基于電力生產(chǎn)實際的配電網(wǎng)電容電流測試新方法

饒新亮，龔鶴騰，胡海寧，石英春，劉維可，田睿

(1．國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015；2．中南大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410208； 4. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著城市10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)智能化和智慧化的建設，10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)日益龐大，同時隨著供電服務質(zhì)量和現(xiàn)代化城市建設的需求增加，地下配網(wǎng)電纜的應用規(guī)模也逐年升高，部分城市已經(jīng)出現(xiàn)電容電流嚴重超標的現(xiàn)象[1-3]。

21世紀初，李中樹[4]提出利用消弧線圈補償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，測得電容電流的新方法，該方法在不影響電網(wǎng)正常運行的條件下快速且準確。2007年，李曉波[5]針對6～10 kV配電網(wǎng)，提出了單相經(jīng)電阻接地的測試方法并進行了微機型電容電流測試儀的研制。彭元慶和程洪錦基于改進注入信號的方法，提出了一種新的配電網(wǎng)電容電流測試方法[6]，研究結果證明該方法可以解決電網(wǎng)電壓不平衡時測量電容電流精度不高的問題，且簡化了測量步驟，提高了測量效率。周求寬[7]等人推導了電力行業(yè)標準中“三異頻等幅電流阻抗法”的正確公式，提出了將異頻電流注入電容器組中性點的新方法來測量電容電流，并分析了影響測量結果的不利因素。冉啟鵬和胡之榮等人[8]比較了幾種配電網(wǎng)電容電流的現(xiàn)場測試方法并完成了27個變電站10 kV / 35 kV系統(tǒng)電容電流的現(xiàn)場測試，對測試不當?shù)牡胤教岢隽烁倪M意見。曾祥君等人[9]提出在零序電壓互感器的開口三角側串聯(lián)可調(diào)電感的測試方法，并證明該方法的準確性和可靠性。

綜上所述，傳統(tǒng)電容電流測量方法繁雜多樣，在滿足試驗條件的情況下，都能完成電容電流的測試。但隨著安全生產(chǎn)和提質(zhì)增效要求的提高，目前電容電流測試方法逐漸不能滿足電力生產(chǎn)實際的需求。本文在總結現(xiàn)有電容電流測量方法的基礎上，分析各種測量方法在實際應用中存在的問題，并提出一種帶消弧線圈測量電容電流的方法，為各大儀器設備生產(chǎn)提供參考，并為消弧線圈控制器提供一個可參考的研究方向。

1 電容電流測試方法

根據(jù)測量信號源的劃分，可以將電容電流測量方法劃分為無源測量和有源測量[10-11]。無源測量主要根據(jù)系統(tǒng)的電壓和電流進行電容電流計算，有源則是通過外加的信號源、異頻信號進行測量[12-13]。

目前，無源法主要有單相金屬接地法、中性點外加電容法、偏置電容法，以及消弧裝置中運用最多的中性點位移電壓偏移法[14-15]；有源法主要采用外加異頻信號進行測量，主要有母線TV開口三角注入法、接地變中性點注入法、電容器組中性點注入法。

1.1 單相金屬接地法

10 kV不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，因三相電壓仍舊對稱，允許帶故障運行2 h[16-18]，此時接地點流過的故障電流即為系統(tǒng)對地電容電流之和。單相金屬接地法通過人工構造一個單相接地點，模擬不接地系統(tǒng)單相接地故障，測量接地點的故障電流，即可得到系統(tǒng)的電容電流[19]。

(1)

隨著電力生產(chǎn)對系統(tǒng)安全要求的提高，該測量方法在早期有所應用，但目前應用場合較少。人工構造單相接地故障后，非故障相的電壓將上升到線電壓，對10 kV系統(tǒng)絕緣造成積累性損傷。

1.2 中性點外加電容法

根據(jù)基爾霍夫定律可以得到式(2)：

(2)

化簡可得：

(3)

轉化后可得系統(tǒng)總對地電容C的大小為：

(4)

則，系統(tǒng)電容電流大小為：

IC=2πfC

(5)

1.3 偏置電容法

(6)

