中性点不接地系统电容电流测量方法的研究.doc

论文题目：中性点不接地系统电容电流测量方法的研究专 业：电力系统及其自动化硕 士 生：张炜 签名指导教师：董张卓 签名 摘 要 现代配电网中负荷密度的增大，以及大量电缆的使用，使得配电网的容性电流达到了一个较高的水平。当配电网对地容性电流超过电力规程的要求时，就应该在配电网系统中装设消弧线圈，使接地电弧迅速熄灭避免事故的扩大。而配电网容性电流的测量是装设消弧线圈、确定消弧线圈容量和进行消弧线圈调谐的重要参数。因此本文就如何实现容性电流的精确测量开展研究。 首先，对容性电流间接测量方法进行了详细的理论分析，针对目前常用的偏置电容法和人工中性点法，进行了仿真，并指出了各种测量方法的优缺点以及适用范围。其次，研究了基于信号注入法的容性电流测量方法，对现有的信号注入法进行了误差分析和仿真，并对其进行了评价。在此基础之上，对改进信号注入法测量容性电流的方法进行了分析，并通过理论论证与仿真的方法证明，改进信号注入法较之前的方法在测量精度以及适用范围上都有提高。此外，针对信号注入法受系统干扰严重的问题，设计了 IIR 数字信号滤波器，并通过仿真的办法进行了验证，证明了该滤波器的可行性。关 键 词 ：容性电流；间接测量；注入信号；simulink 仿真；滤波器研究类型：应用研究Subject : Research on Methods to Measure Capacitive Current in Non-ground Neutral SystemSpecialty : Power System and AutomationName : Zhang Wei SignatureInstructor : Dong Zhang-Zhuo Signature ABSTRACT In modern distribution network load density increases and the use of a number of cable makes the capacitive current of the distribution network to a higher level. It should be installedin the coil of arc extinction when power distribution network of capacitance current more thanpower code requirements to avoid accident expanded. And the capacitive currentmeasurement is the important parameters of installed a coil of arc extinction sure coil of arcextinction capacity and Coil of arc extinction tuning. So this paper will research how to realizethe accurate measurement of the capacitance current. First of all analysis the indirect method of the capacitance current measurementaccording to the commonly used offset capacitance method and artificial neutral methodsimulation are completed. Their advantages and limitations are indicated in this paper. Themethod to measure capacitance current based on injecting signals method is studied. Make theerror analysis and simulation for existing signal injection method and the methods arereviewed. On the basis of this analysis the improvement methods of the injecting signalsmethod and According to the principle analysis and the results of simulative experimentproved this new method is better than previous methods. At the same time In