混連接地方式下消弧線圈電容電流測量準確性研究

汪霄飛，王偉，孫澤文

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

混連接地方式下消弧線圈電容電流測量準確性研究

汪霄飛1，王偉2，孫澤文2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

對目前電力系統(tǒng)廣泛使用的調(diào)匝式消弧線圈測量電容電流的原理進行了說明，建立了混連運行狀態(tài)下等值電路，并分析了電容電流測量的誤差，通過仿真計算，論證該分析的正確性；對混連運行狀態(tài)下的消弧線圈的電容電流的測量提出了工程上的改進意見。

電力系統(tǒng)；調(diào)匝式消弧線圈；電容電流；混連運行

目前，我國6－35 kV中壓配電網(wǎng)大多采用經(jīng)消弧線圈補償?shù)慕拥胤绞健．攩蜗嘟拥仉娙蓦娏鞔笥谝?guī)定值時，利用消弧線圈的電感電流補償電容電流，使接地點殘流減小，接地電弧自行熄滅。但隨著城市化規(guī)模的進一步增大，電纜用量的增多，電容電流增長很快，于是，許多變電站選擇了采用電阻接地方式。通常這兩種接地方式獨立運行，互不干預。但由于供電可靠性的要求，為確保供電可靠性指標，許多地方采用了手拉手供電措施，以確保當某種原因?qū)е乱粋€變電站失壓時立即合上聯(lián)絡斷路器而由另一個變電站供電。從而使得原本獨立運行的系統(tǒng)有可能出現(xiàn)互聯(lián)現(xiàn)象。

為保證消弧線圈的補償效果，必須對配網(wǎng)的電容電流進行準確的檢測。針對這一問題，眾多學者做了大量的工作〔1－4〕。但都是基于消弧線圈接地系統(tǒng)的，對某些地區(qū)新出現(xiàn)的配網(wǎng)混連接地方式(消弧線圈和電阻接地)下的電容電流測量問題還無人研究探討。

混聯(lián)后，系統(tǒng)的規(guī)模變大且出現(xiàn)2個中性點接地點:一個是消弧線圈接地點，另一個小電阻接地點。在此情況下，消弧線圈廣泛使用的測量電容電流的方法為兩點法和諧振法的問題，本文對其測量精度的問題進行研究分析。

1 消弧線圈測量電容電流的方法

1)兩點法測量原理

當消弧線圈投入運行后，消弧線圈接地系統(tǒng)在正常的運行情況下，消弧線圈的電感與電網(wǎng)的三相對地電容構成電壓調(diào)諧回路，如圖1所示。

圖1 諧振接地電網(wǎng)正常運行時的等值電路

圖1 中，L為消弧線圈的電感；RL為消弧線圈的損耗電阻；C為三相對地等效電容；零序回路中的電源Un為三相不平衡電壓。在此三相不平衡電壓的作用下，零序電流流經(jīng)消弧線圈、線路、線路對地電容及大地構成的零序回路。

根據(jù)圖1中的電壓關系可以得到:

假設調(diào)檔過程中不平衡電壓Un不變，則調(diào)節(jié)2個不同的檔位，可以得到兩組U0和I0值。將其代入式 (1)即可求得 Xc的值〔1〕。實際應用中兩點法是利用消弧線圈的2個固定檔位進行測量〔5〕。

2)諧振法的測試原理

基于曲線擬合的諧振法測量電容電流的等值電路如圖1所示。當運行方式不變化時，圖1中的位移電壓U0只與消弧線圈的感抗值XL有關，由式(1)可以得到U0與XL的函數(shù)關系曲線如圖2。

圖2 U0與XL的函數(shù)關系曲線

從圖2可以看出:當XL＞XC時，處于欠補償狀態(tài)；當XL＝XC時，處于全補償狀態(tài)，此時系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)電壓諧振，U0達到最大值；當XL＜XL時，處于過補償狀態(tài)。我國配網(wǎng)采用的消弧線圈接地的系統(tǒng)，通常都是工作在過補償狀態(tài)。XL偏離XC越遠，U0愈小。U0與XL的關系在Xc(諧振點)點附近可以近似看成是一個拋物線，其函數(shù)關系可以下面的二次函數(shù)近似表示:

由式 (2)表述的U0與XL的函數(shù)關系，利用諧振法可以測量出系統(tǒng)的容抗，進而求出電容電流。因為調(diào)匝式消弧線圈的電感值不是連續(xù)可調(diào)的，無法直接找到諧振點，可以通過諧振點左右的3個點的U0與XL擬合出圖2所示的二次函數(shù)曲線方程式 (2)。將諧振點XC附近的3個XL值和測得的對應的3個U0值入式 (2)得到3個方程，用行列式計算:

