CN106093591A - 一种中性点不接地配电网电容电流测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电网电容电流测量技术，具体涉及一种中性点不接地配电网电容电流测量系统及方法，测量系统包括母线电压互感器、可调电阻、变频电压源和电压测量仪；可调电阻与变频电压源串联后接入母线电压互感器第三绕组两端，电压测量仪也接入母线电压互感器第三绕组两端。利用测量系统进行测量的方法解决母线电压互感器的短路阻抗影响测量精度的问题，并且考虑到由于电网不平衡度而引起的零序电压对信号注入法测量电容电流的影响，提高配电网电容电流测量的准确性，采用精确的戴维南等效电路模型，对系统的对地电容进行求解。测量过程在互感器的第三绕组侧进行，不需要变更一次设备接线，测量方法安全便捷，结果准确可靠。

Description

一种中性点不接地配电网电容电流测量系统及方法

技术领域

本发明属于配电网电容电流测量技术领域，特别涉及一种中性点不接地配电网电容电流测量系统及方法。

背景技术

我国早期的中低压配电网多采用中性点不接地方式，发生单相接地故障时，在电网电容电流不大的情况下，接地电弧能够自熄，配电网可带故障继续供电1～2小时。随着电力系统配电网络的不断发展，尤其是城市电网中电缆线路的大量投运，线路对地电容电流不断增大，导致配网线路的单相接地故障电流急剧增大，接地弧难以自熄灭，进而引发相间短路故障。为了确保电网中出现的各种接地电弧能可靠熄灭，当系统电容电流大于规程要求的限值时，须安装消弧线圈以补偿接地电容电流。配电网的电容电流的准确测量是消弧线圈合理补偿的前提，消弧线圈安装与否以及安装容量的大小，取决于电容电流测量值的大小。

为避免在电网一次侧进行操作，目前广泛采用的测量方法是信号注入法。在测量中性点不接地配电网的电容电流时，通常选择在互感器的开口三角端注入异频信号，通过测量注入信号的电流和开口三角端的电压来计算电网的对地电容。考虑到电压互感器的短路阻抗不能忽略不计，有些方法则通过加一个可调电感来减小误差。但考虑到电网实际运行时会存在一定的零序电压，该零序电压会反映在互感器开口三角端，对电压的测量带来很大的影响，往往使得测量结果误差较大。

发明内容

本发明的目的是提出了一种测量过程在母线电压互感器的第三绕组侧进行，不需要变更一次设备接线，并考虑采用注入信号法测量电容电流时，电网实际运行时的零序电压对测量结果的影响，能提高配电网电容电流测量准确性的中性点不接地配电网电容电流测量系统及方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种中性点不接地配电网电容电流测量系统，包括母线电压互感器、可调电阻、变频电压源和电压测量仪；所述可调电阻与变频电压源串联后接入所述母线电压互感器第三绕组两端，所述电压测量仪也接入所述母线电压互感器第三绕组两端。

在所述的中性点不接地配电网电容电流测量系统中，所述母线电压互感器第三绕组为开口三角形接法。

在所述的中性点不接地配电网电容电流测量系统中，所述电压测量仪采用电磁式仪表，且连接在所述母线电压互感器的开口三角端。

一种中性点不接地配电网电容电流测量方法，包括以下步骤：

S1.将变频电压源和可调电阻支路断开，测量开路电压U₀；

S2.将变频电压源输出置零，可调电阻阻值调至最大，接上变频电压源和可调电阻支路，调节可调电阻阻值至R₁，记录电压测量仪读数U₀₁；

S3.再调节可调电阻阻值至R₂，记录电压测量仪读数U₀₂；

S4.保持可调电阻阻值为R₂不变，设置变频电压源输出电压频率为25Hz，输出电压有效值为E₁，记录电压测量仪读数U₁；

S5.保持可调电阻阻值为R₂不变，设置变频电压源输出电压频率为75Hz，输出电压有效值为E₂，记录电压测量仪读数U₂；

S6.依据步骤S1、S2、S3、S4、S5所测量数据，求解电网对地电容，经计算得到电网的电容电流值。

在所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法中，所述步骤S2中的变频电压源为输出电压范围0～5V、频率范围10Hz～100Hz的变频电压源；所述可调电阻为高精确阻值可读，调节范围在0～5Ω的可调电阻。

