基于電力生產實際的配電網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. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410208； 4. 國網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配電網系統智能化和智慧化的建設，10 kV配網系統日益龐大，同時隨著供電服務質量和現代化城市建設的需求增加，地下配網電纜的應用規模也逐年升高，部分城市已經出現電容電流嚴重超標的現象[1-3]。

21世紀初，李中樹[4]提出利用消弧線圈補償的小電流接地系統，測得電容電流的新方法，該方法在不影響電網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，提出了單相經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電容電流測試方法[6]，研究結果證明該方法可以解決電網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]比較了幾種配電網電容電流的現場測試方法并完成了27個變電站10 kV / 35 kV系統電容電流的現場測試，對測試不當的地方提出了改進意見。曾祥君等人[9]提出在零序電壓互感器的開口三角側串聯可調電感的測試方法，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。但隨著安全生產和提質增效要求的提高，目前電容電流測試方法逐漸不能滿足電力生產實際的需求。本文在總結現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]。無源測量主要根據系統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不接地系統在發生單相接地故障時，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，模擬不接地系統單相接地故障，測量接地點的故障電流，即可得到系統的電容電流[19]。

(1)

隨著電力生產對系統安全要求的提高，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系統絕緣造成積累性損傷。

1.2 中性點外加電容法

根據基爾霍夫定律可以得到式(2)：

(2)

化簡可得：

(3)

轉化后可得系統總對地電容C的大小為：

(4)

則，系統電容電流大小為：

IC=2πfC

(5)

1.3 偏置電容法

(6)

則系統電容電流大小為：

IC=2πfC

(7)

單相附加電容法是通過在電網某相對地之間接入一附加電容造成電容負載不對稱，產生零序電壓，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中產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，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配網系統對地總電容為：

(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勢明顯，相對于無源法，具有安全、易重復測量且對系統無沖擊影響的優點。但是隨著電網的發展，該方法在電力生產現場受到很大的制約。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度人員的協調；測試過程中發生單相不穩定接地時，若沒有消弧線圈的補償，可能引起系統的弧光接地過電壓；測量過程中，二次監視回路及二次消諧處于退出狀態，失去絕緣監視的作用。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

采用傳統方法測量需調度允許，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，還需一次專業人員進行短接，不符合電力生產實際要求。

因此，傳統電容電流測量方法涉及多專業、多工種人員的協調配合，工作效率和工作質量不高，已經不能滿足電力生產提質增效的實際需求。針對目前現狀，電力試驗專業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(以下“//”表示并聯)；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，一方面不需要調度的許可和運維人員的現場操作，提高了工作效率，另一方面可以避免測量過程中系統發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、一次專業人員的配合，可進一步提高工作效率。綜上所述，新方法只需試驗專業人員參與，不需要其他專業的配合，大大提高了工作效率。

3 現場驗證

為驗證該新方法的正確性，開發出一套不帶消弧線圈測試10 kV系統電容電流的測試儀，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、系統對地電容C、阻尼電阻r等變量。測試儀在10 kV真型配電網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饋線接入回數來改變系統電容電流大小。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、農大、黑石變電站實測，電容電流實測數據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，符合電力生產實際需求。

表2 變電站現場測試結果

4 結論

隨著城市配網系統的擴大，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實際中存在的局限性。最后，從電力生產實際的角度，提出一種帶消弧線圈測量電容電流的測量方法，并在10 kV真型配電網試驗場中進行驗證，其測量精度、準確度滿足電力生產的實際需求，可以實現電力生產提質增效。