CN103675464A - 一种配电***等值对地分布电容测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配电***等值对地分布电容测量方法的技术方案，包括如下步骤：1）向配电***中注入恒定频率的信号电流；2）测量消弧线圈原边的中性线电流和配电***中母线上的母线电压，对测量的中心线电流和母线电压进行滤波，滤除工频的电气量，得到注入配电***的电流及其在等值对地分布电容上产生的压降；3）基于集中参数模型对配电***进行建模，根据欧姆定律获得注入信号电流、电压与配电***等值对地分布电容的复数方程，4）根据步骤3）中的公式获得配电***的等值对地分布电容值及配电***的对地绝缘电阻值。本方法具有原理清晰、易于实现、适用范围广、计算准确度高等优点。

Description

一种配电***等值对地分布电容测量方法

技术领域：

本发明涉及的是一种基于恒频注入信号的配电***等值对地分布电容计算方法。

背景技术：

在现有技术中，公知的技术是在电力***中，85%以上的故障为单相接地故障，其中大多数为瞬时性接地故障。在小电流接地***中，由于***中性点非有效接地，单相接地故障电流为非故障线路的分布电容电流之和。当该电流超过一定幅值时（一般情况下，现场规定大于10A）必须加装消弧线圈，以便减小接地电弧，达到快速消除瞬时性接地故障的目的。随着配电***的改造，供电半径逐渐缩小的同时，***的短路容量却在不断提高，尤其城市电网大量采用电缆供电后，***的分布电容进一步增大，单相接地故障电流能够达到数十安培，必须加装消弧线圈。

近年来，随着技术的进步，出现了能够带电在线调节的消弧线圈，消弧线圈的自动跟踪补偿技术也随之出现。该技术自动跟踪电网对地电容电流的变化，并根据电容电流的大小调节消弧线圈的电感量，使其产生的感性电流始终与电网的容性电流相匹配，能够达到最佳的补偿效果。

消弧线圈的跟踪补偿，主要有预调式和随调式两种。预调式在电网正常运行时自动检测、跟踪***对地电容的变化，实时对消弧线圈做出调整，使其总是运行在谐振点附近，这样在接地故障出现后，消弧线圈马上就能够起到熄灭电弧的作用。由于预调式补偿效果好、消弧效率高，且消弧线圈的调节、切换是在无电压、电流的空载情况下进行的，安全、可靠性高，所以近年来得到越来越多的重视和关注。

在预调式的跟踪补偿***中，在无故障状态下精确检测、计算电网的对地电容是实现正确补偿的核心和关键。目前计算电容电流的方法主要有位移电压法和注入变频信号法等一些算法。位移电压法计算对地电容时必须人为调节消弧线圈的电感，操作比较复杂，对***的安全性有一定的影响，另外采用位移电压的变化量作为测量电容电流的启动量，因位移电压受***的不对称度、阻尼率等因素影响大,因此启动调挡测量频繁；注入变频信号法原理清晰、实现方便，有较大的优越性，但由于谐振频率一般在工频附近，易受中性点不平衡电压的影响，且由于两种频率信号可能比较接近，在加上谐振频率又是未知的，滤波实现比较困难，所以很难消除工频成分的影响，另外该方法需要变频的注入信号源，在进行接地故障选线时有时需要进行信号切换，这是现有技术所存在的不足之处。

发明内容：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于恒频注入信号的配电***等值对地分布电容计算方法。本发明是在***正常运行时，定时或受***结构改变触发向电网注入恒频的电流信号，在***一次侧对注入信号电流及其在对地分布电容支路上产生的压降进行测量和计算，基于配电***的集中参数数学模型，能够快速、准确地计算出***等值对地分布电容。该方法具有原理清晰、易于实现、适用范围广、计算准确度高等优点。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种配电***等值对地分布电容测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）向配电***中注入恒定频率的信号电流；

