补偿电网接地电流在线跟踪测量新方法

唐 轶，齐敦金，罗建锋，刘建华

（1.中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州 221008；2.中国长江三峡集团公司机电工程部，宜昌 443000）

谐振接地系统的准确、快速自动调谐控制是影响发生接地故障时有效消弧的主要因素。已有多种消弧线圈调谐控制方法：位移电压极大值法［1］、阻抗三角形法［2］、相位调谐方法［3］、两点解析法［4］、注入信号法［5～7］、谐振法结合曲线拟合法［8］、负序电流分量极小值调谐法［9，10］等，它们各有其特点。如：位移电压极大值法［1］、阻抗三角形法［2］、相位调谐方法［3］调谐时需要消弧线圈不断调档，这将大大缩短调档所用机械元件（如有载开关）的寿命，并且，只适用于“预调谐”消弧线圈，不能给出脱谐电流或是电容电流的值；两点解析法［4］、注入信号法［5～7］、谐振法结合曲线拟合法［8］直接测量出电网的接地电容电流，因此既可适用于“随调谐”，也可适用于“预调谐”消弧线圈，但调谐时也要求消弧线圈多次操作，同样会缩短调档所用机械元件的寿命，并且不能连续对电网的脱谐电流或是电容电流的值进行监视，因此调谐测量装置对电网零序参数（线路操作）的变化需要有个正确判断，以便重新测量；由于负序电流不只是单相接地故障才产生，负荷不对称、断线故障等均可产生，因此负序电流分量极小值调谐法难以实际用于消弧线圈的主调谐控制，只能作为其他调谐控制方式的辅助［11］；位移电压极大值法［1］、阻抗三角形法［2］、两点解析法［4］、谐振法结合曲线拟合法［8］适用于中性点自然偏移电压较高（0.5%以上）的电网，而纯电缆电网（如煤矿）中性点自然偏移电压较低，一般在0.2%以下，有些煤矿电网只有0.02%。对于这些电网，以上调谐方式控制的消弧线圈安装时就要给电网添加一个不平衡，如接地变压器三相绕组不平衡、在电网的某一相加一个电容等。

本文提出一种适合于纯电缆电网和电缆架空线混合电网的接地电流在线测量方法，它既适用于“预调谐”，也适用于“随调谐”消弧线圈的调谐控制，具有测量方法简单、测量时不需要任何伴随操作、仅需要一个测量量、可连续重复测量、测量精度高等优点。

1 接地电流测量原理

图1为中性点经消弧线圈接地电网等值电路［12］。对随调式消弧线圈，L为消弧线圈输出初始补偿电流时的等效电感值，对预调式消弧线圈，L为消弧线圈当前输出补偿电流时的等效电感值；C∑＝CA＋CB＋CC，CA、CB和CC分别为电网三相对地电容；g∑为电网三相对地总电导，g∑＝1／rA＋1／rB＋1／rC；gL＝1／RL，RL为消弧线圈损耗和阻尼电阻（预调式消弧线圈有）的总等效电阻。

图1 配电网等值电路Fig.1 Equivalent circuit of distribution networks

在电网未接入小电容ΔC的自然状态下，电网正常运行的零序电压为

安装消弧线圈时，在参考相（A相）接入一个小电容ΔC，并考虑ΔC≪C∑，则电网的零序电压为

对于电缆电网，由于˙U00相对于˙U0很小，接近于零，可以忽略，则得

取实部得

小电容ΔC所加的某相与所取的线电压参考相量必须保证一个“相应的”关系，即要保证ΔC所加相的˙Eφ超前参考相量90°，这就保证Re（˙Eφ）＝0，Im（˙Eφ）＝Eφ，其中φ为A、B和C见图2。

图2 相量图Fig.2 Phasor

式（5）两边同乘额定相电压可得接地电流中电容电流分量（用于“随调式”消弧线圈的控制）得

接地电流中脱谐电流分量（用于“预调式”消弧线圈的控制）为

同样，式（3）取虚部并乘以额定相电压得接地电流中有功（阻尼）电流分量为

式中：u0（k）为电网零序电压的采样值；N为一个工频周期T的采样点数；UφN为额定相电压。

2 理论测量误差

式（6）～式（8）是假设电网自然的零序电压U00＝0由（3）推得的，实际电网不可能绝对对称，U00不可能为零，因此，这将产生测量误差［12］。考虑U00由式（2）得