在所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法中，所述步骤S2、S3中若开路电压大，则可调电阻阻值相应调大，且可调电阻调节范围1～3Ω。

在所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法中，所述步骤S4、S5中变频电压源的输出电压设置在5V左右，原则是不影响电网的正常运行。

在所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法中，所述步骤S6中求解电网对地电容以及电网的电容电流值包括以下步骤：

S61.求出R和|X₅₀|；

根据所述步骤S1、S2、S3，得以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{01}=\frac{R_1}{\sqrt{X_{50}^2+{(R+R_1)}^2}}{U}_0\\ U_{02}=\frac{R_2}{\sqrt{X_{50}^2+{(R+R_2)}^2}}{U}_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，U₀为开路电压；C₀为折算到母线电压互感器第三绕组的电网对地电容；R和L为母线电压互感器折算到第三绕组的漏阻和漏感；X₅₀为电容C₀和电感L在工频50Hz下的电抗；

解(1)得到R和|X₅₀|；

S62.求出U_E1和U_E2；

根据所述步骤S4、S5得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1^2=U_{02}^2+U_{E1}^2\\ U_2^2=U_{02}^2+U_{E2}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U₀₂为电压源U₀单独作用时测量点电压有效值，U_E1为变频电压源输出频率为25Hz时输出电压有效值，U_E2为变频电压源输出频率为75Hz时输出电压有效值；

解(2)得到U_E1和U_E2；

S63.求出|X₂₅|和|X₇₅|；

由分压原理，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{E1}=\frac{\sqrt{X_{25}^2+R^2}}{\sqrt{X_{25}^2+{(R+R_2)}^2}}{E}_1\\ U_{E2}=\frac{\sqrt{X_{75}^2+R^2}}{\sqrt{X_{75}^2+{(R+R_2)}^2}}{E}_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，X₂₅为电容C₀和电感L在25Hz下的电抗，X₇₅为电容C₀和电感L在75Hz下的电抗；

解(3)得到|X₂₅|和|X₇₅|；

S64.计算电容C₀；

比较所述步骤S61、S63所得|X₅₀|、|X₂₅|和|X₇₅|的大小；

a.若|X₇₅|为最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{50}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{50}{C}_0}=-\left|X_{50}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{25}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{25}{C}_0}=-\left|X_{25}\right|\end{array}\right.---\left(4\right);$

b.若|X₅₀|为最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{75}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{75}{C}_0}=\left|X_{75}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{25}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{25}{C}_0}=-\left|X_{25}\right|\end{array}\right.---\left(5\right);$

c.若|X₂₅|为最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{75}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{75}{C}_0}=\left|X_{75}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{50}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{50}{C}_0}=\left|X_{50}\right|\end{array}\right.---\left(6\right);$

其中，ω₇₅、ω₅₀和ω₂₅分别为与频率75Hz、50Hz和25Hz相对应的角频率；

解(4)、(5)、(6)得到电容C₀；

S65.将步骤S64得到的电容C₀换算成电网的对地电容C₀′；

换算公式为：

$C_0^{\′}=9C_0/k_{13}^2---\left(7\right)$

其中，k₁₃为电压互感器第一绕组到第三绕组的变比；

S66.最后求出电网的电容电流：

其中，I_C为电网的电容电流，为电网额定相电压。

为了解决母线电压互感器的短路阻抗影响测量精度的问题，并且考虑到由于电网不平衡度而引起的零序电压对信号注入法测量电容电流的影响，提高配电网电容电流测量的准确性，提出的中性点不接地配电网电容电流测量系统，包括母线电压互感器、可调电阻、变频电压源和电压测量仪；当母线电压互感器处于正常工作状态，其第三绕组为开口三角形接法，变频电压源与可调电阻串联后接入电压互感器的开口三角端，电压测量仪为电磁式仪表，将其接入互感器开口三角端，用于测量电压有效值。

