補償電網接地電流在線跟蹤測量新方法

唐 軼，齊敦金，羅建鋒，劉建華

（1.中國礦業大學信息與電氣工程學院，徐州 221008；2.中國長江三峽集團公司機電工程部，宜昌 443000）

諧振接地系統的準確、快速自動調諧控制是影響發生接地故障時有效消弧的主要因素。已有多種消弧線圈調諧控制方法：位移電壓極大值法［1］、阻抗三角形法［2］、相位調諧方法［3］、兩點解析法［4］、注入信號法［5～7］、諧振法結合曲線擬合法［8］、負序電流分量極小值調諧法［9，10］等，它們各有其特點。如：位移電壓極大值法［1］、阻抗三角形法［2］、相位調諧方法［3］調諧時需要消弧線圈不斷調檔，這將大大縮短調檔所用機械元件（如有載開關）的壽命，并且，只適用于“預調諧”消弧線圈，不能給出脫諧電流或是電容電流的值；兩點解析法［4］、注入信號法［5～7］、諧振法結合曲線擬合法［8］直接測量出電網的接地電容電流，因此既可適用于“隨調諧”，也可適用于“預調諧”消弧線圈，但調諧時也要求消弧線圈多次操作，同樣會縮短調檔所用機械元件的壽命，并且不能連續對電網的脫諧電流或是電容電流的值進行監視，因此調諧測量裝置對電網零序參數（線路操作）的變化需要有個正確判斷，以便重新測量；由于負序電流不只是單相接地故障才產生，負荷不對稱、斷線故障等均可產生，因此負序電流分量極小值調諧法難以實際用于消弧線圈的主調諧控制，只能作為其他調諧控制方式的輔助［11］；位移電壓極大值法［1］、阻抗三角形法［2］、兩點解析法［4］、諧振法結合曲線擬合法［8］適用于中性點自然偏移電壓較高（0.5%以上）的電網，而純電纜電網（如煤礦）中性點自然偏移電壓較低，一般在0.2%以下，有些煤礦電網只有0.02%。對于這些電網，以上調諧方式控制的消弧線圈安裝時就要給電網添加一個不平衡，如接地變壓器三相繞組不平衡、在電網的某一相加一個電容等。

本文提出一種適合于純電纜電網和電纜架空線混合電網的接地電流在線測量方法，它既適用于“預調諧”，也適用于“隨調諧”消弧線圈的調諧控制，具有測量方法簡單、測量時不需要任何伴隨操作、僅需要一個測量量、可連續重復測量、測量精度高等優點。

1 接地電流測量原理

圖1為中性點經消弧線圈接地電網等值電路［12］。對隨調式消弧線圈，L為消弧線圈輸出初始補償電流時的等效電感值，對預調式消弧線圈，L為消弧線圈當前輸出補償電流時的等效電感值；C∑＝CA＋CB＋CC，CA、CB和CC分別為電網三相對地電容；g∑為電網三相對地總電導，g∑＝1／rA＋1／rB＋1／rC；gL＝1／RL，RL為消弧線圈損耗和阻尼電阻（預調式消弧線圈有）的總等效電阻。

圖1 配電網等值電路Fig.1 Equivalent circuit of distribution networks

在電網未接入小電容ΔC的自然狀態下，電網正常運行的零序電壓為

安裝消弧線圈時，在參考相（A相）接入一個小電容ΔC，并考慮ΔC?C∑，則電網的零序電壓為

對于電纜電網，由于˙U00相對于˙U0很小，接近于零，可以忽略，則得

取實部得

小電容ΔC所加的某相與所取的線電壓參考相量必須保證一個“相應的”關系，即要保證ΔC所加相的˙Eφ超前參考相量90°，這就保證Re（˙Eφ）＝0，Im（˙Eφ）＝Eφ，其中φ為A、B和C見圖2。

圖2 相量圖Fig.2 Phasor

式（5）兩邊同乘額定相電壓可得接地電流中電容電流分量（用于“隨調式”消弧線圈的控制）得

接地電流中脫諧電流分量（用于“預調式”消弧線圈的控制）為

同樣，式（3）取虛部并乘以額定相電壓得接地電流中有功（阻尼）電流分量為

式中：u0（k）為電網零序電壓的采樣值；N為一個工頻周期T的采樣點數；UφN為額定相電壓。

2 理論測量誤差

式（6）～式（8）是假設電網自然的零序電壓U00＝0由（3）推得的，實際電網不可能絕對對稱，U00不可能為零，因此，這將產生測量誤差［12］。考慮U00由式（2）得

