一种中性点不接地系统电容电流测试装置

吴冕之，林美玲，王瑞果

（1.贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550002；2. 贵州电力职业技术学院，贵州 贵阳 550002）

0 引 言

电力设备在制造、运输和安装过程中难免会出现绝缘缺陷，并会在外施电压作用下不断发展进而可能导致击穿，使设备失去绝缘性能[1-3]。因此，如何及时、准确地发现高压设备内部存在的绝缘缺陷，是状态检修的关键问题。近年来，随着工业生产能力和商业发展空间的扩大，供电网络不断增容扩大，城市内配网普遍使用电缆供电方式。电缆供电线路比架空网络对地分布电容效应显著增大，电网分布电容电流也随之增加。因单相接地故障，弧光过电压容易引起设备绝缘击穿事故。据统计，配电网的故障主要是由于线路单相接地时电容电流过大而无法自行息弧而引起的。因此，我国的电力规程规定，当10 kV和35 kV系统电容电流分别大于30 A和10 A时，应装设消弧线圈补偿电容电流。另外，配电网的对地电容和PT配合会产生PT铁磁谐振过电压。为了验证该配网系统是否会发生PT谐振及其他性质的谐振，必须准确测量配电网的对地电容电流[4-6]。

目前，在进行中性点电容电流测量时，须由测试人员手持绝缘杆，使用分立仪表读出测试数据。这种测试方法存在工作量大、仪表体积重量大、使用不便等问题。另外，试验过程中，测试人员与带电部位仅通过绝缘杆隔离，存在很大的安全隐患。

在中性点外加电容法的基础上，本文结合近几年电力电子元器件的最新发展成果，运用新器件新方式研制了一套中性点电容电流测试装置，并采用遥控机械臂遥控测试终端方式，实现了测试人员与带电部分的电气隔离。理论分析和现场试验证明，该装置能够显著提高现场测量的方便性和安全性，并具有较高的测量精度，能在系统发生接地故障时有效提供安全保护，保障被测配网系统的安全。

1 中性点电容电流测量原理

中性点不接地系统的电容电流测试仪测量采用间接测量法中的中性点外加电容法来测量配网的电容电流[7-8]，测量原理如图1所示。

图1 中性点外加电容法测量原理

图1 中，CA、CB、CC分别为被测系统的三相对地电容。由于CA≠CB≠CC，所以主变压器被测系统侧的中性点对地必有一个不对称电压UHC存在。若将外加电容C0的一端接地，另一端接于主变压器被测系统侧的中性点，则按等效发电机原理，可简化为如图2所示的等效电路。

图2 中性点接C0后的等效电路

测量标准电容器上的位移电压U0，并通过式（1）计算出被测网络的电容和电容电流值。

2 自动伸缩遥控接线臂

为降低测试人员搭接绝缘杆时的安全风险，本课题组研制了一套自动伸缩遥控接线臂[9-10]。该接线臂可安装于伸缩绝缘杆上，由单人操作，灵活遥控钳口的开合、旋转、俯仰，以替代人工完成繁重的测试引线夹持、拆除等工作任务，减轻人员劳动强度、作业风险，提高工作效率。图3为遥控机械臂的设计原理图。当机械臂接收到无线遥控器发出的信号时，能灵活地开合、旋转和俯仰。

图3 遥控机械臂的设计原理图

图3 中，1为固定基座，连接高空接线钳并支撑机械臂；2为旋转轴，内置电池、控制电路、接收器、步进电机，可360°旋转；3为咬合钳座，支撑咬合钳并可180°旋转；4为定位销，定位咬合钳口；5为咬合钳A，在咬合座上滑动，最大咬合力100 N；6为滑动螺杆，为咬合钳提供咬合动力；7为咬合钳B，在咬合座上滑动，最大咬合力100 N。图4为咬合钳示意图。

图4 咬合钳示意图

将设计的机械臂连接测试线，并安装在可自动伸缩的绝缘伸缩杆上，即可应用在电容电流测试中。试验过程由测试人员远程遥控进行，有效降低了作业安全风险和劳动强度。图5为自动伸缩遥控接线臂的实物图。

