一種直流系統的系統電容在線測量方法

黃東山等

摘 要： 提出一種在直流電源系統中系統對地電容的測量方法。該方法可以在不影響直流電源系統正常運行的情況下，在線完成測量直流系統對地的各種參數，再根據各種參數計算出系統對地電容的大小。這種方法不需要改變直流電源系統的現有結構，也不需要系統處于停電狀態。該方法既安全又可靠，可應用于解決直流電源系統對地電容在線測量的問題。

關鍵詞： 直流系統； 系統電容； 在線測量； 對地電容

中圖分類號： TN95?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0132?03

An on?line measurement method of ground capacitance for DC system

HUANG Dong?shan1， ZHOU Wei1， LI Qiu?xia1， WANG Xiao?ming1， CHEN Hua?shou2

（1. Electric Power Research Institute， Guangxi Grid Company， Nanning 530001， China； 2. Guangzhou Qianshun Electronic Co.， Ltd.， Guangzhou 511430， China）

Abstract： A ground capacitance measurement method for DC power supply system is proposed in this paper. This method can complete the online measurement of various earthing parameters of DC system， without affecting the normal operation of DC power supply system. The system earthing capacitance values can be calculated according to various parameters. It is unnecessary for this method to change the existing structure of the DC power supply system， and neither require the system in a power down state. It is safe and reliable， and can be applied to the online ground capacitance measurement of DC power supply system.

Keywords： DC system； system capacitance； on?line detection； ground capacitance

0 引 言

直流系統對地電容的產生在變電現場中是無法避免的。直流系統對地電容主要由開關電源對地的濾波電容、屏蔽電纜的對地分布電容、抗干擾電容等組成。一般情況下，變電站的規模越大，直流系統對地電容也會越大。在現有的國家標準和電力行業中都有一個誤區，單點接地不會造成保護設備誤動。在傳統的認識中，都忽視了直流回路電容的存在，僅考慮了電路回路中電容的通交流隔直流的特性，但實際上由于直流系統直流系統對地電容的存在，一點接地同樣會引起保護設備誤動[1]。因此對現有運行的發電廠和變電站的直流系統對地電容的測量是很有必要的。據此提出直流系統接地故障引起保護誤動的防護措施，盡可能地減少甚至杜絕由于一點接地引起保護誤動的停電事故[2]。

根據廣東省電力科學研究院“直流控制電源接地引起保護誤動防護措施”研究結果，直流系統對地電容與一點接地故障導致保護裝置誤動的重要參數[3]，具體情況如表1所示。

目前，現有的檢測直流系統對地電容參數的方法和手段是非常有限。傳統方法有電容電橋法、放電法和交流信號注入法。電容電橋法需要將蓄電池、充電機退出直流系統，斷電測量。然而，這種停電的測量方法在很多場合下是不適用的。因為變電站、發電廠的直流電源系統都是為繼電保護、控制系統等提供操作電源的，所以完成系統電容測量的作業必須在直流電源系統不間斷供電的情況下完成測量。

顯然，電容電橋法測量直流電源系統的電容不可取。而放電法是利用電容自身充放電的特性，構成RC電路進行測量，根據電容兩端的電壓與時間的波形曲線獲取系統的電容值，放電法對放電時間的測量要求比較高，小電容放電時間短，大電容放電時間長。測量值偏差大，離散性差。而交流信號注入法是利用低頻信號發生器產生一個正弦波信號通過無極性電容耦合到直流系統的正極或者負極上，從而測量直流系統電容值的方法。而最新的電力行業標準中明確規定不宜采用低頻信號注入法[4]。由于直流系統一旦投入運行，終身服役。一般情況下，是無法退出運行狀態而測量系統對地電容的。而上述的3種測量方法均存在以上所述的不足，因此需要提出一種更為安全可靠的在線檢測直流電源系統對地電容的方法。

