（电力电子与电力传动专业论文）基于信号注入法的电网接地电流检测技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着城市发展，配电网不断增大、延伸，与此同时，配电网中压电气设备增 多，因而导致配电网单相接地故障电流剧增和单相接地故障频繁发生。由于单相 接地故障电流过大，不能自动熄灭，对系统造成故障，因此，现在中压电网越来 越多的使用谐振接地系统。 谐振接地系统中准确快速的检测对地电容电流是非常重要的。本文在对目前 工程上采用的各种测量方法进行综合比较之后，提出了一种基于补偿系统固有频 率的信号注入法。通过的理论分析和仿真验证研究证明了此方法的可行性。在理 论分析和仿真的基础上制作出一套试验装置，并在l o k v 模拟系统上做了相关的试 验，对试验结果进行了分析。 关键词：中性点接地方式，谐振接地系统，消弧线圈，信号注入法 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc i t y ，d i s t r i b u t i o n n e t w o r ki s i n c r e a s i n g a n d e x t e n d i n gc e a s e l e s s l y s i m u l t a n e i t y ，t h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t so ft h e m e d i u m v o l t a g ea r ei n c r e a s i n g t h u s ，t h es i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l tc u r r e n ti sl e a p i n ga n d t h es i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l ti s h a p p e n i n gf r e q u e n t l y i nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b e c a u s eo ft h es i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l tc u r r e n tb e i n gt o o g r e a t ，i t c a n tb e e x t i n g u i s h e db yi t s e l f , a sar e s u l t ，i tm a yl e a daf a u l to fp o w e rs y s t e m s o ，t h e r e s o n a n te a r t h e ds y s t e mi su s e dm o r ea n d m o r ei nt h em e d i u mv o l t a g en e t w o r k m e a s u r i n ga c c u r a t e l ya n df l e e t l yt h ec a p a c i t i v ee a r t hf a u l tc u r r e n ti s v e r y i m p o r t a n ti nt h er e s o n a n te a r t h e ds y s t e m t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r das i g n a l i n je c t i o nb a s e d o nn a t u r e f r e q u e n c yo f t h e c o m p e n s a t i n g n e t w o r kt h r o u g h c o m p a r i n gs y n t h e t i c a l l yv a r i o u sm e a s u r e m e n tw h i c hw e r eu s e di ns o m ep r o j e c t s t h i sm e a s u r e m e n ti sf e a s i b l eb yt h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i s w e h a v em a d eae q u i p m e n ta f t e rd o i n gt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ， a n dh a v em a d em a n ye x p e r i m e n t a t i o n si nt h e10 k va n a l o gs y s t e m t h e n ，t h e r e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o