式（9）減式（3）得絕對誤差為

因此有

脫諧度相對誤差為

阻尼率相對誤差為

3 ΔC的確定［12］

由式（1）和式（2）得

對隨調式消弧線圈，Id≈0，由此得

對預調式消弧線圈，Iυ≈0，由此得

例如：對一10 k V接地電流約為45 A（C∑＝24.8μF）的配網，安裝一臺補償電流下限值為15 A“隨調式”消弧線圈，電網的自然零序電壓為0.1%，希望測量誤差在5%以內，則可取：ΔC＝μF，這時，電網正常運行（電網接入ΔC的零序電壓標幺值為U＊0＝0.1%×（1＋1／0.05）＝2.1%。再如：對一10 k V接地電流約為45 A的配網，安裝一臺阻尼電流為15 A“預調式”消弧線圈，自然不平衡電壓為0.1%，希望測量誤差在5%以內，則可取這時，電網正常運行的零序電壓標幺值為U＊0＝0.1%×（1＋1／0.05）＝2.1%；若同樣取ΔC＝0.331μF，則零序電壓為4.2%，測量誤差在2.5%以內。

以上兩例也可看出，該測量方法比較適合于自然零序電壓相對較低的電纜電網或電纜架空線混合電網，當自然零序電壓在0.5%以內，要求測量誤差在5%以內的條件下，電網正常運行的零序電壓可控制在10%以內。提高測量精度和降低電網正常運行時的零序電壓是一對矛盾，顯然，自然零序電壓越低越有利于該測量方法提高測量精度和降低電網正常運行時的零序電壓，因此，它最適合于純電纜電網，也適用于電纜架空線混合電網壓。

4 模擬試驗

用該測量方法研制（用SEED＿TMS320C2812MV2.1板開發）的諧振接地系統調諧裝置在660 V（煤礦井下電壓等級）低壓模擬電網（如圖3所示）進行了調諧測量試驗。模擬電網有3條線路，分布電容分別為每相8μF、6μF和4μF。為保證分析精度，實測了線電壓為696 V時，它們的單相直接接地電流ICA分別為3.17 A、2.39 A和1.61 A。用一臺額定電壓10.5 k V、額定補償電流為50 A（696 V時為3.3 A）、下限補償電流15 A（696 V時為0.99 A）的消弧線圈（三相五柱直調電感式消弧線圈）進行試驗。消弧線圈補償電流的有功分量不便精確測量，模擬“預調諧”控制時在消弧線圈的二次并聯8Ω，按一、二次電壓比計算等效在一次中性點對地加160Ω，即該電阻的阻尼電流約2.5 A。試驗時在A相加ΔC＝0.22 μF，分別投入K3、K2和K1，調諧裝置自動分別測得數據（只能顯示小數點后1位）如表1（隨調諧）和表2（預調諧），其中，ICC、δCA和δCC分別為測量電容電流、電容電流理論分析相對誤差和測量相對誤差。由于阻尼電流值不易精確測量，因此，沒有分析阻尼電流誤差。表1和表2證明，式（6）～式（8）、式（12）、式（13）、式（15）和式（16）的正確性，表中有些電容電流測量相對誤差偏高是由于調諧控制器只能顯示測量值的小數點后一位產生的誤差和測量采樣（16位AD）誤差所至。圖4是每相8μF，即接地電容電流為3.17 A“隨調式”消弧線圈全補償的示波器錄波形。圖中4條曲線從上到下依次為零序電壓、補償電流、電容電流和接地電流，分別從圖3中PT開口三角（電壓探頭）、CT1、CT2和CT3（電流探頭）處測得。接地方式采用手搖間隙，由于試驗電壓低，接地電流小，接地電弧難形成，因此這里的“間隙KJ”采用2個“尖端”，電弧持續時間很短。由圖4可見，補償效果很好。

圖3 模擬試驗電路Fig.3 Test circuit for simulation

圖4 示波器試驗波形Fig.4 Test waveforms recorded by oscilloscope

表1 “隨調式”消弧線圈試驗數據Tab.1 Test data of follow－tuning arc－suppression coil

表2 “預調式”消弧線圈試驗數據Tab.2 Test data of pre－tuning arc－suppression coil

5 結語

本文從測量原理、誤差分析和ΔC的選擇闡述了補償電網接地電流在線跟蹤測量方法。該方法的優勢在于只需監視電網一個量的變化，并且，測量時無需任何伴隨操作，便可較精確地知曉電網接地電流中的電容（脫諧）電流和有功（阻尼）電流的變化，她們是消弧線圈調諧控制所需的兩個不可或缺的參數；試驗證明，該方法測量精度較高；該方法很易用單片機實現。該方法研制的控制器已用于“三相五柱直調電感式消弧線圈”的控制，現場運行證明了該方法測量調諧控制的有效性。

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