一種中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流測(cè)試裝置

吳冕之，林美玲，王瑞果

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)供電局，貴州 貴陽(yáng) 550002；2. 貴州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引 言

電力設(shè)備在制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)絕緣缺陷，并會(huì)在外施電壓作用下不斷發(fā)展進(jìn)而可能導(dǎo)致?lián)舸?，使設(shè)備失去絕緣性能[1-3]。因此，如何及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備內(nèi)部存在的絕緣缺陷，是狀態(tài)檢修的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)能力和商業(yè)發(fā)展空間的擴(kuò)大，供電網(wǎng)絡(luò)不斷增容擴(kuò)大，城市內(nèi)配網(wǎng)普遍使用電纜供電方式。電纜供電線路比架空網(wǎng)絡(luò)對(duì)地分布電容效應(yīng)顯著增大，電網(wǎng)分布電容電流也隨之增加。因單相接地故障，弧光過(guò)電壓容易引起設(shè)備絕緣擊穿事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)的故障主要是由于線路單相接地時(shí)電容電流過(guò)大而無(wú)法自行息弧而引起的。因此，我國(guó)的電力規(guī)程規(guī)定，當(dāng)10 kV和35 kV系統(tǒng)電容電流分別大于30 A和10 A時(shí)，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈補(bǔ)償電容電流。另外，配電網(wǎng)的對(duì)地電容和PT配合會(huì)產(chǎn)生PT鐵磁諧振過(guò)電壓。為了驗(yàn)證該配網(wǎng)系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生PT諧振及其他性質(zhì)的諧振，必須準(zhǔn)確測(cè)量配電網(wǎng)的對(duì)地電容電流[4-6]。

目前，在進(jìn)行中性點(diǎn)電容電流測(cè)量時(shí)，須由測(cè)試人員手持絕緣桿，使用分立儀表讀出測(cè)試數(shù)據(jù)。這種測(cè)試方法存在工作量大、儀表體積重量大、使用不便等問(wèn)題。另外，試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試人員與帶電部位僅通過(guò)絕緣桿隔離，存在很大的安全隱患。

在中性點(diǎn)外加電容法的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合近幾年電力電子元器件的最新發(fā)展成果，運(yùn)用新器件新方式研制了一套中性點(diǎn)電容電流測(cè)試裝置，并采用遙控機(jī)械臂遙控測(cè)試終端方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試人員與帶電部分的電氣隔離。理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該裝置能夠顯著提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方便性和安全性，并具有較高的測(cè)量精度，能在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)有效提供安全保護(hù)，保障被測(cè)配網(wǎng)系統(tǒng)的安全。

1 中性點(diǎn)電容電流測(cè)量原理

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電容電流測(cè)試儀測(cè)量采用間接測(cè)量法中的中性點(diǎn)外加電容法來(lái)測(cè)量配網(wǎng)的電容電流[7-8]，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)外加電容法測(cè)量原理

圖1 中，CA、CB、CC分別為被測(cè)系統(tǒng)的三相對(duì)地電容。由于CA≠CB≠CC，所以主變壓器被測(cè)系統(tǒng)側(cè)的中性點(diǎn)對(duì)地必有一個(gè)不對(duì)稱電壓UHC存在。若將外加電容C0的一端接地，另一端接于主變壓器被測(cè)系統(tǒng)側(cè)的中性點(diǎn)，則按等效發(fā)電機(jī)原理，可簡(jiǎn)化為如圖2所示的等效電路。

圖2 中性點(diǎn)接C0后的等效電路

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電容器上的位移電壓U0，并通過(guò)式（1）計(jì)算出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電容和電容電流值。