nw a sa n a l y z e d k e yw o r d s ：n e u t r a lp o i n tt r e a t m e n t ，r e s o n a n te a r t h e ds y s t e m ，a r c s u p p r e s s i o n c o i l ，t h em e t h o do fs i g n a li n j e c t i o n 华北电力大学硕士学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于信号注入法的电网接地电 流检测技术研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l 璋习虬日 期：2 盟三卫 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：杰丰# 当白 日 期：泣竺墨：；：! 、) 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1中性点接地方式的发展与现状 电力系统中性点接地方式是一个涉及电力系统各方面的综合性问题，不但涉及 到电网本身的安全性、可靠性、经济性，而且对通讯、人身安全产生重要影响，所 以中性点接地方式的正确选择及其在不同条件下的实施就具有越来越重要的实际 意义。 在电力系统发展初期，系统容量较小，当时人们认为工频电压升高是绝缘故障 的主要原因，即使相电压短时间升高至3 倍，也会威胁安全运行。由于对过电流的 一系列危害作用估计不足，同时对电力设备耐受频繁过电流冲击的能力估计过高， 所以电力设备的中性点最初都采用直接接地方式运行。随着电力系统的扩大，单相 接地故障增多，线路断路器经常跳闸，造成频繁的停电事故，于是，便将直接接地 方式改为不接地方式运行。 尔后，由于工业发展较快，使电力传输容量增大，距离延长，电压等级逐渐升 高。在这种情况下发生单相接地故障时，接地电容电流在故障点形成的电弧不能自 行熄灭，同时，间歇电弧产生的过电压往往使事故扩大，显著的降低了电力系统的 运行可靠性。 为了解决系统中出现的这些问题，当时世界上两个工业比较发达的德国和美国 分别采取了不同的解决途径。德国的彼得生( w p c t e r s e n ) 教授在研究电弧接地过 电压的基础上，于1 9 1 6 年和1 9 1 7 年先后提出了两种解决办法，即中性点经消弧线 圈和经电阻接地。德国为了避免对通信线路的干扰和保障铁路信号的正确动作，采 用中性点经消弧线圈的接地方式，自动消除瞬间的单相接地故障；美国采用中性点 直接接地和经低电阻、低电抗等接地方式，并配合快速继电保护和开关装置，瞬间 跳开故障线路。这两种具有代表性的解决办法，对后来世界上许多国家的电力系统 中性点接地方式的发展产生了很大的影响。 世界各国的配电网中性点在上世纪5 0 年代前后大都采用经消弧线圈接地方式， 到6 0 年代以后，逐步采用直接接地和低电阻接地方式，但也不尽相同。通观世界 各国电力系统中性点接地方式和i e c 规定，可分为4 类9 种，即：中性点经电阻 接地系统，又分为高、中、低电阻接地方式；中性点经电抗接地系统，又分为高、 中、低电抗接地方式；中性点不接地或经消弧线圈接地方式；中性点直接接地 系统f l 】。 1 1 1 中性点经电阻接地系统 华北电力大学硕士学位论文 电网中性点接地电阻目前选用的有高电阻、中电阻和低电阻三种。中性点电阻 的值的选取，从不同角度考虑差别很大。可归纳为三种取值原则：限制单相接地 电流使其小于三相短路电流；限制通信干扰：限制间歇电弧接地过电压。对应 于上述原则的电阻值为低电阻、中电阻和高电阻【2 1 。 中性点经低电阻接地方式的主要特点是在电网发生单相接地时，能获得较大的 阻性电流，这种方式的优点是过电压水平低，不产生谐振过电压，电网可采用绝缘 水平较低的电气设备；单相接地故障时，非故障相电压升高较小，发展为相间短路 的儿率小；人身安全事故及火灾事故的可能性减小；改善了电气设备运行条件，提 高了电网运行的可靠性。但是这种低电阻接地的运行方式在发生单相接地时，故障 电流可能较大，也带来一些问题：电缆线中某一相接地，大电流电弧有可能烧毁 电缆并波及同一电缆沟内的相邻电缆，从而扩大事故或酿成火灾。引起地电位升 高超过安全允许值【3 3 1 。 高电阻接地主要是限制单相接地故障电流，抑制弧光接地和谐振过电压，单相 接地故障不会立即跳闸，又不加重电气设备的绝缘负担，在应用中，至少应该使得 厶= ( 1 1 5 ) 以厶一阻性电流，尼一电容电流) 。考虑到单相故障接地电流宜限制在 1 0 a 以下，以维持2 小时的运行条件，对于l o k v 配电网电容电流大于4 5 a 的网 络，就不宜采用高电阻接地，因此大大限制了这种接地方式的推广应用。 中性点经中电阻接地电网主要是限制通信干扰并保证继电保护动作可靠性。这 种接地方式的取值原则是日本电力系统中性点电阻接地广泛采用的。日本国土狭 小，比较注意对通信线路的干扰。显然，若中性点电阻值低，则单相接地电流大， 对通信线路干扰大。