1 系統對地電容在線測量原理

1.1 直流系統等效電路

直流系統為變電站的繼電保護、控制系統、信號系統、自動裝置、UPS和事故照明等提供電源，其主要由蓄電池組、充電設備、直流屏等設備組成。在直流系統等效電路中去掉了與其無關的回路后，其等效電路如圖1所示，圖中[R+，][R-]分別為直流系統正對地、負對地絕緣電阻；[C+，][C-]分別為直流系統正對地、負對地的等效電容值。對地電容值的大小主要來自屏蔽電纜的分布電容和開關電源的對地濾波電容、抗干擾電容。其中[C+，][C-]為所述的測量參數。根據直流系統等效電路模型，選擇合適的測量方法和測量信號頻率，以達到測量系統對地電容[C+，][C-。]

1.2 測量信號頻率選取

隨著電網電壓等級的不斷提高，發電廠、變電站的容量不斷增大和規模范圍的擴大，屏蔽電纜對地的分步電容、開關電源對地的濾波電容和抗干擾電容也隨著增大。正常情況下，220 kV變電站的直流電源系統的系統對地電容在10～50 μF的范圍內比較多。如表2所示，不同的電容值在不同頻率下的響應特性。

根據南方電網最新規程關于平衡橋的要求[4]，220 V系統平衡橋（30±5） kΩ，110 V系統平衡橋（15±2.5） kΩ，結合表2中的數據，選取測量信號頻率為0.5 Hz最為理想，效果最好。

1.3 檢測方法

首先，在直流系統母線正極與大地或者負極與大地之間接入一個可變電阻，根據可變電阻的輸出特性，通過控制使可變電阻的輸出阻值以頻率0.5 Hz按照正弦函數的方式變化，因此系統母線對地的電壓也在某一范圍內以頻率0.5 Hz按照正弦函數的方式發生變化，產生的電流i也符合頻率0.5 Hz的正弦函數關系。因此直流系統等效電路如圖2所示的[RC]電路模型。圖中[Ri]為直流系統正對地電阻[R+、]負對地電阻[R-]的并聯值，[ZC]為直流系統母線對地的容抗，系統母線對地電容等于正對地電容[C+、]負對地電容[C-]的并聯值。該檢測信號的電流i與RC的阻抗有關。

圖2 檢測等效電路圖

然后通過測量計算出該電流[i]的相位[tanθ]的大小，再根據[tanθ]與輸入阻抗[Ri、]容抗[ZC]的關系，計算出系統容抗[ZC]的大小，從而可以得出系統對地電容的大小。

[Ri=R+∥R-] （1）

[C=C++C-] （2）

[ZC=1（2πfC）] （3）

[tanθ=RiZC] （4）

根據南方電網、國家電網關于直流電源技術規范中的規定[4]，電壓的瞬時波動不大于10%的直流額定電壓。先根據正負母線對地電壓偏差的關系，將可變電阻接入對地電壓高的一極，再通過控制可變電阻的輸出阻值范圍，使測量過程中母線對地電壓瞬時波動小于10%的額定電壓的要求。

根據式（1）可以知道還要測量直流系統正極對地、負極對地電阻的大小。再通過一定的電阻網絡測量直流系統正極對地電壓、負極對地電壓可以準確地得出直流系統正極對地電阻[R+、]負極對地電阻R-大小。從而得出[Ri]的大小

[Ri=R+∥R-=R+R-（R++R-）] （5）

1.4 計算公式推導

根據式（1），式（3）和式（4）可以得出：

[C=tanθ（2πfRi）] （6）

再根據式（5）和式（6）可以推導出系統電容值為

[C=（R++R-）tanθ（2πfR+R-）] （7）

式中：π=3.141 592 6；[f=]0.5 Hz；而[tanθ，][R+，][R-]也為已知量。根據公式（7）就可以得出系統電容[C]的值。即系統電容：

[C=C++C-=（R++R-）tanθ（πR+R-）] （8）

這就是計算系統對地電容的數學計算公式。

2 測量系統的組成

2.1 硬件結構

按照上述所說的測量原理，采用以Cortex?M3為核心的STM32系列的單片機作為核心處理器[5]，時鐘頻率高達72 MHz，AD/DA采用單片機自帶的1 μs的雙12位ADC，可以實現高速、高精度A/D轉換。該測量系統的硬件結構如圖3所示。