2 自動(dòng)伸縮遙控接線臂

為降低測(cè)試人員搭接絕緣桿時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，本課題組研制了一套自動(dòng)伸縮遙控接線臂[9-10]。該接線臂可安裝于伸縮絕緣桿上，由單人操作，靈活遙控鉗口的開合、旋轉(zhuǎn)、俯仰，以替代人工完成繁重的測(cè)試引線夾持、拆除等工作任務(wù)，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。圖3為遙控機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原理圖。當(dāng)機(jī)械臂接收到無(wú)線遙控器發(fā)出的信號(hào)時(shí)，能靈活地開合、旋轉(zhuǎn)和俯仰。

圖3 遙控機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原理圖

圖3 中，1為固定基座，連接高空接線鉗并支撐機(jī)械臂；2為旋轉(zhuǎn)軸，內(nèi)置電池、控制電路、接收器、步進(jìn)電機(jī)，可360°旋轉(zhuǎn)；3為咬合鉗座，支撐咬合鉗并可180°旋轉(zhuǎn)；4為定位銷，定位咬合鉗口；5為咬合鉗A，在咬合座上滑動(dòng)，最大咬合力100 N；6為滑動(dòng)螺桿，為咬合鉗提供咬合動(dòng)力；7為咬合鉗B，在咬合座上滑動(dòng)，最大咬合力100 N。圖4為咬合鉗示意圖。

圖4 咬合鉗示意圖

將設(shè)計(jì)的機(jī)械臂連接測(cè)試線，并安裝在可自動(dòng)伸縮的絕緣伸縮桿上，即可應(yīng)用在電容電流測(cè)試中。試驗(yàn)過(guò)程由測(cè)試人員遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行，有效降低了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度。圖5為自動(dòng)伸縮遙控接線臂的實(shí)物圖。

圖5 自動(dòng)伸縮遙控接線臂實(shí)物圖

3 測(cè)試裝置研制

3.1 測(cè)試主機(jī)

測(cè)試主機(jī)通過(guò)高壓電容連接到中性點(diǎn)，主機(jī)的測(cè)量對(duì)象（中性點(diǎn)）是帶電的，中性點(diǎn)電壓最高可超過(guò)1.5%的系統(tǒng)相電壓，對(duì)于35 kV系統(tǒng)電壓為100～300 V。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地并上升到系統(tǒng)相電壓時(shí)，對(duì)于一次設(shè)備集中、空間狹小的工作區(qū)域，需要保證人員不碰觸帶電設(shè)備，并測(cè)量主機(jī)的絕緣電壓等級(jí)達(dá)到系統(tǒng)相電壓。測(cè)量主機(jī)要求全絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并提供高壓熔斷保護(hù)機(jī)制，主機(jī)內(nèi)部帶鋰電池組，不用外接電源，利用無(wú)線通信手段連接手持終端，保證測(cè)試人員與高壓電的安全距離。

測(cè)試主機(jī)主要由微處理器、電壓信號(hào)處理單元、標(biāo)準(zhǔn)電容器組、高壓熔斷器、無(wú)線模塊、存儲(chǔ)器、顯示器和電源部分組成。

微處理器使用意法半導(dǎo)體（ST）公司出品的32位ARM微控制器，內(nèi)核是Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz，主要完成信號(hào)的采集（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)，顯示、信號(hào)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

電壓（電流）信號(hào)放大單元使用美國(guó)ADI公司的OP213運(yùn)算放大器，采用4～36 V單電源供電，可以維持低噪聲和精密性能。典型增益帶寬積為3.4 MHz、壓擺率超過(guò)1 V/μs、噪聲密度極低，為4.7 nV/√Hz。不僅可保證輸入失調(diào)電壓性能，而且能保證失調(diào)電壓漂移低于 0.8 μV/℃。

無(wú)線模塊采用挪威Nordic公司的nRF905無(wú)線芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段，能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，不需要昂貴的高速M(fèi)CU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時(shí)鐘覆蓋，降低了MCU存儲(chǔ)器需求。

