配电系统电容电流测量方法的研究

王伟 邹磊 欧阳进 孙泽文

摘 要：在配网系统中，随着系统规模的扩大和电缆线路的大量投入，使得电容电流越来越大，如何精确测量电容电流是决定装设消弧线圈与否和正确选择消弧线圈容量的前提。目前电容电流测量方法很多，有单相金属接地法、中性点外加电容法、TV开口三角信号注入法、中性点信号注入法等。本文详细介绍上述几种测量方法，并结合现场实际，比较各种方法的优缺点。目前电力系统中采用的电容电流测试仪多种多样，本文也简要介绍了一套全自动电容电流测试仪校验装置，通过该装置可以甄别出各厂家电容电流测试仪产品的优劣，能为今后电容电流测试仪设备的选购提供参考依据，也可以对现有仪器进行效验工作。

关键词：配电系统；电容电流；测量方法；校验装置

配网系统一般直接面向用户进行供电，配网的可靠性决定了供电的可靠性，而配网的故障很大程度是由于线路单相接地时电容电流过大，接地电弧无法自行熄灭所引起的，为了限制这种间歇性燃弧产生的过电压，规程规定：当10kV和35kV系统电流分别大于30A和10A时，应装设消弧线圈补偿电容电流。因此，测量系统电容电流是决定装设消弧线圈与否和正确选择消弧线圈容量的根据。因此对电容电流采取有效的限制势在必行，而前提是必须对系统的电容电流进行准确测算。目前电容电流测量方法很多，本文详细介绍了几种测量方法，并结合现场实际情况，比较各种方法的优缺点。此外，目前电容电流测试仪产品存在部分产品测试不准的现象，对电容电流测试仪进行校验势在必行，本文介绍了一款电容电流测试仪校验装置。

1 电容电流基础知识

电容电流的产生：电力系统中的线路和设备都存在一定的对地分布电容，在交流电压作用下，就会产生电容电流，特别是在配网系统中，随着系统规模的扩大、电力线路和设备不断增加以及电缆线路的大量投运，使得电容电流越来越大。

系统电容电流主要包括线路对地电容的电流和设备对地的分布电容产生的电流，一般情况下，架空线路的电容电流比同样长度下的电缆电容电流小的多，而电力设备的电容电流比电力线路小得多，故通常只计算电缆和架空线路的电容电流。

大量资料表明，10kV配电网系统单相接地时电容电流的工程计算法为：

（1）电缆线路：

式中为电容电流，A；为系统线电压，kV；I为电缆长度，km；，其中S为电缆芯线截面，。

（2）绝缘架空线路：

式中为电容电流，A；为电压，kV；I为电缆长度，km。

（3）普通架空裸导线系统线

当电网稳定运行时，在不考慮系统参数和相电压误差的情况下，三相对地电容大小相等，相位相差120度，其矢量和为0，中性点无电流流入。

图1 配电网一次模拟图

由于配网系统往往直接面向用户供电，系统情况复杂，系统参数也不可能完全对称，因此，运行中的配网系统中总是存在电容电流。更为严重的情况是当系统发生单相接地或间歇性电弧接地时，中性点电位升为相电压，其他两相电压将在震荡过程后上升为线电压，流过接地点的电容电流为其他两相电压在其对地电容上产生的电流矢量和。

图2 配网系统发生单相短路时电流流向图

在不稳定单相接地过程中，将对电网造成间隙性电弧接地过电压，这种过电压的幅值有时可达相电压的3～5倍或更高，往往会造成电网薄弱环节被击穿，甚至发展成相间短路，还可能引起电缆着火、避雷器爆炸等事故。另外，当配网系统出现单相接地故障时，非故障相电压升高，可能造成系统中的电磁式电压互感器铁芯饱和，引起互感器烧毁等事故，严重威胁电网的安全稳定运行。

2 电容电流测量方法

目前电容电流测量方法很多，有单相金属接地法、中性点外加电容法、TV开口三角信号注入法、中性点信号注入法等。本文详细介绍上述几种测量方法，并结合现场实际，比较各种方法的优缺点。

2.1 单相金属接地法

在较早时期，测量电容电流一般采用单相金属接地法。这种方法利用一个断路器来操作，在配电线路上人为造成一个单相金属性接地点，利用电流互感器直接测量入地点的电容电流。这种方法需要的操作及安全措施非常繁杂，而且有可能在试验过程中危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘，造成相间短路，很不安全。整个试验工作对试验人员和配网系统的安全均构成危险。由于这种方法存在上述的缺点，20世纪80年代后一般很少采用。目前均使用更为安全的方法测量电容电流——间接测量法。

图3 单相金属测量法原理图

2.2 中性点外加电容法

中性点外加电容法测量系统的电容电流应在系统无补偿的情况下，在变压器或者接地站用变的中性点对地接入适当的电容量，测量中性点的对地电容，然后用计算的方法间接得到系统的电容电流。

图4 中性点外加电容法原理图

中性点不接地系统在正常运行时，由于三相不可能完全对称，系统中性点对地电压并不等于0，由中性点KCL定律可得（2.1）式。当在中性点串入一个电容量为的电容器时，此时中性点KCL定律为（2.2）式。

图5 中性点外加电容法电流流向图

（2.1）

（2.2）

将式（2.1）简化得式（2.3）：

（2.3）

将式（2.2）简化得式（2.4）：

（2.4）

将式（2.3）除以式（2.4）得式（2.5）：

（2.5）

令，得式（2.6）：

（2.6）

其中为加了外加电容中性点的不平衡电压，为没有加外加电容中性点的平衡电压。

电容电流 （2.7）

2.3 TV开口三角信号注入法

图6 TV开口三角信号注入法原理图