图5 自动伸缩遥控接线臂实物图

3 测试装置研制

3.1 测试主机

测试主机通过高压电容连接到中性点，主机的测量对象（中性点）是带电的，中性点电压最高可超过1.5%的系统相电压，对于35 kV系统电压为100～300 V。在系统发生单相接地并上升到系统相电压时，对于一次设备集中、空间狭小的工作区域，需要保证人员不碰触带电设备，并测量主机的绝缘电压等级达到系统相电压。测量主机要求全绝缘结构设计并提供高压熔断保护机制，主机内部带锂电池组，不用外接电源，利用无线通信手段连接手持终端，保证测试人员与高压电的安全距离。

测试主机主要由微处理器、电压信号处理单元、标准电容器组、高压熔断器、无线模块、存储器、显示器和电源部分组成。

微处理器使用意法半导体（ST）公司出品的32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，最高工作频率为72 MHz，主要完成信号的采集（模数转换）、计算结果的存储，显示、信号传输等功能。

电压（电流）信号放大单元使用美国ADI公司的OP213运算放大器，采用4～36 V单电源供电，可以维持低噪声和精密性能。典型增益带宽积为3.4 MHz、压摆率超过1 V/μs、噪声密度极低，为4.7 nV/√Hz。不仅可保证输入失调电压性能，而且能保证失调电压漂移低于 0.8 μV/℃。

无线模块采用挪威Nordic公司的nRF905无线芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM频段，能够提供高速的数据传输，不需要昂贵的高速MCU进行数据处理/时钟覆盖，降低了MCU存储器需求。

存储器采用美国ATMEL公司的AT45DB161D闪存芯片，大大减少了可用引脚数量，同时提高了系统可靠性，降低了开关噪声，缩小了封装体积。芯片有充足的存储空间，可以保存大量数据。

显示器为手持终端显示器，采用带触摸的3.5寸工业串口屏，可适应恶劣环境、强磁干扰和户外等工作场合。

电源部分为内部供电电源，使用大容量锂聚合物电池，一次充电可连续工作3 h左右。采用ASM1117稳压器，提供完善的过流保护和过热保护功能，输出电压和参考源精度为±1%。

3.2 手持测试终端

通过无线通信技术与测量主机连接，可以实现遥控主机测量，接收存储测量结果，设定主机测量参数等。在变电站内强电磁干扰环境下，可靠通信距离大于30 m，改变了以往需人员直接操作主机测试的模式，增加了人员的工作安全性。

3.3 软件及算法

波形采样率为10 kHz/s，即每个信号波形1 s采样10 000个点，每周期200个点，并通过FFT技术分离出实测波形的基波分量和各次谐波分量。

通过阻容滤波电路，对经高速A/D转换器后得到的离散化数字信号序列f(n)进行滤波，并根据截止频率与电路电阻、电容的数值关系计算RC值带入差分方程，最终得到经低通滤波的信号序列。

3.4 自动伸缩遥控接线臂

传统测量时，测试人员需手持绝缘棒连接高压电缆，将其金属头碰触中性点母线，以测量三相对地不对称电压UHC和位移电压Uo。整个测量过程中，人员一直在测试位置附近，有一定的危险性。使用伸缩遥控接线臂后，整个作业过程均通过操作人员远程遥控完成，不需要通过绝缘工器具接触带电位置即可完成测试工作，有效保障了工作人员的人身安全。

3.5 装置结构及工作流程

测试系统主要由测量主机、接收终端和遥控接线臂组成。测试人员开启主机电源，接好低压线路后即可离开测试区，然后通过操作遥控接线臂接好测试线，操作手持终端遥控主机，主机自动采集电压信号并处理，最终测试结果经过无线发射模块传送到接收终端。测试人员可以操作手持终端控制主机复测，读取数据并结束测试，如图6所示。

经过模拟试验和现场测试，该中性点不接地系统电容电流测量装置有较高的测量精度，不仅能准确测量待测电流，还有效实现了作业人员与带电母线的电气隔离，显著提高了该作业项目的工作效率和安全性。

4 结 论

本文研制了一套中性点不接地系统电容电流测量装置，通过模块化集成，有效解决了原来使用分立仪表接线的体积大、重量大、使用不便的问题。通过伸缩遥控接线臂和手持终端远程控制的方式，解决了高电压隔离的问题。测试人员远离高压测试区，操作遥控终端接线即可完成测试工作，不需要通过绝缘工器具接触带电部位，有效保障了现场人员的人身安全。

图6 装置整体结构及接线示意图