但若电阻值太高，则继电保护装置运行不可靠。根据日本的经 验，对于2 2 1 5 4 k v 架空线路，中性点电阻中的电流在1 0 0 一- - 2 0 0 a 范围内时，对通 信线路的干扰不造成问题。 1 1 2 中性点非有效接地系统 中性点非有效接地系统分别为中性点不接地系统和谐振接地系统。 1 所谓中性点不接地电网，实际上是中性点经过一定数值的线路分布容抗接地 的。此时系统的零序阻抗呈现容性，因接地程度系数k 0 ，所以非故障相的工频电 压升高将会略微超过线电压【，l 。在中性点不接地电力网中，当发生单相接地故障时， 线电压仍保持对称不变，单相接地电流与负荷电流相比不大，因而对用户供电并无 影响，这是这种电力网的主要优点。但是，必须在较短时间内迅速发现并消除故障， 以免发展成为多相短路接地。当线路不长时，接地电流的数值较小，不至于形成稳 定的接地电弧，一般均能迅速熄灭而无须跳闸，这时供电可靠性较高。但是，当线 路较长、电容电流相对较大时，则可能由于持续电弧而烧毁设备或由于间歇性电弧 而导致过电压，这样，上述优越性就不存在了。因此，这种方式适用于电容电流不 2 华北电力大学硕上学位论文 大的电力系统中。 目前，电力网中的故障以单相接地为最多，特别是3 5 k v 及以下电压的电力网， 由于单相接地电流不大，一般接地电弧均能自动熄灭，所以这种电力网采用中性点 不接地的方式是最合适的。但是由于中性点不接地电力网的最大长期工作电压与过 电压都较高，特别是还存在电弧接地过电压的危险，因而对整个电力网的绝缘水平 要求较高，所以对电压等级较高的电力网来说采用这种方式使绝缘方面投资增加。 上世纪5 0 6 0 年代，我国在中压电网中的架空线路采用木杆木横担的较多， 其建弧率较低。目前，这些架空配电线路已改为铁塔或水泥杆铁横担，建弧率明显 升高。试验研究和运行经验表明，当系统的电容电流达到1 0 a 时，便应当采用谐振 接地方式，这样才能提高可靠性，而高电阻接地方式的应用范围极其有限。 目前我国中性点不接地电力网的适用范围如下： 1 ) 3 1 0 k v 电网中，当单相电流小于3 0 a 时； 2 ) 如果发电机能带内部接地故障运行，当与发电机有电气连接的电网的接地电 流小于5 a 时； 3 ) 2 0 - 6 0 k v 电网中单相接地电流小于1 0 a 时。 2 谐振接地系统的中性点一般经消弧线圈接地，也可以采用消弧变压器。从理 论上可以这样考虑，将系统的三相对地分布电容集中在一个或几个变压器的中性点 上，同时与该集中电容并联一个或几个调谐电感，对电感进行调整，使并联的电容 和调谐电感在靠近谐振点运行。虽然调谐电感是个有限个数值，但可以基本使并联 后的电容和调谐电感的等效阻抗玉趋近无限大，谐振接地系统的基本运行特性也就 由此确定。 中压电力系统的中性点经消弧线圈接地后，由于单相接地故障电流甚小的特 点，给电力系统的安全运行带来了一系列的优点。我国在2 0 世纪5 0 年代便着手简 化中压电网的电压等级，把3 、6 、1 0 、2 2 、3 3 、4 4 、6 6 、7 7 k v 等多个等级简化为 1 0 、3 5 、6 6 k v 等3 个等级；同时将中性点直接接地、经低电阻或低电抗接地、谐振 接地和中性点不接地等5 种方式统一为中性点不接地和谐振接地方式，提高了供电 可靠性，解决了调度上的许多困难，较好的适应国民经济发展需要，显著提高了经 济效益和社会效益。 1 2中性点谐振接地系统和电容电流检测 1 2 1 国外【4 ，7 ，1 8 】和国内发展情况 苏联曾规定3 - 6 6 k v 电网中性点采用消弧线圈接地方式，莫斯科配电电缆网至 今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。美国在上世纪2 0 年代至4 0 年代，在2 2 华北电力大学硕士学位论文 7 0 k v 电网中，中性点直接接地方式占多数( 7 2 ) ，且发展很快，逐步取代了不接地 的运行方式，一直沿用至今。英国6 6 k v 电网中性点采用经电阻接地方式，而对3 3 k v 以下的架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地改为消弧线圈接地：由电缆 组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地方式。现在英国的谐振接地系统主要集 中在乡村电网【5 j 。日本各地电网除个别地区外，1 1 - 3 3 k v 配电网中性点接地方式大 体为：消弧线圈接地占2 8 ，电阻接地占3 0 ，直接接地占2 ，不接地占4 。东 京电力公司所属配电网，6 6 k v 电网分别采用电阻、电抗、消弧线圈接地，2 2 k v 系 统采用电阻接地方式。 我国配电网过去多采用中性点不接地方式运行。随着城市发展，配电网不断增 大、延伸，以及城市配电网中越来越多地使用电力电缆，同时配电网中压电气设备 增多，因而导致配电网单相接地故障电流剧增和单相接地故障频繁发生，据初步统 计单相接地故障约占系统故障的7 0 以上。由于单相接地故障电流过大，不能自动 熄灭，造成故障处绝缘破坏，常常引发两相或三相短路造成停电事故。