2）测量消弧线圈原边的中性线电流和配电***中母线上的母线电压，对测量的中心线电流和母线电压进行滤波，滤除工频的电气量，得到注入配电***的电流及其在等值对地分布电容上产生的压降；

3）基于集中参数模型对配电***进行建模，根据欧姆定律获得注入信号电流、电压与配电***等值对地分布电容的复数方程

$\frac{{\stackrel{\·}{I}}_s}{{\stackrel{\·}{U}}_s}=G_x+{\mathrm{j\ω}}_s{C}_x$

式中

为注入信号电流，

为注入信号在等值对地分布电容上产生的压降，G_x为等值对地电阻值，C_x为等值对地电容；

4）根据步骤3）中的公式获得配电***的等值对地分布电容值及配电***的对地绝缘电阻值。

所述的步骤1）找哦你的信号电流为正弦波或者方波。

所述步骤1）中的信号电流频率为

$\left\{\begin{array}{c}N\&CenterDot;f_1<f_{\mathrm{sig}}<(N+1)\&CenterDot;f_1\\ f_{\mathrm{sig}}=\frac{P}{Q}\&CenterDot;f_1\end{array}\right.$

式中，f_sig为注入信号电流频率，N为自然数，f₁为工频信号基波频率，P为对基波信号对每周期采样点数，Q为正整数。

注入信号基波频率选择主要考虑方便信号的提取和检测，为了使注入信号不被电力***的固有信号所淹没，应使注入信号基波频率与电力***的固有信号频率不同，即注入信号基波频率f_sig应介于工频N次与N＋1次（N为自然数）谐波之间。

此外，对注入信号基波频率的选择还要考虑是否便于完成数字信号的处

理与计算，设***的采样频率为f_s，对基波信号每周期采样点数为P，则下式成立：

f_s=P·f₁        （1）

或

T₁=P·T_S        （2）

其中P为正整数，一般为偶数。

同时为了便于对注入信号进行处理和运算，在一个基波周期内对注入信

号的采样点数也为整数，即：

f_s=Q·f_sig        （3）

或

T_sig=Q·T_s        （4）

Q为正整数，一般也取为偶数。

所以，综合上述分析，注入信号基波频率应该取为：

$\left\{\begin{array}{c}N\&CenterDot;f_1<f_{\mathrm{sig}}<(N+1)\&CenterDot;f_1\\ f_{\mathrm{sig}}=\frac{P}{Q}\&CenterDot;f_1\end{array}\right.$

所述的步骤1）中的电流幅值为5～8A。注入信号电流的幅值不能过大，以免对配电***的正常运行、电能质量、计量和保护装置等带来不利影响；并且注入信号的幅值也不能过小，以满足注入信号检测设备能够可靠、准确检测到注入信号为最低要求。

所述的步骤1）中信号电流的注入时间为小于等于3秒，降低注入信号对配电***的影响。

对配电***的信号注入位置为消弧线圈的副边或测量母线电压的电压互感器的二次侧绕组或补偿电容器的中性点。

所述步骤2）的具体方法为：注入信号在线路和等值对地分布电容上产生的压降通过电压互感器的开口三角形绕组测到，注入到一次***的电流通过专用TA测到；并采用滤波***进行处理，这是因为：从互感器二次侧获得的信号包括注入信号，以及幅值很大的工频信号，故采用滤波***准确提取出注入信号。

所述的步骤2）中滤波使用模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器包括工频带阻、注入信号选频放大环节，数字滤波器包括工频差分、注入信号带通环节。

所述的步骤3）中的集中参数模型为π型等值模型或Γ型等值模型，π型等值模型是指在输电线路中将分布电容按照等分配的原则在线路两端等值，Γ型等值模型是指将所有的分布电容归算至线路首端。

