考虑暂态过程的对地电容电流检测方法研究

周 锐,夏俊雅,郑安豫,侯宜祥

(1.安徽电气工程职业技术学院 电力工程系,安徽省合肥市包河区包河大道56号 230051;2.中国建材检验认证集团安徽有限公司,安徽省合肥市包河区望江东路60号 230051;3.安徽省电力公司 培训中心,安徽省合肥市包河区包河大道56号 230051)

目前常用的对地电容电流的检测方法有极值法[8]、注入信号法[9]、阻抗三角形法[10]、偏置法[11-12]等。注入法通过在母线电压互感器三角形侧或者消弧线圈内的电压互感器中注入高次谐波,根据注入信号的频率和反馈信号的频率,例如是否谐振,再根据相关的计算原理,得到对地电容电流。根据注入信号的频率划分,可以分为单频法、双频法、三频法、扫频法。该方法会对系统造成谐波污染,测量复杂,测量结果依赖谐波频率的选取,测量过程也比较复杂[13-14]。极值法、阻抗法等需要多次调节中性点导纳等参数,达到全补偿状态,一方面需要反复调节消弧线圈原件参数,影响设备使用,另一方面通过调节使系统达到全补偿,部分元件谐振,对设备不利,并且这些方法的测量精度与多种因素有关,制约因素较多。除此之外如果系统不平衡度较低,消弧线圈端电压小,测量值存在非线性失真问题[15]。

文中对配电网中低压系统,中性点采用经消弧线圈接地系统,提出一种通过对中性点隔离开关断开后,测量暂态过程得到对地电容电流方法。测量过程需要断开中性点隔离开关,通过测量中性点隔离开关断开前电压、电流的值,中性点断开后时间常数与中性点稳态电压,计算系统对地电容的值。该方法不会对系统引入谐波,不需要反复调节消弧线圈参数,中性点是否并联导纳对测量方法没有影响,测量过程中需要断开中性点隔离开关,在过电压允许的情况下,对系统影响比较小。文中选取符合电网实际运行的案例,应用Matlab软件进行仿真验证,通过仿真结果与案例结果对比,得到该测量方法是否可行。文中提出的测量方法简单,测量用时较短,测量信号容易取得,测量装置简单、经济性较好,对一次系统影响较小,测量精度满足工程需要,是一种可靠、实用、具有工程实际意义的对地电容电流检测方法。

1 测量原理与参数选择

1.1 基本原理

图1 中性点谐振基本原理图Fig.1 Basic schematic diagram of neutral point resonance

图2 电压源到电流源变换图Fig.2 Transformation diagram from voltage source to current source

图3 化简后的电路图Fig.3 Simplified circuit diagram

(1)

(2)

断开QF,对QF右侧电路列写KCL方程:

(3)

(3)式中Im和φi分别为电流源的幅值和初相角。

G∑Umcos(ωt+θ)-ωC∑Umsin(ωt+θ)

=Imcos(ωt+φi)

(4)

(4)式可以变换为:

Um|Y|cos(ωt+θ+φ)=Imcos(ωt+φi)

(5)

方程特解为:

(6)

方程通解为:

(7)

代入初始条件,UC(0+)=UC(0-):

(8)

(9)

从而求得方程通解为:

(10)

中性点电压在开关断开后电压为(10)式。

(11)

(12)

GG相对与YL小的多,可以忽略,取模长。对方程(2)等号两侧取模长。

(13)

(14)

(15)

取其中的正实根。

计算得到三相总电容C∑,当系统发生单相接地故障时,为了减少接地点故障残留采用消弧线圈补偿,补偿电流为:

IC=ωC∑U0

(16)

(16)式中,U0为故障时接地点的零序电压。U0随着接地故障点的过渡电阻及系统的运行电压变化,IC随之变化。

如果忽略过渡电阻,假设系统的额定电压等于运行电压,则系统对地电容电流为额定对地电容电流。

ICN=ωCUφN

(17)