配电网中性 点不接地系统中常常发生的闪络以及单相接地后的多重接地事故的发生引起人们 极大的关注。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。 国内外中压电网的运行经验表明，谐振接地方式在供电可靠性、人身安全、设 备安全和通信干扰等方面，具有较好的运行特性，但过去也存在两个技术难题：一 是接地保护选择性长期没有得到满意的解决；一是消弧线圈需用人工进行调谐，加 之电弧接地过电压和谐振过电压的理论研究在相当长时间内不够完善，因此在一定 程度上限制了此种接地方式在一些国家和地区的应用与发展。 近些年来，随着科学技术的进步和制造业的发展，这些问题在国内外均已获得 解决。利用微机选线装置或微机接地保护，加上自动跟踪补偿的消弧线圈，在保持 谐振接地方式原有优点的基础上克服了上述缺点，使此种接地方式得到了优化和推 广，成为中压电网( 包括电缆网络在内) 的比较理想的中性点接地方式【3 ，3 6 1 。 1 2 2 中性点经消弧线圈接地系统及其电容电流检测 中性点经消弧线圈接地电力系统，称为谐振接地系统。因为消弧线圈是一种补 偿装置，所以通常又称为补偿系统。消弧线圈是一个具有铁心的可调电感线圈，它 装设于变压器或发电机的中性点。当发生单相接地故障时，可形成一个与接地电流 大小接近相等而方向相反的电感电流，这个电流与电容电流相互补偿，最终达到过 补偿或全补偿的效果，从而消除了接地处的电弧以及由它产生的危害，消弧线圈因 此得名。此外，当电流过零而电弧熄灭后，消弧线圈还可以显著减小故障相电压的 恢复速度，从而减小了电弧重燃的可能性。因为电网单相接地电容电流得到电感电 流的补偿，所以这种电网又称为补偿电网，这种接地方式又称谐振接地方式。 4 华北电力大学硕士学位论文 谐振接地方式主要有以下优点【6 ，3 4 1 ： ( 1 ) 电网的运行可靠性最高，这是这种接地方式最重要的优点。 ( 2 ) 瞬间故障能自动熄弧。 ( 3 ) 故障点的对地电位低。 ( 4 ) 单相接地的异常过电压抑制在2 8 倍相电压以下。 ( 5 ) 自动跟踪补偿消弧系统的运行经验表明，装置可以运行在欠补、全补和过补 状态，而不会发生过去人们担心的串联谐振过电压。 ( 6 ) 运行管理比较简单，避免了过去非自动调谐消弧装置存在的管理问题。 中性点经消弧线圈接地方式能有效地减少接地电流，使接地故障电流自行灭弧 并减缓故障点恢复电压的上升速度，对系统的绝缘水平要求大大降低，也有利于人 身安全，在配备可靠灵活的小电流接地选线及跳闸装置后，能有效切除永久故障，成 为在配电网中广泛应用的主要接地方式之一。国内外的运行经验表明，全电缆网络 的电网中性点选择谐振接地方式，同样是一种良好的选择f 6 】。 由于消弧线圈能有效地减少单相接地电流，迅速熄灭故障电弧，防止间歇性电 弧接地时产生的过电压，因此广泛应用于3 - - 一6 0 k v 电压等级的电力网。在这些电压 等级的电力网中，单相接地故障较易发生，采用经消弧线圈接地方式可以提高其供 电可靠性。消弧线圈接地的电网由于接地电流不大，又称为小接地电流电力网。接 地电流小可以减轻对附近通信线路的干扰，这也是这种电力网的优点。但是，中性 点经消弧线圈接地的电力网，当发生单相接地时，非故障相的对地电压将增大至3 倍，这时，尽管电力系统可以继续运行，但仍应在较短时间内发现并消除故障以防 止事故的扩大。同时这种电力网的最大长期工作电压和过电压水平都较高，因此， 当在电压等级较高的电力网和电缆网中采用时，将显著地增大绝缘方面的费用，应 经过综合比较后才能选定。 正确掌握谐振接地系统的参数，对于消弧线圈的合理调谐、提高动作的成功率、 防止过电压事故和保障电力系统的安全运行等都是不可缺少的。谐振接地系统中需 要测量的参数主要包括：残压或不对称电压、位移电压、电容电流、消弧线圈补偿 特性、残余电流和电弧接地过电压等。其中最主要的是电容电流的测量和消弧线圈 补偿特性测量两项比较重要。 电容电流的测量方法在工程上应用的主要有直接和间接的测量方法。前者主要 为单相金属接地法，后者主要包括中性点外加电容法、外加电压法、调谐法、变频 法和电容增量法等，也可以利用自动跟踪补偿装置进行测量。间接测量方法比较简 单，若利用得当，也可以获得满足现场需要的数据。 消弧线圈的主要作用是当电网发生单相接地故障后，提供一个感性电流五补偿 接地电容电流尼，使接地电流减小，也使得故障相接地电弧两端的电压恢复速度降 低，达到熄弧的目的。补偿系统要想做到最佳的补偿效果，可靠有效地熄弧，电容 5 华北电力大学硕士学位论文 电流的测量起到主导作用，准确快速地检测接地电流，对于可靠有效快速地熄弧具 有非常重要的意义。目前工程上所用的测量方法一般都是通过测量相关的电压( 或 电流) 幅值和相位来测量对地电容，这在很大程度上受到系统的谐波、外界干扰的 影响，同时在这些方法中滤波的处理也在一定的程度上影响了测量的精度。 本文通过对已有的接地电流检测方法的分析，提出了一种更快速更准确的新的 检测方法。这种方法是通过变压器或p t 向消弧线圈补偿系统注入一个信号，使系 统发生谐振；检测谐振频率，通过处理计算出接地电容，进而计算处理得到接地电 流。