存儲(chǔ)器采用美國(guó)ATMEL公司的AT45DB161D閃存芯片，大大減少了可用引腳數(shù)量，同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性，降低了開關(guān)噪聲，縮小了封裝體積。芯片有充足的存儲(chǔ)空間，可以保存大量數(shù)據(jù)。

顯示器為手持終端顯示器，采用帶觸摸的3.5寸工業(yè)串口屏，可適應(yīng)惡劣環(huán)境、強(qiáng)磁干擾和戶外等工作場(chǎng)合。

電源部分為內(nèi)部供電電源，使用大容量鋰聚合物電池，一次充電可連續(xù)工作3 h左右。采用ASM1117穩(wěn)壓器，提供完善的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，輸出電壓和參考源精度為±1%。

3.2 手持測(cè)試終端

通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)與測(cè)量主機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)遙控主機(jī)測(cè)量，接收存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，設(shè)定主機(jī)測(cè)量參數(shù)等。在變電站內(nèi)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，可靠通信距離大于30 m，改變了以往需人員直接操作主機(jī)測(cè)試的模式，增加了人員的工作安全性。

3.3 軟件及算法

波形采樣率為10 kHz/s，即每個(gè)信號(hào)波形1 s采樣10 000個(gè)點(diǎn)，每周期200個(gè)點(diǎn)，并通過(guò)FFT技術(shù)分離出實(shí)測(cè)波形的基波分量和各次諧波分量。

通過(guò)阻容濾波電路，對(duì)經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換器后得到的離散化數(shù)字信號(hào)序列f(n)進(jìn)行濾波，并根據(jù)截止頻率與電路電阻、電容的數(shù)值關(guān)系計(jì)算RC值帶入差分方程，最終得到經(jīng)低通濾波的信號(hào)序列。

3.4 自動(dòng)伸縮遙控接線臂

傳統(tǒng)測(cè)量時(shí)，測(cè)試人員需手持絕緣棒連接高壓電纜，將其金屬頭碰觸中性點(diǎn)母線，以測(cè)量三相對(duì)地不對(duì)稱電壓UHC和位移電壓Uo。整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，人員一直在測(cè)試位置附近，有一定的危險(xiǎn)性。使用伸縮遙控接線臂后，整個(gè)作業(yè)過(guò)程均通過(guò)操作人員遠(yuǎn)程遙控完成，不需要通過(guò)絕緣工器具接觸帶電位置即可完成測(cè)試工作，有效保障了工作人員的人身安全。

3.5 裝置結(jié)構(gòu)及工作流程

測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)量主機(jī)、接收終端和遙控接線臂組成。測(cè)試人員開啟主機(jī)電源，接好低壓線路后即可離開測(cè)試區(qū)，然后通過(guò)操作遙控接線臂接好測(cè)試線，操作手持終端遙控主機(jī)，主機(jī)自動(dòng)采集電壓信號(hào)并處理，最終測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊傳送到接收終端。測(cè)試人員可以操作手持終端控制主機(jī)復(fù)測(cè)，讀取數(shù)據(jù)并結(jié)束測(cè)試，如圖6所示。

經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流測(cè)量裝置有較高的測(cè)量精度，不僅能準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)電流，還有效實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員與帶電母線的電氣隔離，顯著提高了該作業(yè)項(xiàng)目的工作效率和安全性。

4 結(jié) 論

本文研制了一套中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流測(cè)量裝置，通過(guò)模塊化集成，有效解決了原來(lái)使用分立儀表接線的體積大、重量大、使用不便的問(wèn)題。通過(guò)伸縮遙控接線臂和手持終端遠(yuǎn)程控制的方式，解決了高電壓隔離的問(wèn)題。測(cè)試人員遠(yuǎn)離高壓測(cè)試區(qū)，操作遙控終端接線即可完成測(cè)試工作，不需要通過(guò)絕緣工器具接觸帶電部位，有效保障了現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全。

圖6 裝置整體結(jié)構(gòu)及接線示意圖