本发明的主要优点如下：

1.计算速度快、准确度，可提高消弧线圈的跟踪补偿效果；

2.方案便于实施，可根据***结构和运行方式的不同，采取不同的信号注入方式，有良好的适用性；

3.采用恒频注入信号，易于实现高精度的滤波，不会对***正常运行带来不利影响由。

附图说明：

图1是消弧线圈副边注入方式原理图；

图2是消弧线圈副边注入方式时分布电容计算等值电路图；

图3是母线TV开口三角形绕组注入方式原理图；

图4是母线TV副边注入方式时分布电容计算等值电路图；

图5是并联电容器组中性点注入方式原理图；

图6是并联电容器组中性点注入方式时分布电容计算等值电路图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

具体实施方式一

通过附图1和2可以看出，本方案的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）向配电***中注入恒定频率的信号电流；

2）测量消弧线圈原边的中性线电流和配电***中母线上的母线电压，对测量的中心线电流和母线电压进行滤波，滤除工频的电气量，得到注入配电***的电流及其在等值对地分布电容上产生的压降；

3）基于集中参数模型对配电***进行建模，根据欧姆定律获得注入信号电流、电压与配电***等值对地分布电容的复数方程

$\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}=G_x+{\mathrm{j\&omega;}}_s{C}_x$

式中

为注入信号电流，

为注入信号在等值对地分布电容上产生的压降，G_x为等值对地电阻值，C_x为等值对地电容；

4）根据步骤3）中的公式获得配电***的等值对地分布电容值及配电***的对地绝缘电阻值。

所述的步骤1）中的电流幅值为5～8A。

所述步骤1）中的信号电流频率为

$\left\{\begin{array}{c}N\&CenterDot;f_1<f_{\mathrm{sig}}<(N+1)\&CenterDot;f_1\\ f_{\mathrm{sig}}=\frac{P}{Q}\&CenterDot;f_1\end{array}\right.$

式中，f_sig为注入信号电流频率，N为自然数，f₁为工频信号基波频率，P为对基波信号对每周期采样点数，Q为正整数。

所述的步骤1）中信号电流的注入时间为小于等于3秒。

所述的步骤2）中滤波使用模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器包括工频带阻、注入信号选频放大环节，数字滤波器包括工频差分、注入信号带通环节。

所述的步骤3）中的集中参数模型为π型等值模型或Γ型等值模型。

本实施例中，通过消弧线圈副边注入向配电***中注入恒定频率正弦波的信号电流，注入电流信号经耦合滤波器加至消弧线圈的副边，并耦合到***一次侧，其值由安装在消弧线圈一次侧的TA获得。耦合滤波器作用在于减小信号注入装置的输出阻抗，提高信号注入效率并防止工频信号对注入装置的冲击。注入的电流信号在***一次侧三相中感应出幅值相等、相位一致的电流信号，如图1中箭头所示，经线路、对地分布电容支路和消弧线圈形成回路；等效电路如图3所示。

图2中

为注入信号在消弧线圈原边产生的等效电压，L_xh为消弧线圈原边的电感，L_d为接地变压器零序电感，Z_l为所有线路并联后的等效阻抗，G_x为***等值对地电阻值，C_x为***等值对地电容。

为流过消弧线圈原边的注入电流相量，可通过电流互感器TA获得，

为注入电流在***一次侧所有线路中的电流相量之和，有

为注入信号在***线路与分布电容支路上产生的电压降，可由母线处的开口三角形电压互感器TV获得。

由正弦稳态电路理论得：

$\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s-Z_l{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}=G_x+{\mathrm{j\&omega;}}_s{C}_x---\left(6\right)$

其中ω_s=2πf_sig，f_sig为注入信号电流频率。与***的对地容抗相比，线路阻抗Z_l很小，为简化计算可以忽略，当***规模较大、出线数量较多时，Z_l的

影响会进一步减小。故近似有：

$\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}=G_x+{\mathrm{j\&omega;}}_s{C}_x---\left(7\right)$

将（7）式两边分别按实、虚部展开，得：

$G_x=\mathrm{Re}\left[\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}\right]---\left(8\right)$

