相接地故障时允许短时运行2h[6]，这样可以减少停电时间，提高供电可靠性。

目前广泛采用的对地电容电流检测方法有极值法[7]、注入信号法[8]、阻抗三角形法[9]、偏置法[10-11]等。注入法需要向系统注入谐波，通过在二次侧(例如TV二次侧)注入谐波调谐测量对地电容电流。根据注入信号的不同，测量分为扫频法，单频法，双频法，三频法等方法，以上方法谐波会对系统及测量造成影响，且存在测量复杂，谐波频率选取对测量结果影响较大，设备复杂等问题[12-13]。阻抗法、极值法等需要对参数多次调解(阻抗法需要至少2次调节，极值法需要多次调节)，达到全补偿状态，这些方法一是需要对消弧线圈反复调节，对设备造成损害；二是需要系统达到全补偿状态，某些元件谐振对系统有一定影响；三是精度的保证则需要考虑多种因素的影响，例如阻抗法测量精度与电网波动、消弧线圈分接头设置、阻抗三角形角度等因素有关，除此之外还要考虑系统不平衡度较低的情况下，消弧线圈端电压较小，测量值的非线性失真问题。偏置法采取加偏置电容或者偏置电阻，加入的偏置元件会影响测量的精度和电网的安全。

文中对中性点经消弧线圈(带阻尼绕组)接地系统，提出一种基于变阻尼的零序电流测量中性点对地电容电流方法。该方法测量初始状态流过中性点电流(即3倍零序电流)的幅值和相角，改变阻尼后，再次测量流过中性点电流的幅值和相角。根据两次测量得到的电流幅值和相角，计算系统失协度，最终计算系统对地电容电流。该方法中需要测量的信号即流过中性点电流值获取容易，可以直接从中性点电流互感器，即零序电流互感器得到，也可以采用数字式处理方法将A相、B相、C相电流值叠加。该方法不用考虑消弧线圈端电压较低造成的非线性失真，以及TV的变换误差，不需要调节消弧线圈分接头，只需要改变消弧线圈阻尼，对系统影响较小。通过Matlab软件仿真验证该方法的可行性，该方法测量信号容易得到，方法简单，对系统影响小，实用性高、精度高，对工程测量有实际借鉴意义。

1 测量原理与参数选择

1.1 基本原理

图1 中性点经消弧线圈接地基本原理图Fig.1 Basic principle diagram of neutralpoint grounding through arc suppression coil

(1)

(2)

图2 电压源到电流源变换图Fig.2 Transformation diagram from voltage source to current source

(3)

带入(1)式得到：

(4)

(5)

(5)式除以(4)式：

(6)

化简(6)式得到：

(7)

化简(7)式等号右边实部为G∑，虚部为jYLC。

从而计算得到系统对地电容值：

(8)

(9)

化简(7)式得到实部为

(10)

化简(7)式得到虚部为：

(11)

测量改变电阻前后中性点电流的幅值和相角，根据(9)式可以计算得到a、b、c、d的值，带入(11)式计算得到失协度YLC，带入(8)计算得到对地电容的值。以往的算法多采用电压信号，电压信号对大小有要求，且电压互感器的误差较大，当中性点电压偏移较小，消弧线圈端电压过小，容易产生非线性失真，测量误差大，以上计算采用电流信号误差小，容易获取，测量误差小，解决了电压信号的测量误差问题。

1.2 参数的选择

根据1.1的测量的基本原理，改变中性点接地电阻大小，测量改变电阻前后流过中性点电流即3倍的零序电流就可以计算出系统对地电容电流的大小。该方法中，选择中性点电抗和电阻的值对测量及单相接地后可以正确的跟踪补偿至关重要。电阻和电抗的值选择需要满足两个条件：(1)脱谐度在±5%以内；(2)保证中性点长时间电压偏移不超过相电压额定电压的15%。脱谐度控制在±5%以内是为了使消弧线圈尽可能处在全补偿的谐振状态，同时又要避免谐振带来的中性点过电压，所以规定电压偏移不超过15%。

2 仿真计算

在Matlab中搭建实验电路如图3所示。该系统采用我国配电网常用电压等级10kV配网，共有出线4条，其中L1、L2为架空线路，L3、L4为电缆线路，长度分别为10km、15km、20km、10km，由于换位不充分，L1的A相多2km。各输电线路采用π型等值电路，参数设置如表1所示。总零序电容为1.52×10-5F，谐振电感设置为0.67H。如需跟踪补偿可以在L1上设置故障。仿真中控制B1，B2，改变R1、R2的参数，分别设置中性点接地电阻由1kΩ变到0.3kΩ和20kΩ变到0.5kΩ，在示波器3中读取改变电阻前后中性点电流的幅值和相角，如表2所示。将结果带入(9)式计算a、b、c、d的值(例如当接地电阻由1kΩ变到0.3kΩ时，a、b、c、d的值分别为1.994，2.273，1.169，1.574)。带入(11)式计算失协度的值分别为5.09×10-5，5.72×10-5最后根据公式(8)得到总对地电容分别为1.521×10-5F，1.53×10-5F计算结果如表2所示，与实际总电容值1.52×10-5F相符，满足测量要求。基于电流量的变阻尼测量对地电容方法简单，实用、可用于实时测量，对工程测量有实际借鉴意义。

图3 实验仿真电路Fig.3 Experimental simulation circuit

表1 配电系统参数

表2 算例结果

3 结论

文中提供了改变中性点电阻(消弧线圈并联电阻)，测量改变电阻前后通过中性点的电流的幅值和相角即零序电流的幅值和相角，计算失协度，从而计算经消弧线圈接地配电网的电容的方法。该方法有以下特点：

(1)不需要反复调节消弧线圈、不需要设置接地故障、也无需加谐波信号，偏置设备，避免了谐波污染、人为设置电路故障，测量电路简单，只需要调节一次电阻就可以精确测量对地电容值，可用于实际工程。

(2)测量信号容易得到，测量信号采用中性点流过的电流即零序电流，容易得到。相对于其他常用的采用电压信号的方法，避免因为电压互感器的传感误差，中性点电压偏移过低，测量非线性失真等引起的测量不准问题；也避免了电压过高铁心饱和引起谐振过电压问题。

(3)改变消弧线圈电阻而非电抗来测量对地电容电流。该过度过程短暂，对系统影响较小。推导出对地电容电流的电流法，对中性点经带阻尼绕组消弧线圈接地的配电网系统提供了新的不对称短路的测量依据。