order to solvethe interference problems the paper designs the IIR digital signal filter and According to theprinciple analysis and the results of simulation to prove the feasibility of the filter.Key words : capacitive current indirect measurement injection signal simulink filterThesis : Applied research 目 录 目 录1 绪 论.1 1.1 对地容性电流.1 1.2 课题背景及意义 .2 1.3 测量电网对地容性电流技术现状 .3 1.4 本文研究的主要内容 .52 容性电流的间接测量方法 .6 2.1 偏置电容法测量容性电流 .6 2.1.1 偏置电容法测量容性电流的基本原理 .6 2.1.2 偏置电容法的误差分析.7 2.1.3 偏置电容法的仿真 .7 2.2 人工中性点法测量容性电流. 10 2.2.1 人工中性点法测量容性电流的基本原理 . 10 2.2.2 人工中性点法的仿真. 11 2.3 本章小结 . 133 信号注入法测量容性电流 . 15 3.1 三频法测量容性电流 . 15 3.1.1 三频法测量容性电流的原理15 . 15 3.1.2 三频法测量容性电流的误差分析 . 17 3.1.3 三频法的仿真 . 20 3.2 向量法测量容性电流 . 21 3.2.1 向量法测量容性电流的原理 . 21 3.2.2 向量法的仿真 . 23 3.3 扫频法测量容性电流 . 24 3.3.1 扫频法测量容性电流的原理 . 24 3.3.2 谐振频率变化范围的确定 . 27 3.3.3 扫频法的误差分析 . 29 3.3.4 扫频法的仿真 . 29 3.4 本章小结 . 304 改进信号注入法测量容性电流的方法 . 31 4.1 改进法的测量原理 . 31 4.2 改进法的误差分析 . 33 I 目 录 4.3 改进法的仿真. 33 4.4 本章小结 . 355 信号滤波器的设计与实现 . 36 5.1 信号滤波器的实现 . 36 5.1.1 模拟带通滤波器 . 36 5.1.2 数字滤波器的特点 . 36 5.1.3 数字滤波器的分类与比较 . 37 5.1.4 IIR 滤波器的设计 . 37 5.1.5 IIR 滤波器的实现 . 39 5.2 数字带通滤波器的仿真 . 41 5.3 本章小结 . 436 总结 . 44致 谢 . 45参考文献. 46 II 1 绪 论 1 绪 论 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与电力系统的运行方式、设备的绝缘、保护的配置以及接地装置等问题有密切的关系1。目前，我国 6kV35kV的中压配电网多数采用经消弧线圈接地的方式。当单相接地容性电流大于规定值时，利用消弧线圈的电感电流对容性电流进行补偿，使接地点残流减小，助使接地电弧自行熄灭。因此，容性电流的准确检测，是配置消弧线圈，消弧线圈的调节控制的基础。研究容性电流的测试方法，具有重要的理论和实际应用价值。1.1 对地容性电流 电介质在电场力作用下会发生极化，其结果使电介质表面形成的电荷在与正极板相对的面上出现负电荷，与负极板相对面上形成正电荷。将电缆的三相导体看作正极板，把大地看作负极板，则在电缆和大地间就会形成我们所说的对地分布电容2。此分布电容无法通过电流表等测量仪器直接测得。由于中压配电系统一般采用中性点不直接接地的方式，因此当传输线路发生单相接地时流过故障点的电流并不是短路电流，而是各线路对地分布电容所产生的容性电流。 在 如图 1.1 所示， A 相接地故障存在期间，非故障相电压 与 升高到线电压 与 ，电流通过 B、C 相的对地电容流向大地，从而形成容性电流 和 ，并相比 和 增大到3倍。两个容性电流叠加以后形成了容性电流 。故容性电流 3 ，也就是系统正常运行时流过三相对地电容的电流之和。 图 1.1 A 相接地时容性电流向量图 1 西安科技大学硕士学位论文1.2 课题背景及意义 我国早期的中低压配电网为了提高供电的连续性与可靠性，通常采用中性点不接地方式运行。由于线路故障大多为单相接地故障，当发生单相接地故障时，线电压矢量三角形不变，故三相对中性点电压不变。如果系统中容性电流不大时，接地电弧会自行熄灭，因此线路可继续故障运行 12 个小时。随着经济的发展，供电负荷密度、供电范围的快速扩大。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。因此，为了保证接地点的电弧可靠自熄，就必须在系统中性点安装消弧线圈来补偿容性电流。