中性點注入三頻法電網電容電流測量

趙 威，徐永強，郭曉霞（國網隨州供電公司，湖北 隨州 44130 0）

中性點注入三頻法電網電容電流測量

趙 威，徐永強，郭曉霞
（國網隨州供電公司，湖北 隨州 44130 0）

常用的三頻法測量電網對地電容是通過電壓互感器二次側開口三角端注入頻率不同、幅值恒定的電流信號，測量注入電流和反饋電壓，通過建立方程組來求解出系統對地電容值。但是這種方法受電壓互感器漏電阻、漏電感的影響，測量的誤差較大、測量的范圍較小。本文基于替代消弧線圈的有源全補償消弧裝置提出一種改進方法，即中性點注入三頻法。本文詳細分析了中性點注入三頻法的測量原理，選取不同注入頻率，對兩種電容電流測量方法進行對比仿真驗證。仿真結果表明，改進后的測量方法較原方法具有測量精度高、對電網影響 小的特點。

電容電流；有源全補償消弧裝置；中性點注入三頻法

1　引言

我國中、低壓配電網以中性點不接地或經消弧線圈接地為主。隨著經濟的發展，供電負荷密度、供電范圍快速擴大。電纜線路的廣泛應用使得配電系統對地容性電流進一步增大，當線路發生單相接地故障時，流過接地點容性電流增大，接地電弧不能自熄，極易產生間隙性弧光接地過電壓，持續時間一長，在線路絕緣薄弱點還會發展成兩相短路事故［1］。我國電氣設備設計規范規定，當接地電容電流超過一定值時要采用中性點經消弧線圈接地方式。因此，測量配電網系統對地電容電流一方面有助于繼電保護數值的整定，另一方面亦可為選擇消弧線圈容量提供依據，所以準確測量配電網電容電流的大小尤為重要。

傳統的電容電流測量有直接法和間接法兩類。直接法是單相金屬接地法［2］，該方法因操作接線復雜、對測量人員和配電系統均存在一定的安全隱患已遭棄用。間接法主要有人工中性點法、偏置電容法和信號注入法［3］。相比傳統的間接測量法，三頻法整個測量過程均在系統的二次側進行，操作人員的安全能夠得到保證，且測量不影響電網的正常運行，是目前測量電網電容電流的主要方法。但是該方法受電壓互感器漏電阻、漏電感影響較大，測量結果會受到較大影響，且測量范圍較小。此外，對于安裝了消諧電阻的電壓互感器需要先退出消諧電阻方能測量，操作麻煩。

為了克服互感器開口三角側注入三頻法的局限性，本文基于有源全補償裝置提出了一種改進的信號注入法——中性點注入三頻法，通過與傳統的電壓互感器副邊注入法對比，給出了其測量原理：不通過電壓互感器，直接向系統中性點注入三個幅值恒定、不同特定頻率的信號，通過分析反饋信號從而計算出系統對地電容電流。

2　中性點注入三頻法電容電流測量分析

2.1傳統三頻法電容電流測量原理

如圖1所示為傳統的三頻法測量原理圖。

圖1　三頻法測量原理圖

圖中i0為注入信號；虛線框為電壓互感器（PT）， L、N為其開口三角側輸入端，LA、LB、LC為其高壓繞組，匝數n1，La、Lb、Lc為其低壓繞組，匝數n2；i1、i2、i3為感應三相電流；CA、CB、CC為三相電容。

若在圖中的L、N端注入一恒定電流i0，則在電壓互感器高壓側分別感應出三相電流i1、i2、i3，通過PT高壓側與電網對地電容構成回路。高、低壓電流關系如式（1），其中ia、ib、ic為互感器勵磁感應電流。

PT的等值電路如圖2所示。圖中Zm為勵磁阻抗， XL為互感器漏抗，R為繞組電阻和漏電阻之和。PT勵磁阻抗一般為兆歐級、漏抗為千歐級，而R一般很小，所以勵磁阻抗遠大于R和XL之和。故近似認為ia、ib、ic為0。

圖2　三頻法等效電路圖

由母線 PT 的開口三角形側注入一個恒定電流i0就會在 PT 的高壓側產生三個幅值相等、相位相同的電流i1、i2、i3，且它們會在 PT三相繞組的漏阻R、漏抗XL和導線對地電容C中產生壓降。通常PT的三相參數是對稱的，而且三相系統對地電容CA、CB、CC也是基本相等的，因此三相電流i1、i2、i3分別在三相 PT 與系統對地電容間產生的壓降Ui是基本相等的，此刻在 PT 開口三角形側可以得到一個零序電壓U0，該電壓值就等于3倍的Ui·n2/n1。從上述的分析中可以得出從 PT 開口三角形端注入i0測量得到的 U0為：

式中C—系統單相對地電容。

由式（2）可知，式中有R、XL、C三個未知量，因此為了求出單相對地電容C，需要向PT開口三角側注入三個頻率分別為f1、f2、f3的恒流信號，在開口三角側測得三個零序電壓Uoi（i=1，2，3），由式（2）