則系統(tǒng)電容電流大小為：

IC=2πfC

(7)

單相附加電容法是通過在電網(wǎng)某相對地之間接入一附加電容造成電容負載不對稱，產(chǎn)生零序電壓，測得零序電壓和流過附加電容器的電流后，通過計算來間接測量電網(wǎng)單相接地電容電流，但是測量誤差與外接電容的大小有關。此外，在人為接地的瞬間，電容的充電效應相當于在電網(wǎng)中產(chǎn)生了一個金屬性接地故障，不利于安全，還會在外接電容過大時對系統(tǒng)造成沖擊。

1.4 TV開口三角異頻信號注入法

三異頻法，也稱分頻法，如圖1所示。

圖1 TV開口三角異頻信號注入法

該方法通過在10 kV母線TV開口三角形側注入一個恒流源信號i0，則在一次繞組上感應出電流i1、i2、i3，三者幅值相位相同，i1=i2=i3=I0。

i0=(I0-iabc)N

(8)

式中：I0為一次側繞組零序電流；iabc為勵磁電流；N為電壓互感器變比。

勵磁阻抗遠大于電壓互感器阻抗，勵磁電流忽略不計，可以得到下式：

i0=I0N

(9)

在三相對地電容較為平衡的時候，零序電流I0不能在電源和負載之間流通，只能通過線路及線路的對地電容，構成回路，可得：

(10)

轉化一次側零序表達式：

(11)

式中：U0為TV一次側零序電壓；R=Ra/3=Rb/3=Rc/3，L=La/3=Lb/3=Lc/3，C=Ca+Cb+Cc。

最終得到下式：

(12)

由上式可知，有三個未知數(shù)，故通過TV開口三角形注入三個異頻信號，得到三個方程，即可得到10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)對地總電容為：

(13)

式中：ω1>ω2>ω3；zi=u0/i0(i=1，2，3)。

在TV開口三角形處注入異頻信號法優(yōu)勢明顯，相對于無源法，具有安全、易重復測量且對系統(tǒng)無沖擊影響的優(yōu)點。但是隨著電網(wǎng)的發(fā)展，該方法在電力生產(chǎn)現(xiàn)場受到很大的制約。首先，該方法需要試驗人員、繼電保護人員、運維人員等多工種人員配合，效率低下，難以達到提質(zhì)增效的要求。其次，目前大部分電壓互感器一次側中性線上裝有一次高阻消諧器，需要將一次消諧器短接(存在鐵磁諧振風險)，并將消弧線圈退出運行(存在單相接地無補償風險)，還需要一次檢修人員和調(diào)度人員的協(xié)調(diào)；測試過程中發(fā)生單相不穩(wěn)定接地時，若沒有消弧線圈的補償，可能引起系統(tǒng)的弧光接地過電壓；測量過程中，二次監(jiān)視回路及二次消諧處于退出狀態(tài)，失去絕緣監(jiān)視的作用。因此，在TV開口三角形側采用注入異頻信號法測量電容電流，在實際工作現(xiàn)場中難以奏效。

1.5 中性點異頻信號注入法

中性點異頻信號注入法分為接地變壓器(接地站用變壓器)中性點注入法和電容器中性點異頻信號注入法，兩種方法原理與TV開口三角注入法相似，均需拉開消弧線圈，且電容器組中性點注入法需要折算引入的電容值。

2 帶消弧線圈測量電容電流的新方法

采用傳統(tǒng)方法測量需調(diào)度允許，運維操作人員退出消弧線圈裝置后，電氣試驗人員方可測量。如果在TV開口三角側測量，還需要二次專業(yè)人員配合試驗接線、斷開二次消諧器及測量后的端子恢復。同時，如果TV中性點存在非線性高阻消諧器，還需一次專業(yè)人員進行短接，不符合電力生產(chǎn)實際要求。

因此，傳統(tǒng)電容電流測量方法涉及多專業(yè)、多工種人員的協(xié)調(diào)配合，工作效率和工作質(zhì)量不高，已經(jīng)不能滿足電力生產(chǎn)提質(zhì)增效的實際需求。針對目前現(xiàn)狀，電力試驗專業(yè)亟需一種電容電流測試新方法，新方法應滿足以下兩個要求：測量時無需退出消弧線圈裝置；可在接地變壓器中性點或電容器組中性點等便于測量的地方測試。