首先，該測量系統硬件結構主要由電源模塊、主CPU處理器、顯示單元、D/A轉換單元、可調電阻單元、橋電阻控制電路單元、橋電阻電路、電壓電路取樣單元、A/D轉換單元組成。通過輸入端口直接與直流系統母線相連接，在線測量直流系統母線對地電容的參數。

然后通過橋電阻控制、橋電阻單元和電壓取樣、A/D轉換單元進行系統絕緣狀況的測量，即[R+，][R-]的大小。再通過D/A轉換、啟動可調電阻單元輸出和經過電流取樣、A/D轉換單元進行電流信號的大小、相位的測量，從而根據式（8），計算出直流系統對地的系統電容值，并在人機界面上進行顯示。

2.2 軟件流程

軟件流程如圖4所示，首先對STM32系列的單片機進行初始化，系統正常運行后，經過電壓取樣單元、A/D轉換單元進行直流系統正極對地電壓、負極對地電壓的測量，準確計算出直流系統正極對地電阻[R+、]負極對地電阻[R-]的大小，然后根據正負極對地電阻的大小，將可調電阻接入電阻大的一極，再啟動可調電阻的輸出，通過電流取樣單元、A/D轉換單元進行測量并計算出測量信號電流的大小和相位關系。最后根據計算式（8）就可以計算出直流系統母線對地電容值的大小。

3 測量結果的分析

為了驗證該測量方法的正確性，按照圖1所示的等效電路模擬測量。選用不同的[C+，][C-]電容值進行實際測量，實際測量數據結果如表3所示。

從表中的數據可以看出：在1～50 μF范圍內，除了小電容測量偏差相對大些外，其他的測量值與標稱值比較接近。測量的結果與標稱值存在一定的偏差，最主要的原因是電容的標稱值與真實值也存在偏差造成的。但測量值與電容的標稱值相差小于2 μF。每組數據都重復測量了10次，每組數據的最大值和最小值相差不超過1 μF。即極差小于1 μF。測試的數據離散性較好。

4 現場應用

為了對上述的理論和測量方法進行現場應用驗證，在A市的10個變電站進行了實際測量試驗。并記錄了應用的試驗數據，如表4所示。

從以上的測試結果來看，不難發現，220 kV及以下電壓等級的變電站直流系統對地電容值普遍為10～50 μF。個別站的絕緣裝置內部有對地濾波電容，運行中增加了系統對地電容。在現場應用中，帶電測量系統對地電容過程設備運行正常。

5 結 論

為了滿足變電站對地電容在安全范圍內運行，杜絕由于變電站直流系統母線對地電容過大 ，導致由于一點接地引起保護設備誤動，因此電力系統對變電站中直流系統母線對地電容的測量是很有必要的，了解變電站直流系統對地電容參數情況，據此提出防范措施。本文提出的這種測量方法經過現場應用的測試試驗，可以有效地解決直流電源系統在帶電的情況下系統對地電容測量的難題。

參考文獻

[1] 李建芳.直流回路對地電容對系統安全的分析[EB/OL].[2010?11?09].http：//wenku.baidu.com.

[2]王堅敏.直流回路一點接地引起保護誤動的實例分析[J].電力系統保護與控制，2003（z1）：65?68.

[3] 梅成林.防止一點接地故障引起保護誤動的五項具體措施[J].直流電源技術，2011（6）：65?67.

[4] 中國南方電網有限責任公司.中國南方電網有限責任公司企業標準[S].廣州：中國南方電網有限責任公司，2013.

[5] 佚名.STM32F103xE 數據手冊[M].STM32F103xE Datasheet，January，2010.

[6] 李偉.對鄂電工程220 kV總降變控制電纜分布電容影響斷路器跳閘的分析[J].西北電建，2006（2）：36?38.

[7] 高旭，胥桂仙，孫集偉，等.一起典型的500 kV失靈保護誤動分析[J].電力系統自動化，2007，31（8）：104?106.

[8] 楊新華.直流系統一點接地導致繼電器誤動的分析[J].紅水河，2013（1）：69?71.