精确计算出接地电流后，可以准确地调节消弧线圈对接地电流进行补偿。 1 3 本课题的研究任务 电网接地电流的间接检测方法主要是通过检测补偿系统振荡频率或对地电容 来测量接地电流。本课题是在对现有的接地电流检测方法特别是信号注入法研究的 基础上，提出一种基于补偿系统固有频率的信号注入法。传统的接地电流的检测方 法，包括直接测量法和间接测量法，都存在着测量精度和速度的问题，这些方面直 接影响单相接地故障下消弧和选线。用本文提出的方法可以大大的提高测量的速度 和精度，可以方便现场的使用。 本课题的主要研究内容如下： 1 目前常用的接地电流检测方法的分析 通过对已有的接地电流检测方法的分析，提出一种新的电流检测方法，克服已 有各方法的一些不足之处。 2 基于补偿系统固有频率的信号注入法的理论分析和仿真研究 对所提出的信号注入法进行理论简化分析计算，确定选择最佳参数，在理论上 确定新方法的可行性。然后，用p s c a d 仿真软件搭建电路模型，进行仿真研究， 在仿真模型上验证新方法的可行性。 3 接地电流检测装置的实现 ( 1 ) 信号源的设计：设计产生注入到补偿系统中合适信号的信号源。 ( 2 ) 测量电路的设计和滤波处理：测量电路主要包括限幅电路、a d 采集电路 设计和测量算法的软件实现。 测量的波形中可能包含有系统基波，而所需要的波形是滤除基波之后的波形， 所以本文考虑用软件滤波处理。 ( 3 ) 模拟试验平台上的试验验证：在1 0 k v 的工矿模拟试验平台上做了相关的验 证试验。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电网接地电流测量方法分析 2 1工程中常用的接地电流测量方法 目前，工程中出现过的接地电流的测量方法主要有直接测量法和间接测量 法。直接测量法主要是单相金属接地法；间接测量法主要包括中性点外加电容 法、外加电压法、电容增量法和变频法等。 2 1 1 接地电流的直接测量法 接地电流的直接测量，通过人工产生单相金属接地而实现。这种方法在消 弧线圈退出运行状态和投入运行状态时都可以进行测量，只是两种状态下测量 的量不同。在消弧线圈退出运行时，可以直接测量出电网的电容电流、有功泄 漏电流和作为二者之和的全电流。在消弧线圈投入运行时，可以直接测量出消 弧线圈的补偿电流、有功损耗电流和作为二者之和的全电流，还可以直接测出 残余电流及其无功分量和有功分量，从而得出电容电流。由于在实际电网中的 三相对地电容是不平衡的，所以这种测量方法必须通过三相轮流接地的方法才 可以获得准确的结果。 1 消弧线圈投入状态下测量方法 在消弧线圈投入状态下进行电容电流的测量时，补偿电网构成并联谐振回 l 二1 广 j l 1 t 彳 t _ r 一r 广t t a 二= 彳旆茄可f 赫拿 q f t 图2 l 单相金属接地法测量电容电流接线图 f i g 2 - 1 t h ew i r i n gd i a g r a mo fm e a s u r i n gc a p a c i t i v ec u l t e n tb y t h es i n g l e p h a s em e t a lg r o u n d i n g 7 华北电力大学硕士学位论文 路，情况和发生单相接地故障时相同。测量接线图如图2 1 所示。 在测量的时候，首先投入人工接地开关q f ，等各表的指针都稳定后，读取全 部仪表的读数，然后将相应的读数带入式( 2 1 ) ，可以求得电容电流易和有功泄漏电 流名，以及作为二者之相量和的全电流尼。由于残余电流石是可以直接测出的，其 值为： 磊= ( + r l ) + j ( 乞+ 乞) ( 2 - 1 ) 式中；卜残余电流； 厶广残余电流的有功分量，厶。= ( 彳+ 屯) ； 磊广硼余电流的无功分量，磊r _ ( 尼一五) ； 卜被测电网的有功泄漏电流： 蠡一被测电网的电容电流： 彳：一消弧线圈的有功损耗电流； 易一消弧线圈的补偿电流。 根据实际测到的磊( 磊。、磊，) 和五o ( 乞、五) 的值，可以很方便地求得尼、彳和而o ， 可以参见图2 2 所示的各电压和电流相量图。由图我们很容易看出各相量的关系。 五 i c 图2 - 2 人工单相金属接地时电压、电流相量图 f i g 2 - 2 t h ep h a s o rd i a g r a m o fv o l t a g ea n dc u r r e n ti nt h ea r t i f i c i a ls i n g l e - p h a s em e t a lg r o u n d i n g 这种方法在测量的时候最好不要减少测量仪表，因为如果采用仪表切换读数的 方式，虽能减少仪表的数量，但是却增加了人工接地的时间，增大了测量的风险和 加大测量的误差。 2 消弧线圈退出状态下测量法 在消弧线圈退出状态下进行电容电流测量时，电网的中性点不接地运行， 这样可以直接测得电网电容电流历、有功泄漏电流和作为两者向量和的全电 流血。亦可根据图2 2 看出各相量关系。这种测量虽然较简单，但是万一发生 2 华北电力大学硕士学位论文 野外接地故障，便会导致停电事故。另外这种测量方法比较耗时，测量不准确。 