同时还提出了中性点不接地配电网电容电流测量方法，包括以下步骤：

1)把变频电压源和可调电阻支路断开，测量开路电压；

2)把变频电压源输出置零，可调电阻阻值调到最大，接上变频电压源和可调电阻支路，调节可调电阻阻值，记录电压测量仪读数；

3)改变可调电阻阻值，记录电压测量仪读数；

4)保持可调电阻阻值不变，设置变频电压源，使其输出25Hz的电压，记录电压测量仪读数；

5)保持可调电阻阻值不变，设置变频电压源，使其输出75Hz的电压，记录电压测量仪读数；

上述步骤1)中，所选变频电压源输出电压范围0-5V、频率范围10Hz-100Hz即可，所选可调电阻调节范围0-5Ω，阻值可读并且精度高。

上述步骤2)、3)中，可调电阻阻值在1-3Ω范围内调节较为合适，不能太小，也不宜过大，为了提高测量精度，如果开路电压较大，阻值可以相应的调大些。

上述步骤4)、5)中，变频电压源的输出电压可以设置在5V左右，不会影响电网的正常运行。

本发明有益效果：在考虑系统零序电压和互感器短路阻抗的情况下，采用精确的戴维南等效电路模型，对系统的对地电容进行求解。在原理上不仅避免了电压互感器短路阻抗对测量结果的影响，而且解决了一般信号注入法测量电容电流时无法避免的工频电压干扰的问题。测量过程在互感器的第三绕组侧进行，不需要变更一次设备接线，测量方法安全便捷。解决了采用注入信号法测量电容电流时，电网实际运行时的零序电压对测量结果的影响问题，测量结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式的系统示意图；

图2为本发明一个具体实施方式的测量原理图；

其中，1-母线电压互感器、2-可调电阻、3-变频电压源、4-电压测量仪、A-第三绕组开口端标记、B-第三绕组开口端标记。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1是本发明的实施方式中性点不接地配电网电容电流测量系统示意图，包括母线电压互感器1、可调电阻2、变频电压源3和电压测量仪4；所述可调电阻2与变频电压源3串联后接入所述母线电压互感器1第三绕组两端，所述电压测量仪4也接入所述母线电压互感器1第三绕组两端。

在上述的的中性点不接地配电网电容电流测量系统中，所述母线电压互感器1第三绕组为开口三角形接法。所述电压测量仪4采用电磁式仪表，且连接在所述母线电压互感器1的开口三角端。

具体实施时，中性点不接地配电网电容电流测量系统，包括母线电压互感器1、可调电阻2、变频电压源3和电压测量仪4。母线电压互感器1处于正常工作状态，其第三绕组为开口三角形接法，开口端标记为A、B，可调电阻2与变频电压源3串联后，接入到电压互感器的A、B两端，电压测量仪4为电磁式仪表，将其接入到A、B两端，用于测量开口三角端电压有效值。

图2所示，是利用上述测量系统的中性点不接地配电网电容电流测量方法，由于电网的不平衡度的影响，会在电压互感器的开口三角端产生一个零序电压，U₀即为电压互感器开口三角端的开口电压。从A、B两端往电网侧看进去，其戴维南等效电路如图2中部分Ⅰ所示，其开路电压为U₀；C₀为折算到电压互感器第三绕组的电网对地电容；R和L为电压互感器折算到第三绕组的漏阻和漏感。另外，R’为可调电阻；E为变频电压源。

上述测量方法具体包括以下步骤：

①把变频电压源和可调电阻支路断开，测量开路电压U₀；

②把变频电压源输出置零，可调电阻阻值调到最大，接上变频电压源和可调电阻支路，将可调电阻阻值调到R₁，记录电压测量仪读数U₀₁；

③将可调电阻阻值调到R₂，记录电压测量仪读数U₀₂；

④保持可调电阻阻值为R₂不变，设置变频电压源输出电压频率为25Hz，输出电压有效值大小为E₁，记录电压测量仪读数U₁；

⑤保持可调电阻阻值为R₂不变，设置变频电压源输出电压频率为75Hz，输出电压有效值大小为E₂，记录电压测量仪读数U₂；

根据上述步骤①、②、③，可得以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{01}=\frac{R_1}{\sqrt{X_{50}^2+{(R+R_1)}^2}}{U}_0\\ U_{02}=\frac{R_2}{\sqrt{X_{50}^2+{(R+R_2)}^2}}{U}_0\end{array}\right.$