拋物線的頂點XL＝－b/2a為系統(tǒng)的諧振點，因為XL＝XC，由此求出電容電流IC。

2 混連運行對電容電流測量的誤差分析

1)當消弧線圈投入運行后，諧振接地系統(tǒng)在正常的運行情況下，消弧線圈的電感與電網(wǎng)的三相對地電容構成電壓調(diào)諧回路，如圖3所示。

圖3 消弧線圈接地電網(wǎng)正常運行時的等值電路

圖3 中，L為消弧線圈的電感；RL為消弧線圈的損耗電阻；C為三相對地等效電容；零序回路中的電源Un為三相不平衡電壓。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)與中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)混連運行后，原來的消弧線圈接地系統(tǒng)測量電容電流的等效電路圖3發(fā)生了變化，增加了1個接地電阻RN的并聯(lián)支路，如圖4所示。

由圖4可知，較圖3多了1條電阻支路，此時流過電容的電流不僅是電感電流了，而是電阻電流與電感電流的相量和。

圖4 混連運行時的測量電容電流的等效電路

如果此時仍如非混連運行方式下 (圖3所示)計算電容電流 (用電感電流I0代替電容電流Ic)，則測量配網(wǎng)電容電流的誤差為:

由圖4所示電路，消弧線圈等效支路與電阻RN的并聯(lián)等效阻抗為 ZL＝XL＋r， ∵ γ很小，

∴ ZL≈XL。

此時，阻抗ZT由2個部分構成，一個是虛部一個是實部

現(xiàn)在主要討論虛部，也就是與容抗平衡產(chǎn)生諧振的部分。

將虛部變形為:

2)對測量過程出現(xiàn)的誤差進行分析，分下列情況討論:

①R?ωL，ZT≈R， 這種情況對應的電容電流較小的情況，消弧線圈的電感較大，輸出的補償電流較小。此時，IR≈Ic。圖4的等值電路近似為圖5所示的一階電路，也即等效感抗值較以前的純感抗值大大減小。例如:如果R為10Ω，感抗取100Ω，則由式 (7)計算的結果是感抗減少101倍，由100Ω變?yōu)?Ω，此數(shù)值沒法與配網(wǎng)對地容抗匹配產(chǎn)生諧振，測量誤差γ很大。

②R＝ωL，ZT≈ωL/2， 這是對應電容電流較大的情況，消弧線圈的電感較小，以輸出較大的補償電流。此時，IL＝I0。例如:如果R為50Ω，由式 (7)可知，等效電感變?yōu)?5Ω，減小1/2，它只能使誤差變小，照樣無法與配網(wǎng)對地容抗匹配產(chǎn)生諧振，測量誤差γ較大。

③R?ZL，ZT≈ZL， 這是非混聯(lián)情況，由于沒有并聯(lián)電阻，此時，IR＝0，Ic＝I0，由式 (7) 可知，其等效感抗等于 ωL，可以與配網(wǎng)對地容抗匹配產(chǎn)生諧振，測量誤差γ很小。

圖5 混連運行時的測量電容電流的簡化等效電路

3 混連運行時的電容電流的仿真計算

為了探討在不同運行情況 (不同參數(shù)匹配情況下——電感和電阻)下的電容電流的測量誤差的情況，根據(jù)等效電路搭建仿真模型 (如圖6，7所示)，利用Matlab對其進行仿真計算。2個模型稍有區(qū)別，前者代表消弧線圈接地系統(tǒng)，后者代表混連接地系統(tǒng)。

圖6 消弧線圈電容電流測量仿真模型

圖7 混連運行時的電容電流測量仿真模型

1)兩點法的仿真計算

由于現(xiàn)在配電網(wǎng)的電容電流都較大，對應的消弧線圈的感抗也就不大，以便其提供較大的補償電流。設小電阻 R分別為 10Ω，30Ω，60Ω及∞(非混連時)時，選取消弧線圈所調(diào)節(jié)的2個檔位的電抗值為:XL11＝30Ω，XL2＝40Ω，利用圖6，7的仿真模型得到表1中參數(shù)。

表1 不同電感及電阻值時的電容量測量誤差

表1中的UO1，UO2，IO1，IO2是調(diào)節(jié)消弧線圈兩檔電感時得到的電流值和電壓值，C為配網(wǎng)電容的測量值，γ為對應的測量誤差。從表中可以看出，R值愈小，調(diào)節(jié)不同電感檔位時所對應的電流值與電壓值變化量不大。例如:當R為10Ω時，電壓的變化量為0.03 V，電流的變化量為0.000 3 A。而當電阻為∞，也即非混連模式下，所對應的電壓的變化量為45 V，電流的變化量為0.14 A。調(diào)節(jié)電感時如果電流、電壓變化很微小，則說明輸出電壓被鉗位，補償量基本沒有變化，無法找到容抗與感抗的平衡點 (諧振點)，也即U0與XL的函數(shù)關系曲線無法形成拋物線，其后果是測量電容電流的誤差會很大。反之，如果電壓、電流的變化量較大，說明消弧線圈的調(diào)諧作用很明顯，容易找到容抗與感抗的平衡點 (諧振點)，測量誤差大幅減小。