可得：

從式（4）可知，通過向PT開口三角側注入三個不同頻率的電流信號可以計算出系統對地電容值，通過式（5）即可計算出系統對地電容電流值i。

式中C0—系統三相對地電容；

E—系統單相電勢。

從上述分析可知該方法計算電容電流誤差主要來源為：互感器漏阻和漏抗變化、互感器一次側和二次側進行歸算、不同的注入頻率組合、較大的電容測量范圍、電壓測量值不準確等。

2.2中性點注入三頻法測量原理

圖3所示為中性點注入三頻法測量原理圖，i0為注入信號；UA、UB、UC為三相電源，CA、CB、CC為三相等效電容，i1、i2、i3為i0三相分流。

圖3　中性點直注入三頻法測量原理圖

從中性點注入電流i0，則在三相電路中分別感應出電流i1、i2、i3，通過線路零序阻抗、分布電容對地構成回路，A相等效電路如圖4所示。

圖4　中性點注入三頻法A相等效電路圖

由圖4，根據基爾霍夫定律（KCL）定律可得，

其中ω為注入的信號角頻率，

同理，B、C相有

當系統處于平衡狀態時，三相電阻、線路等效電感及分布電容基本相等，即有：

由式（10）可知，式中有R、XL、C三個未知量，因此為了求出單相對地電容C，需要向中性點注入三個頻率分別為f1、f2、f3的恒流信號i0k（k=1，2，3），在系統中性點可測得三個零序電壓U0k（k=1，2，3），U0k與i0k的對應關系如式（10）所示。

其中ω=2πfk，k=1，2，3

在不同注入頻率下的線路阻抗Zk如式（12）所示。

由式（7）即可求出單相對地電容C， 如式（9）所示。

通過式（10）即可計算出系統對地電容電流值i。

式中C—系統三相對地電容；

f—系統頻率，我國為50Hz

E—系統單相電勢。

上述分析可知中性點注入三頻法具有如下點：

（1）操作方法簡單。電壓互感器副邊一般加裝有小的消諧電阻，傳統的電壓互感器副邊注入三頻法需要退掉消諧電阻，否則消諧電阻會引起分流，降低測量精度。而從中性點直接注入三頻法，沒有了消諧電阻，操作起來更為簡單。

（2）測量結果精確。互感器副邊注入三頻法計算時，互感器漏抗和漏阻發生微小變化，都會影響計算精度。而中性點注入時，電阻R0和電感L0是線路零序電阻和零序電感，對于一段固定規格和長度的線路，其電阻和電感值是基本保持不變的，且在計算過程中省略了一次側到二次側的歸算過程。

（3）測量范圍擴大。隨著電網電容的增大，三頻法所測得的電壓逐漸變小，而中性點注入三頻法所測得的電壓要大的多，因此測量數據的精度要更高，所能測量電容值的范圍擴大。

3　仿真分析

在MATLAB中搭建仿真模型，該系統為一個有3條線路的35KV/10kV變電所，變壓器為Y/Y0形接線，線路的正序阻抗為z1=（0.013+j0.047）Ω/km；零序漏阻、漏抗為z0=（0.39+j0.21）Ω/km；三條線路長度均為15km。傳統三頻法測量和計算結果如表1、表2所示。電壓互感器的、高低壓側變比n1:n2=20。取系統對地電容分別為0.4uF、3uF、6uF、7.5uF，注入頻率為1A，頻率分別為15Hz、 20 Hz、40 Hz、60 Hz、80 Hz、180 Hz。

表3、表4為中性點直接注入三頻法測量結果和計算結果。其中變壓器副邊零序阻抗；取系統對地電容分別為0.6uF、3uF、6 uF、12 uF、30 uF，注入電流幅值為1A，頻率分別為15Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、60 Hz、70 Hz、80 Hz、180 Hz。測量和計算結果如表3、表4所示。

表2中“--”表示無法計算，這是由于根據式（4）計算單相對地電容時出現了負數開根號的情況。

表1　傳統三頻法測量結果

表2　傳統三頻法計算結果

表3　中性點直接注入三頻法測量結果

表4　中性點直接注入三頻法計算結果

仿真結果分析：表3對比表1可知，中性點注入三頻法所測得的零序電壓要比變壓器副邊注入三頻法大的多，因此可以提高數據的測量精度，進而擴大測量范圍。

由表3、表4可知，0.6uF、3 uF、6 uF、12 uF、30 uF計算值和理論值的誤差百分比分別是0.67%、0.33%、0.33%、0.58%、0.6%，均低于0.8%的國家標準，滿足電力系統的計算精度要求。且與表2所示的計算值相比，計算精度明顯提高。

從表4可以看出，隨著系統對地電容的增大，計算值與理論值的誤差逐漸增大，但是誤差百分比遠低于表2所示的互感器副邊注入三頻法。說明該方法提高了三頻法的測量范圍。

4　結論

本文提出一種基于中性點直接注入的三頻法電容電流測量。與傳統三頻法相比，該方法避免了電壓互感器漏電阻、漏電感的影響，可以顯著提高計算的精度和測量范圍。該方法同樣適用于兩頻法、掃頻法、向量 法、一次頻率注入法等注入信號法間接測量電網電容電流。

［1］田建設，韋良，李天旭等.基于 改進信號注入法的配電網電容電流測量［J］.廣東電力，2008，21（08）：28-31.

［2］唐軼，王濤，羅建鋒.用于消弧線圈控制的單相接地電流測量方法［J］.高電壓技術，2010，36（09）：2242-2245.

［3］曾祥君，尹項根，于永源等.基于注入變頻信號法的經消弧線圈接地系統控制與保護新方法［J］.中國電機工程學報，2000，20（01）：29-32.

［4］陳忠仁，周程宏，王妍.配電網電容電流諧振測量方法的應用［J］.電力系統保護與控制，2009，17（15）：128-132.

［5］李曉波，苗曉鵬，桑振華等.基于偏置阻抗法的配電網電容電流測量新方法［J］.電力系統保護與控制，2014，42（04）：22-26.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.243