消弧线圈在与对地电容形成并联谐振时，只要消弧线圈运行在谐振点附近，电网中的容性电流就会被消弧线圈所产生的电感电流所抵消，由于接地点故障电流的减小，限制了接地电流和电弧的电动力、热效应和空气游离等破坏作用，防止或减小了在故障点形成残留性故障的概率，使故障点介质绝缘强度快速恢复，进而接地电弧得以彻底熄灭。这种中性点经消弧线圈接地的系统称为谐振接地系统。 据统计在供电事故中，线路单相接地时因容性电流过大而无法自行熄弧的事故占了较大一部分比例1。因此，DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合中规定：310kV 钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路所构成的电网以及 35kV、66kV 电网，当单相接地故障电流大于 10A 时应装设消弧线圈；310kV 电缆线路构成的系统，当单相接地故障电流大于 30A，且需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式，否则在单相接地故障时会发生电弧重燃，导致事故进一步扩大为两相短路。例如，湖南省湘潭县谭家山镇立胜煤矿，因为井下电缆单相接地引发的起火事故，30 名矿工被困井下；河南新密一座矿发生电缆单相接地起火 25 人全部遇难；2000 年 7 月南方某供电局变电站连续两次因为单相接地而引起绝缘击穿事故，造成两相短路，大面积停电十多小时；2010 年 7 月陕西省神木县红柳林煤矿由于井下电缆发生单相接地，导致配电网开关柜发生爆炸，全矿停产数小时，损失高达数百万。类似的事故在全国时有发生。要解决这个问题就要对配电网的容性电流经常监测，对容性电流大的配电网采用消弧线圈进行补偿，或采取相应的限制过电压的措施。 消弧线圈自动调谐机构能够及时准确地进行调谐，关键在于精确地测量出系统对地电容，从而得出系统单相接地后的容性电流。自动调谐装置的补偿效果，较大程度上取决于容性电流测量的准确程度。由于配电网中的容性电流无法通过直接手段测量得出，因此常用的消弧线圈自动调谐装置，使用间接测量方法来测取系统的对地容性电流值。目前工程测量中使用的间接测量方法有多种，它们的适用范围各不相同，因此采取不同的测量方法对于计算系统对地电容有不同的准确度。如何选择一种既简单、安全，且适 2 1 绪 论用范围广、精度高的测量方法，是消弧线圈自动调谐系统所追求的目标。 与此同时，测量系统对地电容也是分析铁磁谐振的重要参数。配电网的对地电容和PT 的参数配合会导致铁磁谐振过电压，为了验证配电系统是否会产生铁磁谐振及产生何种性质的谐振，就需要准确地测量出系统的对地电容值。通过得到电容值后，才会知道配电系统是否在铁磁谐振区域，进而采取相应的抑制措施防止铁磁谐振过电压的发生。 综上所述，测量系统的容性电流值是保证电网正常运行的一项重要工作。1.3 测量电网对地容性电流技术现状 早期采用的容性电流测量方法一般为单相金属接地法，通过将配电网线路人为地进行单相接地试验，从而直接测量流入大地的容性电流。由于这种方法需要在操作前实施繁杂的安全措施，而且操作复杂，还有可能危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘，从而造成两相异地短路，因此该方法安全性低。整个试验过程对操作人员以及电网的安全均构成威胁，试验的危险性大。因此，采用间接测量方法测量容性电流既可避免直接法的缺点，又便于测量。 目前工程中常用的容性电流间接测量方法主要有下几种： 1偏置电容法3：原理是在系统的三相中分别添加偏置电容，然后通过分别测得的数据解方程组，从而得出系统的容性电流值，是在实际测量中比较常用的一种方法。 2人工中性点法1：同样是在线路的每一相接入对地电容，并制造一个人工中性点进行测量。它测?烤冉细咔医尤氲亩缘氐缛萁闲。韵低吵寤餍虼吮还惴翰捎谩朔椒娜钡阒饕堑毖窠尤氲亩缘氐缛菔挡缓鲜适被岵洗蟮牟饬课蟛睿锌赡艹鱿指菏诺那榭觯沟貌饬抗魑薹凳?3谐振法4：是利用串联谐振原理测得中性点电压曲线从而计算电网的对地电容值。它的优点是简单易实现。但是该方法使用的前提必须是在电网不对称度较小或者消弧线圈串并联电阻的情况下。当消弧线圈和系统对地电容发生谐振时，电网中性点电压就会发生较大的位移，从而对电网和设备造成损坏，更严重的可能造成系统的短路事故。 4节点方程法5：是通过改变消弧线圈的电感值，引起消弧线圈两端电压发生变化，进而使得消弧线圈中的电流发生变化。通过检测电压、电流值以及其所对应的相角差，通过解方程组，计算出系统对地容性电流。该方法的缺点是在使用时，电网必须具有一定的不平衡度。 5阻抗三角形法6：与节点方程法类似，通过改变消弧线圈的电感值来计算系统的容抗。通常用在带有载开关调匝式消弧线圈的自动跟踪补偿装置中。此方