由以上两种状态下测量方法的表述可知，接地电流的直接测量法的接线复 杂，而且有可能导致非接地相绝缘薄弱处损伤从而造成两相短路，对操作人员 及配电系统安全不利，一般不建议采用。 2 1 2 中性点外加电容法 中性点外加电容法实现起来比较简单，这是一种较常用的接地电流测量方法， 其测量接线图 图2 - 3 外加电各法原理接线图 f i g 2 - 3 t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o rt h em e t h o do fp l u se x t e r n a lc a p a c i t a n c e 在图2 - 3 中，因电网的不对称电压的存在，当外加电容c o 接入后，在岛 中就流过电流石，此时岛上的电压降u o 诋。由图2 - 3 可以看出，当c o = o 时，相 当于未接入外加电容，此时可求出不对称电压，当c o c o 时，h p 接入外加电容 后中性点电压变为，表达式如下： = 鬻 ( 2 - 2 ) “= ，g f 。+ + g f + “c + ( 1 以+ g t 4 ( 2 - 3 ) 联立( 2 2 ) 和( 2 3 ) 得： 鲁= 等焉芋= 等 陆4 ， u q c 七c 8 c c c 、 良器 仁5 ， 一 、7 式中：g 一皮测电网的三相对地电容之和。 g 一中性点外加电容； 华北电力大学硕士学位论文 4 = t o 暇= 瓦国c o 可c o = 去 ( 2 - 6 ) 由于测量过程中的误差是难以避免的，所以，令岛、等的测量误差分 g = 瓦 c 可o + 甄 a c o f l ) u o o ，所以要想 做到测量正确，需要保证测量仪表和仪用互感器选择正确。 2 1 。4 电容增量法 电容增量法是为了解决在3 1 0 k v 的电网中电力变压器没有中性点引出的问 题提出的一种间接测量电网电容电流的方法，这种方法也可以用于中性点引出的电 网。电容增量法是在电网的三相上轮流附加一定量的电容，通过测量零序电流和不 对称电压的增量，可计算出电网的电容电流。电容增量法的原理图接线图如图2 5 所示。 华北电力大学硕士学位论文 0 拶 厂1 一一 增 小k 弋 电压互感器 i oc be 婿乙 薹i 图2 - 5 电容增量法原理接线图 f i g 2 - 5 t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o rt h em e t h o do fi n c r e m e n t a lc a p a c i t a n c e 这种方法的计算公式，可以利用偏微分方程推导【9 l 。如图2 5 所示，对于一个 中性点不直接接地的三相系统，当各相负荷不平衡时，中性点就产生不平衡电压 ，其表达式如下： 一况：垒些鱼墨垒：墨 ( 2 9 ) + 石+ 石 、7 对于一个实际系统，其负荷基本上是平衡的，而中性点不平衡电压只和系统对地电 容有关。在正常运行的系统中可以认为电源电势历，历、昂是对称的。所以式( 2 9 ) 可以改写为： 一况：鱼! 墨生墨垡! ( 2 1 0 ) 髟+ 易+ 二 、7 在式( 2 l o ) q 日分别对髟、易、乓求偏导数，可得： 一孥：竖堂型芝暨量螋包 a 乃( 匕+ 易+ 乓) 2 e au o o ， u a y ( 2 - 1 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 _ - _ - _ _ - _ - 一一 l 同理可得： la u o o la 易 y 1 ia u o o 【a 二 y 式中：e r = 艺+ 易+ 互各相对地电容导纳之和； i l 以= 历+ u o o i = 幻+ u o o 分别为彳、b 、f 相相对地电压。 k 厶+ 况 将式( 2 11 ) 、( 2 - 1 2 ) 写成统一规范的形式如下： 由式( 2 一1 3 ) 知，当为有限的“增量”时，可得： 以况卷， 将式( 2 一1 4 ) 改写为含有系统对地电容电流的表达式如下： ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 一况= ( 急士) ( 以即：娑z ( 2 - 15 ) 厶l u 母j 4 式中：厶= o ，系统总的电容电流： = 中，增量导纳，所引起的电流增量。 如果满足，和，性质相同，且其损耗角相等，对式( 2 1 5 ) 变形，用模数表示可 得： 乞= 。静 ( 2 1 6 ) “0 0 式中：缶一电网的对地电容电流，a ； 厶卜一相接a a c 后零序电流的增量，a ： 一相接入a c 后不对称电压的增量，k v ： 额定相电压，k v 。 从理论上看，所选择的f 的值越小越好，但是必须要考虑到石和的测量 需要。由图2 - 5 所示，m o 的读数可以由电流表直接读出。因为三相对地电容不平衡， 此时测得的三相零序电流的增量雠彳、而伊石( ，不等，所以在计算的时候需要取三 华北电力大学硕士学位论文 者的平均值。而是测得的不对称电压和a c 投入电网前原有的不对称电压砺。 