配电网系统电容电流的几种测量方法*

何洪伟 胡 波 付昆鹏

(云南省计量测试技术研究院，昆明 650228)



配电网系统电容电流的几种测量方法*

何洪伟 胡 波 付昆鹏

(云南省计量测试技术研究院，昆明 650228)

随着供电网络的发展，特别是电缆线路的用户增加，使得系统单相接地电容电流不断增加。当配电网对地电容电流达到一定数值，极易产生间隙性弧光接地过电压，导致电网内单相接地故障。本文介绍了测量电容电流3种方法以及其优缺点，特别介绍了信号注入法，是配电网电容电流测量中值得大力推广的实用方法。

配电网；电容电流；测量

0 引言

我国地方电网主要以35kV、10kV和6kV三个中压网络构成，网络属于中性点非有效接地系统。但是随着供电网络的发展，特别是采用电缆线路的用户日益增加，使得系统单相接地电容电流不断增加。实际上，当6～10kV配电网对地电容电流达到一定数值(一般为20A及以上)时，由于电弧不能自行熄灭，将会带来诸如弧光过电压，尤其是间歇弧光过电压引起电缆故障等一系列问题，导致电网内单相接地故障扩展为事故。

我国电气设备设计规范规定，当接地电容电流超过一定值时，要采用中性点经消弧线圈接地方式。35kV电网如果单相接地电容电流大于10A，6～10kV电网如果接地电容电流大于30A，需要采用中性点经消弧线圈接地方式。因此，测量配电网系统对地电容电流一方面有助于继电保护定值的整定，另一方面亦可为选择消弧线圈容量提供依据，所以，了解配电网电容电流大小的真实值较为重要。

本文介绍了测量配网电容电流的常用方法及其优缺点，特别介绍了信号注入法，并通过理论和现场测量，得出该方法有较高的准确度。证明了这种方法切实可行，是配电网电容电流测量中值得大力推广的实用方法。

1 测量电容电流的几种方法

1.1 直接法

直接法为单相金属接地法，优点是可直接测量出电网的电容电流、有功泄漏电流和作为二者之和的全电流，但此方法操作及接线复杂，而且有可能导致非接地相绝缘薄弱处损伤从而造成两相短路，对操作人员和供电系统都不安全，一般不采用。

1.2 间接法

间接法包括中性点外加电容法、外加电压法、调频法、变频法和电容增量法。间接法若利用得当，能较准确地测量电容电流值，获得满足现场需要的数据。这些是目前常用的方法，但是在实施间接测量方法时仍然需要直接接触系统主回路，人员与设备安全还是得不到确保。另外由于涉及一次回路，因此，操作繁琐、准备工作时间长，通常大部分时间耗费在等待调度命令、开工作票、倒闸操作以及准备安全措施上，工作效率非常低。

间接法测量的几种方法中，外加电容法和其他方法相比,具有简便、测量快、对系统不会引起过电压等优点,而测试精度也能满足工程要求。

中性点外加电容测量系统的电容电流是在系统无补偿的情况下，在变压器中性点对地接入适当的电容量，测量中性点的对地电压，然后用计算的方法间接得到系统的电容电流。

外加电容一般取系统估算的对地电容C的0.5倍、1倍和2倍。在每个电容下测量一次中性点的对地电压(位移电压)，根据系统的不对称电压和测得的各个位移电压来计算系统的电容电流。中性点外加电容法是现场常用的测量方法，中性点外加电容法测量系统电容电流的原理接线如图1所示。

图1 中性点外加电容法测量系统电容电流的原理图

1.3 信号注入法

为了使系统电容电流的测量更简单、安全，现在有一种新的电容电流测试方法。该方法从母线电压互感器二次侧开口三角施加2个频率不同的电压信号，通过测量施加电压信号与施加电流信号的幅值与相位关系，求解出线路的对地电容值。施加2个不同频率的异频信号还可以分辩出电感参数。采用该方法测量配电网电容电流不需要触及设备的一次端，具有安全便捷的特点。

信号注入法测量原理如下：

利用母线常设的运行设备电压互感器，从其低压开口三角处注入不同频率的电流，通过测量开口三角的电压，构成一系列的方程组，求解出电网的电容电流，操作较为简便，且易于实现。