其中X₅₀为电容C₀和电感L在工频50Hz下的电抗，由此方程组可以求出R和|X₅₀|。

上述步骤④、⑤的原理如下：

在两个不同频率的电压源U₀和E₁或E₂的共同作用下，电压测量仪的读数U₁或U₂与两电源分别单独作用时测量点电压有效值有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1^2=U_{02}^2+U_{E1}^2\\ U_2^2=U_{02}^2+U_{E2}^2\end{array}\right.$

其中，U₀₂为电压源U₀单独作用时测量点电压有效值，U_E1为变频电压源输出频率为25Hz时输出电压有效值，U_E2为变频电压源输出频率为75Hz时输出电压有效值。根据上式可以求得U_E1和U_E2。

由分压原理，可得以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{E1}=\frac{\sqrt{X_{25}^2+R^2}}{\sqrt{X_{25}^2+{(R+R_2)}^2}}{E}_1\\ U_{E2}=\frac{\sqrt{X_{75}^2+R^2}}{\sqrt{X_{75}^2+{(R+R_2)}^2}}{E}_2\end{array}\right.$

上式中，X₂₅为电容C₀和电感L在25Hz下的电抗，X₇₅为电容C₀和电感L在75Hz下的电抗。代入数据解方程组可求得|X₂₅|和|X₇₅|。

⑥根据求出的|X₅₀|、|X₂₅|和|X₇₅|，计算电网的对地电容C₀，方法如下：

判断|X₅₀|、|X₂₅|和|X₇₅|的大小，

a.若|X₇₅|最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{50}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{50}{C}_0}=-\left|X_{50}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{25}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{25}{C}_0}=-\left|X_{25}\right|\end{array}\right.$

b.若|X₅₀|最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{75}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{75}{C}_0}=\left|X_{75}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{25}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{25}{C}_0}=-\left|X_{25}\right|\end{array}\right.$

c.若|X₂₅|最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{75}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{75}{C}_0}=\left|X_{75}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{50}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{50}{C}_0}=\left|X_{50}\right|\end{array}\right.$

上式中ω₇₅、ω₅₀和ω₂₅分别为与频率75Hz、50Hz和25Hz相对应的角频率，求解方程组即可得C₀。

⑦最后将求得的C₀换算成电网的对地电容C₀′，换算公式为其中k₁₃为电压互感器第一绕组到第三绕组的变比。

电网的电容电流其中，为电网额定相电压。

为了验证本发明具体实施方式的有效性，在Matlab/Simulink中设置三组不同的电容值分别进行仿真分析，第一组为3μF、3.05μF、3.1μF；第二组为10μF、10.3μF、10.5μF；第三组为30.1μF、30.5μF、30.8μF。

对于不同组合的系统对地电容，分别进行了仿真，得到数据如表1所示。

表1、不同对地电容组合下的仿真测量数据及计算结果

上述仿真结果中，不同对地电容组合下的测量误差均在2％以内，验证了本具体实施方式的方法不仅有效，而且具有较高的精确性。

本具体实施方式采用精确的戴维南等效电路模型，对系统的对地电容进行求解。在原理上不仅避免了电压互感器短路阻抗对测量结果的影响，而且解决了一般信号注入法测量电容电流时无法避免的工频电压干扰的问题。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种中性点不接地配电网电容电流测量系统，其特征在于：包括母线电压互感器、可调电阻、变频电压源和电压测量仪；所述可调电阻与变频电压源串联后接入所述母线电压互感器第三绕组两端，所述电压测量仪也接入所述母线电压互感器第三绕组两端。

2.根据权利要求1所述的中性点不接地配电网电容电流测量系统，其特征在于：所述母线电压互感器第三绕组为开口三角形接法。

3.根据权利要求2所述的中性点不接地配电网电容电流测量系统，其特征在于：所述电压测量仪采用电磁式仪表，且连接在所述母线电压互感器的开口三角端。

4.一种利用权利要求1至3任一权利要求所述测量系统的中性点不接地配电网电容电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将变频电压源和可调电阻支路断开，测量开路电压U₀；