的差值，表达式如下： = 卢必3 一( 2 - 1 7 ) 式中：彳、寥、广f 投入彳、b 、f 三相后的不对称电压，k v 。 有研究者提出为了测量结果准确，需要提高不对称度 1 0 l ；也有研究者认为需要 用人工星形电容器组提供一个中性点，并将其不对称度调整到万分之三到五，否则 电容增量很大，会对系统引起冲击，同时测量误差较大【l lj 等。 此方法在3 l o k v 的电网中，在不增加人工中性点的条件下简单可行。 电容增量法还有另外一种计算方法，这种计算方法称之为人工不对称法。这种 方法在苏联的一些电力系统中得到过应用。 假设电网的三相对地电容对称平衡，忽略对地电导，当任何一相接入一定数值 的附加电容g 后，不对称电压出现，中性点向接入相的端电压方向位移。此时，三 相的对地电压分别为： 以：墨丝二兰：丝 ( 2 1 8 ) 髟+ 易+ 鬈 、7 以：兰：丝二墨丝 ( 2 1 9 ) + 石+ 尼 、7 以：墨丝二墨丝 艺+ 易+ 乓 式中：u a 、u b 、跟电网的三相对地电压，k v ； 、翰、u c , l电网的线电压，k v ； 易、一三相对地导纳，q 。 因对地电容c p c f c c = c o ，所以，当一相接入附加电容g 后， ( 2 - 2 0 ) 的任何一式的变换可得： 丝：且 3 c o + g 式中：以一接入附加电容相的相对地电压，k v ； 配一电网线电压，k v ； 岛一相对地电容，肛。 根据式( 2 - 2 1 ) 就可以确定相对地电容岛的值， 即： 1 4 ( 2 - 2 0 ) 根据式( 2 - 1 8 ) ( 2 - 2 1 ) 进而可以求出电网的电容电流， 华北电力大学硕士学位论文 = 糌 ( 2 - 2 2 ) 实际电网的三相对地电容并不平衡。为了获得正确的电容电流值，必须将附加 的电容g 轮流接入三相，并分别测出接入电流相的对地电压，由式( 2 - 2 2 ) 求出三 个电容电流值，之后取它们的算术和的平均值【3 3 3 1 。 试验结果表明，只要附加的g 满足式( 2 2 3 ) 的要求，求得的电容电流值与单相 金属接地法相比，误差将小于2 1 1 2 1 。 仁= ( o 3 o 5 ) 万1 c ( 2 2 3 ) 式中：。_ 预先估算的电容电流值，a 。 利用人工不对称法，分别测出未接附加电容时和三相轮流接有附加电容时的四 个不对称电压值后，通过计算可以求得电网三相的对地电容和三相分别接地时的电 容电流 1 3 1 。 这种方法和电容增量法的实质是一样的。在测量过程中附加电容值的选择很重 要。由于此方法和电容增量法需要直接接触配电网的主回路，附加电容值的选择也 不可能做到精确，所以测量过程既复杂，又耗费时间和测量精度低，所以在实际中 不推荐应用。 2 1 5 变频法 所谓的变频法就是在补偿电网正常运行的情况下，不改变补偿电网电压谐振回 路的物理参数，借助于系统运行频率的自然变化或人工调频等方法，根据变化前后 的有关参数，可以计算出电网的电容电流1 1 4 。利用频率的自然变化或人工进行调频， 在系统正常运行的情况下，不接触、不动用电网的一次设备，对安全运行没有任何 不利的影响，同时无需增加专用的测量设备，只要每隔0 3 h z 左右读取一组数据， 然后取数次估算结果的算术平均值，就可以求出补偿电网电容电流。 1 利用r 和石的变化 当补偿电网的工作频率发生自然变化时，消弧线圈的感抗和电网三相对地电容 的容抗也会随之变化，相应的不对称电流石和位移电压玩也必然随之变化，当频率 由彳变为石或者角频率由彩l 变为忱时，利用频率、零序不对称电流和电容电流之间 的关系，就可以求得补偿电网的电容电流尼，其值为： ( 血一生)2 5 0 0 ( 鱼一生) 五2 赫2 群之 ( 2 - 2 4 ) 。 以q 。一哆：) 9舶。一石缸 、7 式中：，广补偿电网电容电流，a ； 华北电力大学硕上学位论文 彳、石一电网的工作频率，h z ： 石t 、而2 分别为频率为彳、石时通过消弧线圈的零序电流，a ； 五消弧线圈运行分接头的补偿电流，a ； 玩额定相电压，k v 。 2 利用厂和的变化 当频率发生变化时，利用变化前后的频率、位移电压和电容电流之间的关系， 同样可求出补偿电网的电容电流尼，即： 以象一磐)2 5 0 0 ( 争一7 r i 0 2 ， 仁揣。弋手五 ( 2 - 2 5 ) 式中：l 、分别是与彳、石对应的中性点位移电压，k v ； 瑟一消弧线圈运行分接头的感抗，q ； 其余的量同式( 2 3 4 ) 的说明。 3 利用石和砺的变化 当彳变为石时，石l 、1 分别变至如、砺2 ，利用式( 2 3 6 ) 也是可以算出电网的 电容电流历的，即： 5 0 ( 纽一丝) 仁1 等争c r ( 2 - 2 6 ) “。一 7 式中各符号的说明与式( 2 3 4 ) 相同。 上述的三种变频法，有研究者根据同一个l1 0 k v 补偿电网的实际数据，按式( 2 2 4 ) 、( 2 - 2 5 ) 、( 2 - 2 6 ) 分别进行计算，同样6 次算术平均值后所得尼的结果，与单相 金属接地法相比，误差分别为- 4 2 、一1 o 、一2 3 1 2 1 。这种方法安全经济、简便 易行，但是当系统的频率变化较小时( 相对于0 3 h z ) 测量精度难以保证。 