信号注入法测量原理图见如图2、图3所示。

图2 信号注入法测量原理图

图2表示一中性点不接地系统，其中性点可能接消弧线圈L。C是等效该系统的对地杂散电容。在母线上，一组三台电压互感器PT的二次接成开口三角。L、N为二次绕组引出线代号。根据线性电路的叠加原理，若在图1中，L、N端加入不同于工频的电压，而又暂不考虑工频三相母线电压的作用，三台特性相同的PT的二次线圈在单相电压作用下，其各自在一次线圈感应的电压同幅同相。即：三相母线1、2、3点同电位，可被视为一点，所以，图2所示电路可进一步简化为图3。

图3 信号注入法测量原理简化图

图3的物理含义其实就是把一个中性点不接地系统等效为一个并联RLC电路，把二次接成开口三角形的电压互感器等效为一个理想变压器。对于一般的配电网，三相对地电容之和一般在1～150μF之间，对应的工频阻抗为几千欧至几十欧，远远小于电压互感器的励磁阻抗(达兆欧级)，因此，电压互感器中的励磁电流可以忽略不计。减少电阻R(损耗电阻)，阻尼系统L、C振荡，使L、C振荡快速衰减，电阻R(损耗电阻)不消耗有功功率，这正是中性点不接地系统实现的功能。

根据如图3的等值回路，当在开口三角端L，N注入角频率ω的电流信号i时，可在L、N端测到一电压信号u，电压滞后电流的角度φ。在L、N端的等效复导纳：

(1)

如果注入两个不同频率的电流信号，可以测量到两组电压、电流的矢量和等效复阻抗。设2个注入电流的频率分别为f1和f2，利用这两组测量结果，分离出相应的实部和虚部，得到联立的两个方程，可解得系统对地电容：

(2)

其中，ω=2pf，u和i是电压互感器二次开口三角端的实测电压、电流数据，k是电压互感器二次接成开口三角形时的变比，由U=ku，I=i/k折算到高压方。系统电容电流：

IC=ωCUφ

(3)

2 测量实例

根据以上原理研制生产的MS-500P型配电网接地电容电流测量仪，分为测量系统和异频功率源二部分，测量系统滤除所有非注入频率的干扰信号，包括开口三角端处(见图2中母线PT、二次开口三角输入测试异频电压)的工频信号等，并进行有效电压、电流信号的采样、分析和计算。异频功率源能根据配电网特性提供频率1～100Hz，功率50W的恒流源，该测量仪采用自适应技术，能对不同配电网自动搜索其特性，并判断注入到被测配电网系统恒流源的频率。

采用MS-500P型配电网接地电容电流测量仪对某110kV变电站的10kV配电网对地电容电流进行测量。该站10kV母线共两段，每段母线设计为10回出线，共计20回10kV出线，另外每段母线还有4组电容器组。根据输电线路参数，其电容电流值的理论计算分别为：

理论值计算依据式(3)计算。

ω=2pf=2×3.14×50=314

C1=100km×0.0125μF/km=0.00000125F

C2=100km×0.0118μF/km=0.00000118F

Uφ=10kV/1.732=5773.67V

Ic1=ωC1Uφ=314×0.00000125×5773.67 =22.58A

Ic2=ωC2Uφ=314×0.00000118×5773.67 =21.33A

10kV 1M段的电容电流为22.58A；10kV 2M段的电容电流为21.33A。采用MS-500P型配电网接地电容电流测量仪对该配电网的电容电流进行了4次测量，测量结果如表1所示，均能保持较高的准确度。

表1 电容电流测量结果

3 注意事项

采用信号注入法测量，还必须注意以下几点：

1)必须断开连接在系统中性点上的补偿装置(如消弧线圈)。

2)对于少数在PT中性点上安装高阻消谐器的PT组，必须将消谐器短接后再进行测量。

3)如果系统两段母线上的PT二次绕组是并联运行的，应将二次绕组改成单独运行的方式后，再进行测量。

4)如果PT开口三角接入的负载(如消谐装置)阻抗小于100Ω，应将该负载断开后再进行测量。

5)该方法只能从电磁式PT的二次侧测量电容电流，不能从电容式电压互感器(CVT)进行测量。

4 结论

1)本文介绍了测量配网电容电流的常用方法及其优缺点，特别介绍了信号注入法，该方法不需要涉及一次设备，测量工作安全、快捷。

2)采用该方法的现场测量结果与理论计算值非常吻合，该方法有较高的准确度。证明了这种方法切实可行，是配电网电容电流测量中值得大力推广的实用方法。

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[6] 颜秋容，刘欣，王学锋.铁路10kV电缆贯通线电容电流补偿度研究[J].铁道学报，2006(2)

*云南省计量测试技术研究院科技计划项目(JLKY2013-9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.06