式（9）减式（3）得绝对误差为

因此有

脱谐度相对误差为

阻尼率相对误差为

3 ΔC的确定［12］

由式（1）和式（2）得

对随调式消弧线圈，Id≈0，由此得

对预调式消弧线圈，Iυ≈0，由此得

例如：对一10 k V接地电流约为45 A（C∑＝24.8μF）的配网，安装一台补偿电流下限值为15 A“随调式”消弧线圈，电网的自然零序电压为0.1%，希望测量误差在5%以内，则可取：ΔC＝μF，这时，电网正常运行（电网接入ΔC的零序电压标幺值为U＊0＝0.1%×（1＋1／0.05）＝2.1%。再如：对一10 k V接地电流约为45 A的配网，安装一台阻尼电流为15 A“预调式”消弧线圈，自然不平衡电压为0.1%，希望测量误差在5%以内，则可取这时，电网正常运行的零序电压标幺值为U＊0＝0.1%×（1＋1／0.05）＝2.1%；若同样取ΔC＝0.331μF，则零序电压为4.2%，测量误差在2.5%以内。

以上两例也可看出，该测量方法比较适合于自然零序电压相对较低的电缆电网或电缆架空线混合电网，当自然零序电压在0.5%以内，要求测量误差在5%以内的条件下，电网正常运行的零序电压可控制在10%以内。提高测量精度和降低电网正常运行时的零序电压是一对矛盾，显然，自然零序电压越低越有利于该测量方法提高测量精度和降低电网正常运行时的零序电压，因此，它最适合于纯电缆电网，也适用于电缆架空线混合电网压。

4 模拟试验

用该测量方法研制（用SEED＿TMS320C2812MV2.1板开发）的谐振接地系统调谐装置在660 V（煤矿井下电压等级）低压模拟电网（如图3所示）进行了调谐测量试验。模拟电网有3条线路，分布电容分别为每相8μF、6μF和4μF。为保证分析精度，实测了线电压为696 V时，它们的单相直接接地电流ICA分别为3.17 A、2.39 A和1.61 A。用一台额定电压10.5 k V、额定补偿电流为50 A（696 V时为3.3 A）、下限补偿电流15 A（696 V时为0.99 A）的消弧线圈（三相五柱直调电感式消弧线圈）进行试验。消弧线圈补偿电流的有功分量不便精确测量，模拟“预调谐”控制时在消弧线圈的二次并联8Ω，按一、二次电压比计算等效在一次中性点对地加160Ω，即该电阻的阻尼电流约2.5 A。试验时在A相加ΔC＝0.22 μF，分别投入K3、K2和K1，调谐装置自动分别测得数据（只能显示小数点后1位）如表1（随调谐）和表2（预调谐），其中，ICC、δCA和δCC分别为测量电容电流、电容电流理论分析相对误差和测量相对误差。由于阻尼电流值不易精确测量，因此，没有分析阻尼电流误差。表1和表2证明，式（6）～式（8）、式（12）、式（13）、式（15）和式（16）的正确性，表中有些电容电流测量相对误差偏高是由于调谐控制器只能显示测量值的小数点后一位产生的误差和测量采样（16位AD）误差所至。图4是每相8μF，即接地电容电流为3.17 A“随调式”消弧线圈全补偿的示波器录波形。图中4条曲线从上到下依次为零序电压、补偿电流、电容电流和接地电流，分别从图3中PT开口三角（电压探头）、CT1、CT2和CT3（电流探头）处测得。接地方式采用手摇间隙，由于试验电压低，接地电流小，接地电弧难形成，因此这里的“间隙KJ”采用2个“尖端”，电弧持续时间很短。由图4可见，补偿效果很好。

图3 模拟试验电路Fig.3 Test circuit for simulation

图4 示波器试验波形Fig.4 Test waveforms recorded by oscilloscope

表1 “随调式”消弧线圈试验数据Tab.1 Test data of follow－tuning arc－suppression coil

表2 “预调式”消弧线圈试验数据Tab.2 Test data of pre－tuning arc－suppression coil

5 结语

本文从测量原理、误差分析和ΔC的选择阐述了补偿电网接地电流在线跟踪测量方法。该方法的优势在于只需监视电网一个量的变化，并且，测量时无需任何伴随操作，便可较精确地知晓电网接地电流中的电容（脱谐）电流和有功（阻尼）电流的变化，她们是消弧线圈调谐控制所需的两个不可或缺的参数；试验证明，该方法测量精度较高；该方法很易用单片机实现。该方法研制的控制器已用于“三相五柱直调电感式消弧线圈”的控制，现场运行证明了该方法测量调谐控制的有效性。

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