S2.将变频电压源输出置零，可调电阻阻值调至最大，接上变频电压源和可调电阻支路，调节可调电阻阻值至R₁，记录电压测量仪读数U₀₁；

S3.再调节可调电阻阻值至R₂，记录电压测量仪读数U₀₂；

S4.保持可调电阻阻值为R₂不变，设置变频电压源输出电压频率为25Hz，输出电压有效值为E₁，记录电压测量仪读数U₁；

S5.保持可调电阻阻值为R₂不变，设置变频电压源输出电压频率为75Hz，输出电压有效值为E₂，记录电压测量仪读数U₂；

S6.依据步骤S1、S2、S3、S4、S5所测量数据，求解电网对地电容，经计算得到电网的电容电流值。

5.根据权利要求4所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的变频电压源为输出电压范围0～5V、频率范围10Hz～100Hz的变频电压源；所述可调电阻为高精确阻值可读，调节范围在0～5Ω的可调电阻。

6.根据权利要求4所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法，其特征在于，所述步骤S2、S3中若开路电压大，则可调电阻阻值相应调大，且可调电阻调节范围1～3Ω。

7.根据权利要求4所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法，其特征在于，所述步骤S4、S5中变频电压源的输出电压设置在5V左右，原则是不影响电网的正常运行。

8.根据权利要求4所述的中性点不接地配电网电容电流测量方法，其特征在于，所述步骤S6中求解电网对地电容以及电网的电容电流值包括以下步骤：

S61.求出R和|X₅₀|；

根据所述步骤S1、S2、S3，得以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{01}=\frac{R_1}{\sqrt{X_{50}^2+{(R+R_1)}^2}}{U}_0\\ U_{02}=\frac{R_2}{\sqrt{X_{50}^2+{(R+R_2)}^2}}{U}_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，U₀为开路电压；C₀为折算到母线电压互感器第三绕组的电网对地电容；R和L为母线电压互感器折算到第三绕组的漏阻和漏感；X₅₀为电容C₀和电感L在工频50Hz下的电抗；

解(1)得到R和|X₅₀|；

S62.求出U_E1和U_E2；

根据所述步骤S4、S5得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1^2=U_{02}^2+U_{E1}^2\\ U_2^2=U_{02}^2+U_{E2}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，U₀₂为电压源U₀单独作用时测量点电压有效值，U_E1为变频电压源输出频率为25Hz时输出电压有效值，U_E2为变频电压源输出频率为75Hz时输出电压有效值；

解(2)得到U_E1和U_E2；

S63.求出|X₂₅|和|X₇₅|；

由分压原理，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{E1}=\frac{\sqrt{X_{25}^2+R^2}}{\sqrt{X_{25}^2+{(R+R_2)}^2}}{E}_1\\ U_{E2}=\frac{\sqrt{X_{75}^2+R^2}}{\sqrt{X_{75}^2+{(R+R_2)}^2}}{E}_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，X₂₅为电容C₀和电感L在25Hz下的电抗，X₇₅为电容C₀和电感L在75Hz下的电抗；

解(3)得到|X₂₅|和|X₇₅|；

S64.计算电容C₀；

比较所述步骤S61、S63所得|X₅₀|、|X₂₅|和|X₇₅|的大小；

a.若|X₇₅|为最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{50}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{50}{C}_0}=-\left|X_{50}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{25}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{25}{C}_0}=-\left|X_{25}\right|\end{array}\right.---\left(4\right);$

b.若|X₅₀|为最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{75}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{75}{C}_0}=\left|X_{75}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{25}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{25}{C}_0}=-\left|X_{25}\right|\end{array}\right.---\left(5\right);$

c.若|X₂₅|为最小，则有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{75}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{75}{C}_0}=\left|X_{75}\right|\\ {\mathrm{\ω}}_{50}L-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{50}{C}_0}=\left|X_{50}\right|\end{array}\right.---\left(6\right);$

其中，ω₇₅、ω₅₀和ω₂₅分别为与频率75Hz、50Hz和25Hz相对应的角频率；解(4)、(5)、(6)得到电容C₀；

S65.将步骤S64得到的电容C₀换算成电网的对地电容C′₀；

换算公式为：

$C_0^{\′}=9C_0/k_{13}^2---\left(7\right)$

其中，k₁₃为电压互感器第一绕组到第三绕组的变比；

S66.最后求出电网的电容电流：

其中，I_C为电网的电容电流，为电网运行相电压。