$C_x=\frac{\mathrm{Im}\left[\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}\right]}{{\mathrm{\&omega;}}_s}---\left(9\right)$

由式（8）、（9）可见，不仅能计算出***的对地等效分布电容，还可计算出***的等值对地电阻值，对***的绝缘情况进行监视。

具体实施方式二

通过附图3和4可以看出，本方案的配电***等值对地分布电容测量方法，

其特征在于包括如下步骤：

1）向配电***中注入恒定频率的信号电流；

2）测量消弧线圈原边的中性线电流和配电***中母线上的母线电压，对测量的中心线电流和母线电压进行滤波，滤除工频的电气量，得到注入配电***的电流及其在等值对地分布电容上产生的压降；

3）基于集中参数模型对配电***进行建模，根据欧姆定律获得注入信号电流、电压与配电***等值对地分布电容的复数方程

$\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}=G_x+{\mathrm{j\&omega;}}_s{C}_x$

式中

为注入信号电流，

为注入信号在等值对地分布电容上产生的压降，G_x为等值对地电阻值，C_x为等值对地电容；

4）根据步骤3）中的公式获得配电***的等值对地分布电容值及配电***的对地绝缘电阻值。

所述的步骤1）中的电流幅值为5～8A。

所述步骤1）中的信号电流频率为

$\left\{\begin{array}{c}N\&CenterDot;f_1<f_{\mathrm{sig}}<(N+1)\&CenterDot;f_1\\ f_{\mathrm{sig}}=\frac{P}{Q}\&CenterDot;f_1\end{array}\right.$

式中，f_sig为注入信号电流频率，N为自然数，f₁为工频信号基波频率，P为对基波信号对每周期采样点数，Q为正整数。

所述的步骤1）中信号电流的注入时间为小于等于3秒。

所述的步骤2）中滤波使用模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器包括工频带阻、注入信号选频放大环节，数字滤波器包括工频差分、注入信号带通环节。

所述的步骤3）中的集中参数模型为π型等值模型或Γ型等值模型，。

本实施例中通过母线电压互感器TV开口三角形绕组注入恒定频率正弦波的信号电流包括从开口三角形侧注入和从星形侧注入两种方式。为不影响母线TV的正常运行，最好为注入信号设置独立的二次绕组。以从开口三角形绕组注入信号为例，原理如图3所示。***一次侧感应的注入信号一部分流经线路、等效对地分布电容支路，另一部分流经消弧线圈支路，后者可利用消弧线圈处的电流互感器TA获得。注入信号在***线路和对地分布电容上产生的电压可用母线处的电压互感器TV获得。

设注入的电流是，母线电压互感器TV的变比是n_TV，则感应到一次侧三相的注入电流和为

消弧线圈处TA测得的注入电流为

***对地分布电容的等值计算电路如图4所示，其中L_TV为母线电压互感器TV的零序电感，L_d为接地变压器零序电感，L_xh为消弧线圈电感，

为流过消弧线圈的电流。流过***对地分布电容支路的电流为

若忽略线路阻抗Z_l，***对地等值分布电容的计算公式与式（9）相同，也可以利用式（8）计算***绝缘电导。

从电压互感器TV副边星型绕组注入信号的方案与从开口三角形侧注入的方案类似，等值对地分布电容的计算原理也类似。需要指出的是，如果信号从TV副边星型绕组注入，只能选择从某相注入，计算得到的是该相的对地分布电容，如果***三相对称，可认为***的对地分布电容值为单相值的3倍，否则可以通过切换注入相别，依次计算出各相的对地分布电容值，从而得到***三相的对地分布电容值

具体实施方式三

通过附图5和6可以看出，本方案的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）向配电***中注入恒定频率的信号电流；

2）测量消弧线圈原边的中性线电流和配电***中母线上的母线电压，对测量的中心线电流和母线电压进行滤波，滤除工频的电气量，得到注入配电***的电流及其在等值对地分布电容上产生的压降；