(17)式中UφN为系统的额定相电压。消弧线圈上铭牌上,各挡位标注的对应的电感电流,既用额定电压计算的能够补偿的值,与(17)式对应。

测量过程为:断开QF前测量中性点零序电流、零序电压,记录中性点接地回路参数的值,断开QF,根据录波读取衰减时间常数τ和稳态电流、电压值,代入(14)式计算对地电容值。该算法在计算过程中没有用到消弧线圈并联的阻尼电阻,消弧线圈是否串联阻尼电阻对计算无影响,解决了阻抗三角法、偏置法计算对阻尼的依赖问题。

1.2 参数的选择

据1.1测量电容的基本原理,断开QF,根据断开前后中性点的电流、电压,以及过渡过程直流分量衰减时间,计算系统对地电容电流的大小。该方法中,需要选择断开谐振接地阻尼回路,断开中性点隔离开关对电路有一定影响,断开中性点隔离开关的条件是,中性点电压位偏移小于20%。

分析(10)式自由分量与开关闭合的时刻有关。

2.8 其他 某些激素如肾上腺皮质激素、甲状腺激素、胃肠激素等水平不足也会引起食欲减退，甚至厌食。夏季气温高、湿度大，可影响胃肠功能、消化液的分泌和消化酶的活性而引起食欲不振，又将此特称为夏季厌食症。另外，有研究[18]表明，厌食症患儿常合并睡眠障碍，二者相互制约、相互依赖、相互影响。

如果开关断开时,

(18)

则没有过渡过程,无法得到时间常数,文中测量方法失效。所以应用该测量方法开关断开需要躲开符合(18)式的时刻。

2 仿真计算

选取符合我国电网实际情况的实例,某10kV实际电网系统,变压器带4条出线,2条架空线路出线长度分别是20km,30km;2条电缆线路出线长度分别是40km,20km。在Matlab中搭建仿真电路如图4所示。L1、L2为两条架空线路出线,L3、L4为两条电缆线路出线,L1、L2、L3、L4长度依次为20km、30km、40km、20km,L1线路换位不充分,A相比其他两相多4km。输电线路参数如表1所示。系统总电容值为3.04×10-5F,谐振电感设置为0.67H。计算中线路选用π型等值电路。仿真中控制开关B2,断开开关B1,示波器Scope1和Scope3对中性点电压和电流进行录波,根据录波波形得到时间常数τ,同时测量稳态电压U∞,零序电流I0。将测量参数带入(14)式计算得到a,b,c,将a,b,c带入(15)式得到对地电容的值。计算结果如表2所示,计算结果为3.04×10-5F,与实际总电容值一样,符合精度要求。

表1 配电系统参数

表2 算例结果

图4 实验仿真电路Fig.4 Experimental simulation circuit

3 结论

文中对35kV及以下架空线路为主的配网系统,提出了一种通过断开中性点开关,测量断开开关前后的电路参数,包括:中性点零序电流和零序稳态电压以及过渡过程的时间常数,从而计算谐振接地系统对地电容电流的方法。该方法相对之前的对地电容电流计算方法有以下特点:

1)测量方法适用广泛。通过文中分析可以得到该测量方法与中性点消弧线圈是否加阻尼没有关系,所以文中测量方法适用于中性点经消弧线圈接地或者中性点经消弧线圈并联阻尼接地。相对于只能适用于中性点经消弧线圈并联阻尼的阻抗三角形法、偏置法等应用范围更广泛。

2)测量方法简单、实用性高。文中提出的基于暂态过程的对地电容测量方法不需要人为设置接地故障,可靠性相对更高;不需要反复调节中性点接地电阻或者消弧线圈电抗,操作更简单,对设备影响相对较小;也不需要对电路额外加入谐波信号,设备经济性更好而且不会让系统加入额外的谐波污染,只需要断开中性点开关测量开关后电路的暂、稳态参数即可,更适用于工程实际应用。

3)通过断开中性点开关,测量暂、稳态电路参数,系统对地电容电流的方法需要的测量时间比较短暂,通过波形分析技术可以在电路稳态到来前计算得到对地电容电流,大大减少了计算时间。随着配电网智能化的不断发展,快速、可靠的配电网测量技术愈加重要,该测量方法大大提高了测量的实时性。

文中提出了一种基于测量断开中性点开关后电路的暂稳态参数来计算对地电容电流的计算方法,该测量方法应用广泛、安全性高、可靠性高、实时性好,对工程实际对地电容电流测量有参考价值。