本文提出的帶消弧線圈測量系統(tǒng)電容電流新方法如圖2所示，在接地變壓器中性點注入一個異頻恒定電流I0，測量該點的電壓為U0。

圖2 接地變中性點測量法

(14)

式中：“//”表示并聯(lián)(以下“//”表示并聯(lián))；r為消弧線圈串接的阻尼電阻，一般在26 Ω左右；L為消弧線圈對應檔位下的電感；rC為接地變壓器中性點經(jīng)接地變壓器、母線、出線等回路電阻；LC為接地變壓器繞組電感；C為系統(tǒng)對地電容之和。

rC由于遠小于r，L遠大于LC，故式(14)可以簡化成：

(15)

令：

U0/I0=α-jβ

(16)

可得：

(17)

若注入三個異頻信號ω1、ω2、ω3，則可得：

(18)

對于上述三元二次方程，通過迭代算法可解得3個未知數(shù)r、L、C；若已知阻尼電阻r及消弧線圈對應檔位下的電感L，既可以驗證測量結果的準確性 ，也可以代入方程，快速求解。進而可得系統(tǒng)電容電流為：

IC=2πfCUN

(19)

對于求式(18)，除采用實部α求解外，還可以利用虛部β求解，只需要注入兩個異頻信號，就可得到4組方程。

帶消弧線圈測量電容電流，一方面不需要調(diào)度的許可和運維人員的現(xiàn)場操作，提高了工作效率，另一方面可以避免測量過程中系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的風險；試驗人員在接地變壓器中性點或電容器組中性點測量，則不需要二次專業(yè)、一次專業(yè)人員的配合，可進一步提高工作效率。綜上所述，新方法只需試驗專業(yè)人員參與，不需要其他專業(yè)的配合，大大提高了工作效率。

3 現(xiàn)場驗證

為驗證該新方法的正確性，開發(fā)出一套不帶消弧線圈測試10 kV系統(tǒng)電容電流的測試儀，測試儀基于式(18)，在接地站用變壓器或接地變壓器分別注入三次異頻信號，通過牛頓迭代算法求解電感L、系統(tǒng)對地電容C、阻尼電阻r等變量。測試儀在10 kV真型配電網(wǎng)試驗場進行實地測試。試驗場主要由1段10 kV母線、8回饋線、1臺接地變壓器構成。各饋線電容電流大小由對地電容模擬，通過改變10 kV饋線接入回數(shù)來改變系統(tǒng)電容電流大小。試驗場一次接線如圖3所示，電容電流測試結果見表1。

圖3 10 kV真型配電網(wǎng)試驗場一次接線圖

電容電流測試結果見表1，從表可知，隨著待測電容的增大，測試電容與標準電容的測試結果誤差變小，滿足電容電流的實測精度要求。

表1 帶消弧線圈測量電容電流的方法驗證結果

在110 kV新安、農(nóng)大、黑石變電站實測，電容電流實測數(shù)據(jù)與消弧線圈控制器測量值見表2。由表可知，帶消弧線圈測量系統(tǒng)電容電流的測量方法，測量值與實際值相近，相對偏差在要求范圍內(nèi)，符合電力生產(chǎn)實際需求。

表2 變電站現(xiàn)場測試結果

4 結論

隨著城市配網(wǎng)系統(tǒng)的擴大，尤其是電力電纜的應用，大城市電容電流的增長速度加快。本文從10 kV母線電容電流測量角度，分析目前電容電流儀器測量電容電流的原理和在電力生產(chǎn)實際中存在的局限性。最后，從電力生產(chǎn)實際的角度，提出一種帶消弧線圈測量電容電流的測量方法，并在10 kV真型配電網(wǎng)試驗場中進行驗證，其測量精度、準確度滿足電力生產(chǎn)的實際需求，可以實現(xiàn)電力生產(chǎn)提質(zhì)增效。