3）基于集中参数模型对配电***进行建模，根据欧姆定律获得注入信号电流、电压与配电***等值对地分布电容的复数方程

$\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}=G_x+{\mathrm{j\&omega;}}_s{C}_x$

式中

为注入信号电流，

为注入信号在等值对地分布电容上产生的压降，G_x为等值对地电阻值，C_x为等值对地电容；

4）根据步骤3）中的公式获得配电***的等值对地分布电容值及配电***的对地绝缘电阻值。

所述的步骤1）中的电流幅值为5～8A。

所述步骤1）中的信号电流频率为

$\left\{\begin{array}{c}N\&CenterDot;f_1<f_{\mathrm{sig}}<(N+1)\&CenterDot;f_1\\ f_{\mathrm{sig}}=\frac{P}{Q}\&CenterDot;f_1\end{array}\right.$

式中，f_sig为注入信号电流频率，N为自然数，f₁为工频信号基波频率，P为对基波信号对每周期采样点数，Q为正整数。

所述的步骤1）中信号电流的注入时间为小于等于3秒。

所述的步骤2）中滤波使用模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器包括工频带阻、注入信号选频放大环节，数字滤波器包括工频差分、注入信号带通环节。

所述的步骤3）中的集中参数模型为π型等值模型或Γ型等值模型。

本实施方式采用从并联电容器组中性点注入信号的方式，其方案如图5所示。在电容器组中性点与大地之间加装一个具有高短路阻抗的单相接地变压器，信号注入装置接至其二次侧。***一次侧感应的注入电流如中的箭头所示。

等值分布电容计算电路如图6所示，其中Z_e是单相接地变压器与电容器组的等值阻抗，L_d为三相接地变压器零序电感，L_xh为消弧线圈的电感，I_o为注入电流信号在***一次侧感应的三相电流之和。流过***分布电容支路的电流为

为注入信号在线路与***分布电容上产生的电压降，忽略线路阻抗Z_l，将

代入式（9）可求出***的等值分布电容。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种配电***等值对地分布电容测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）向配电***中注入恒定频率的信号电流；

2）测量消弧线圈原边的中性线电流和配电***中母线上的母线电压，对测量的中心线电流和母线电压进行滤波，滤除工频的电气量，得到注入配电***的电流及其在等值对地分布电容上产生的压降；

3）基于集中参数模型对配电***进行建模，根据欧姆定律获得注入信号电流、电压与配电***等值对地分布电容的复数方程 $\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}=G_x+{\mathrm{j\&omega;}}_s{C}_x$

式中

为注入信号电流，

为注入信号在等值对地分布电容上产生的压降，G_x为等值对地电阻值，C_x为等值对地电容；

4）根据步骤3）中的公式获得配电***的等值对地分布电容值及配电***的对地绝缘电阻值。

2.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：所述的步骤1）找哦你的信号电流为正弦波或者方波。

3.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：所述步骤1）中的信号电流频率为

$\left\{\begin{array}{c}N\&CenterDot;f_1<f_{\mathrm{sig}}<(N+1)\&CenterDot;f_1\\ f_{\mathrm{sig}}=\frac{P}{Q}\&CenterDot;f_1\end{array}\right.$

式中，f_sig为注入信号电流频率，N为自然数，f₁为工频信号基波频率，P为对基波信号对每周期采样点数，Q为正整数。

4.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：所述的步骤1）中的电流幅值为5～8A。

5.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：所述的步骤1）中信号电流的注入时间为小于等于3秒。

6.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：对配电***的信号注入位置为消弧线圈的副边或测量母线电压的电压互感器的二次侧绕组或补偿电容器的中性点。

7.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：所述的步骤2）中滤波使用模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器包括工频带阻、注入信号选频放大环节，数字滤波器包括工频差分、注入信号带通环节。

8.根据权利要求1所述的配电***等值对地分布电容测量方法，其特征是：所述的步骤3）中的集中参数模型为π型等值模型或Γ型等值模型。

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