2)諧振法的仿真計算

當R為10Ω時，選取消弧線圈的3個不同檔位的電抗值ZL1為219.78Ω，ZL2為180.18Ω，ZL3為151.13Ω，利用圖7的仿真模型得到圖8的曲線。

簡單地說，人格是指一個現(xiàn)實的人。人格的心理特征主要包括三個方面:能力、氣質(zhì)和性格。通常來說人格具有整體性、穩(wěn)定性、可塑性、獨特性以及復雜性等特征。隨著微傳播時代的來臨，越來越多的網(wǎng)絡使用者利用手機上網(wǎng)，手機網(wǎng)民人數(shù)和上網(wǎng)時間有逐年增長的趨勢［1］。伴隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展和人們網(wǎng)絡交往的增加，眾多大學生沉迷于網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡環(huán)境交往過程中形成了相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡人格。網(wǎng)絡人格和現(xiàn)實人格的結合成為大學生群體相對穩(wěn)定的個性特征。

由圖8中所示曲線所知，在消弧線圈的原理電路上并上一個小電阻后，由于R?ZL，原來的二階電路近似為一個一階電路，其電路中U0與ZL的關系不再近似是二次函數(shù)曲線 (如圖2所示)，而是近乎一條直線，如圖8所示。愈趨于直線，說明其補償性愈不好。

圖8 U0與XL及R的函數(shù)關系曲線

為探討電感、電阻不同搭配情況下的函數(shù)關系曲線，分別取R為40Ω，50Ω，60Ω，選取消弧線圈的3個不同檔位的電抗值:ZL1為40Ω，ZL2為50Ω，ZL3為60Ω (與電阻值對應)。利用圖7的仿真模型得到圖9的曲線。

圖9 U0與XL及R的函數(shù)關系曲線

由圖8中所示曲線所知，在消弧線圈的電感值減小到與電阻值一樣后，其U0與XL的函數(shù)關系曲線不再近乎是一條直線，有了二次曲線的雛形，這說明測量電容的誤差在減小。

在消弧線圈單獨運行時，(即非混連運行模式時)，其原理電路圖如圖3所示。由于沒有并上電阻，其U0與XL的關系曲線與圖2的理論曲線相似(見圖9中的點畫線)。

4 測量誤差導致的危害及改進措施

1)電容測量誤差增大會導致消弧線圈出現(xiàn)誤補償。當電容量測量過大，會出現(xiàn)過補償，電容量測量過小，會出現(xiàn)欠補償。欠補償易產(chǎn)生串聯(lián)調(diào)諧過電壓，對配電系統(tǒng)的危害較大。

2)電容量測量不準確，會使消弧線圈的調(diào)諧范圍大大增加，導致有載分接開關的機械損耗增加，影響其使用壽命。

3)混連接地方式下產(chǎn)生電容電流測量誤差的根本原因是其等效電路與消弧線圈的等值電路不一致了。在混連接地方式下，消弧線圈測量電容電流的方法要改進完善，不能繼續(xù)使用式 (1)來測量電容電流。因為在混連運行方式下，I0不等于IC。為達此目的，需要在消弧線圈的控制系統(tǒng)中增加模式識別功能，在不同的工作方式——消弧線圈接地運行方式或混連運行工作方式下采用不同的測試程序，以提高測量精度。

5 結論

1)在混連接地方式下，消弧線圈常用的2種測量配電網(wǎng)對地電容的方法:兩點法和諧振法，都因小電阻接地極的存在而使其等值電路發(fā)生了變化，導致電容測量出現(xiàn)較大的誤差。

3)混連接地方式下，為提高電容電流的測量精度，需采用另外的測量方法 (測量模型)。

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Accuracy Analysis of Capacitance Current Measurement of Arc Suppression Coil in Mixed Ground Operation

WANG Xiaofei1，WANG Wei2，SUN Zewen2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

This paper introduces the principle of measuring the currentofthe capacitance by using the turn type arc suppression coil，which has been widely used in power system.An equivalent circuit is established and the error of capacitance current measurement is analyzed，particularly when the system runs in mixed ground operation.And then the paper proves the correctness of this analysis with simulations.Finally the suggestion about how to improve the measurement of the capacitance current of arc suppression coil in operation state of mixed ground operation is proposed.

power system；turn type arc suppression coil；current of the capacitance；mixed connection state

TM475

:A

:1008-0198(2017)02-0007-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.002

2017-01-09