2 2信号注入法 信号注入法是目前在中压电网中广泛应用的测量方法。信号注入法通过注入某 种信号，检测出系统对地电容电流。对于谐振接地方式的电网，信号注入法是在系 统正常运行时，向补偿系统注入信号，根据注入信号后补偿系统的电路的特性和状 态，检测对地电容电流或电路振荡频率，计算出对地电容值，当系统发生单相接地 故障时，利用已知的对地电容，调节消弧线圈对对地电容电流进行补偿，做到消弧 补偿。 2 2 1 两个不同频率信号注入法【1 5 】 1 6 华北电力大学硕士学位论文 这种方法通过在母线电压互感器二次开口三角端注入两个频率不同、幅值相同 的电流信号，并通过补偿系统的参数进行反馈控制，选取合适的注入信号频率、通 过矢量分析计算出配电网的电容电流值。测量原理图如图2 - 6 所示。 z i v 图2 - 6 电压互感器二次开口三角处注入信号原理接线图 f i g 2 - 6 t h es c h e m a t i cd i a g r a mf o ri n j e c t i n gs i g n a li nt h ep ts e c o n d a r yp l a c k e t 图2 6 中，队从分别为电压互感器高压绕组的三相；z 、为二次绕组引 出线代号：a 、g 、o 为三相线路对地的等效电容。 若在图2 - 6 中厶端注入一个恒定的电流而，则在认从三相分别感应出 三个电流石、五、厶，这三个电流将通过由电压互感器和线路以及线路对地电容构 成回路。在实际的计算中一般认为各相的电压互感器特性是相同的，配电网的三相 对地电容值也基本相同，所以电压互感器高压侧三相流出的电流厶、厶、厶大小相 等，相位相同。假设电压互感器的变比为刀，则： = 厶= 厶= i o n ( 2 2 7 ) 根据上述的理想假设，对图2 - 6 进行简化，如图2 7 所示。 z 1 月 图2 7 电压互感器二次开口三角处信号注入法等值电路 f i g 2 7 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tf o ri n j e c t i n gs i g n a li nt h ep ts e c o n d a r yp l a c k e t 在图2 7 中，屁和厶为构成电压互感器二次开口三角端向高压侧注入电流时 所等效的励磁阻抗，而刀和厶为电压互感器以及线路折算到二次开口三角端的等效 电阻和电感，主要考虑的是电压互感器的绕组电阻和漏感，c 为配电网三相对地电 容折算到二次开口三角端后的等效电容。对于一般的配电网，其三相对地电容之和 1 7 华北电力大学硕士学位论文 在l 1 5 0 t t f 之间，对应的工频阻抗为几k q 至几十q ，远远小于电压互感器的励磁 阻抗( 达m r 2 级) ，所以电压互感器中的励磁电流可以忽略不计。在图2 7 中，当在 开口三角端注入角频率彩的电流信号时，在z 、端测到的一个电压信号编，其与 开口三角端注入电流厶的关系为： 娑：3 ( 三) z 【刀+ j ( 厶一b 】 ( 2 2 8 ) h 鞠氆l 上式的物理含义是从电压互感器二次开口端向电网看去时电网以及电压互感器本 身在厶端的等效零序复阻抗。为了得到求解电容f 的方程组，需要注入两个频 率不同、幅值相同的电流信号，可以测出两组电压、电流的矢量，通过运算可求出 两个不同频率下的等效复阻抗汤、历。 假设两个注入电流信号的频率为彳、石，利用这两组测量结果，分离出相应的实 部和虚部，得到联立的两个方程： r1气 l 慨厶一秽旁地( z o 1 (2-29)3 l ( 哆一寿7 。1 m ( 互)i娲( ， 矿 式中，q = 2 研，哆= 2 砺，互= 矾l l ，互= 0 0 2 1 0 2 ，! o l 、矾l 、0 2 、u 0 2 分别为两 组不同注入信号下开口三角端的测试结果。根据上式可以求出电容f 为： f 2 石雨压( 0 丽2 1 - - i 0 ) 2 2 厕 2 3 。) 所以可以求出电网的电容电流易表达式如下： 厶= a ) x ( - 5 - ) x ( 2 - 3 1 ) 这种方法虽然实现起来简单安全，不直接接触配电网的主回路，不涉及电网的 一次回路，但是在注入信号频率的选取上比较复杂，频率选取的不合适会直接影响 测量的准确度。频率选取越高，漏抗五越大，容抗越小，通过测量总阻抗z 来 计算f 的难度越大；频率选取越低，漏抗兄越小，容抗尼越大，越能增加彪对 龙的比重和增加计算的稳定度，但是频率越低，电压互感器励磁回路的影响越大， 这样也增加了电容电流的测量误差。 2 2 2 变频信号注入法 变频信号注入法主要适用于谐振接地方式的电网。通过注入的变频信号使电网 对地电容和消弧线圈发生并联谐振。现在一般常用的注入方式是通过与消弧线圈相 配套的零序电压互感器的二次侧注入变频恒流信号，原理图如图2 8 所示【1 6 1 。图 华北电力大学硕士学位论文 中也是消弧线圈。 当注入的变频信号在某个频率下使系统对地电容和消弧线圈的电感发生并联 谐振时，对图2 - 8 进行简化，如图2 - 9 所示。图中五为消弧线圈电抗，g 为电网对 地总电容，以n j 为变换到一次侧的电流。改变注