黃東山等

摘 要： 提出一種在直流電源系統(tǒng)中系統(tǒng)對地電容的測量方法。該方法可以在不影響直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，在線完成測量直流系統(tǒng)對地的各種參數(shù)，再根據(jù)各種參數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)對地電容的大小。這種方法不需要改變直流電源系統(tǒng)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，也不需要系統(tǒng)處于停電狀態(tài)。該方法既安全又可靠，可應(yīng)用于解決直流電源系統(tǒng)對地電容在線測量的問題。

關(guān)鍵詞： 直流系統(tǒng)； 系統(tǒng)電容； 在線測量； 對地電容

中圖分類號： TN95?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0132?03

An on?line measurement method of ground capacitance for DC system

HUANG Dong?shan1， ZHOU Wei1， LI Qiu?xia1， WANG Xiao?ming1， CHEN Hua?shou2

（1. Electric Power Research Institute， Guangxi Grid Company， Nanning 530001， China； 2. Guangzhou Qianshun Electronic Co.， Ltd.， Guangzhou 511430， China）

Abstract： A ground capacitance measurement method for DC power supply system is proposed in this paper. This method can complete the online measurement of various earthing parameters of DC system， without affecting the normal operation of DC power supply system. The system earthing capacitance values can be calculated according to various parameters. It is unnecessary for this method to change the existing structure of the DC power supply system， and neither require the system in a power down state. It is safe and reliable， and can be applied to the online ground capacitance measurement of DC power supply system.

Keywords： DC system； system capacitance； on?line detection； ground capacitance

0 引 言

直流系統(tǒng)對地電容的產(chǎn)生在變電現(xiàn)場中是無法避免的。直流系統(tǒng)對地電容主要由開關(guān)電源對地的濾波電容、屏蔽電纜的對地分布電容、抗干擾電容等組成。一般情況下，變電站的規(guī)模越大，直流系統(tǒng)對地電容也會越大。在現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)中都有一個(gè)誤區(qū)，單點(diǎn)接地不會造成保護(hù)設(shè)備誤動。在傳統(tǒng)的認(rèn)識中，都忽視了直流回路電容的存在，僅考慮了電路回路中電容的通交流隔直流的特性，但實(shí)際上由于直流系統(tǒng)直流系統(tǒng)對地電容的存在，一點(diǎn)接地同樣會引起保護(hù)設(shè)備誤動[1]。因此對現(xiàn)有運(yùn)行的發(fā)電廠和變電站的直流系統(tǒng)對地電容的測量是很有必要的。據(jù)此提出直流系統(tǒng)接地故障引起保護(hù)誤動的防護(hù)措施，盡可能地減少甚至杜絕由于一點(diǎn)接地引起保護(hù)誤動的停電事故[2]。

根據(jù)廣東省電力科學(xué)研究院“直流控制電源接地引起保護(hù)誤動防護(hù)措施”研究結(jié)果，直流系統(tǒng)對地電容與一點(diǎn)接地故障導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動的重要參數(shù)[3]，具體情況如表1所示。

目前，現(xiàn)有的檢測直流系統(tǒng)對地電容參數(shù)的方法和手段是非常有限。傳統(tǒng)方法有電容電橋法、放電法和交流信號注入法。電容電橋法需要將蓄電池、充電機(jī)退出直流系統(tǒng)，斷電測量。然而，這種停電的測量方法在很多場合下是不適用的。因?yàn)樽冸娬?、發(fā)電廠的直流電源系統(tǒng)都是為繼電保護(hù)、控制系統(tǒng)等提供操作電源的，所以完成系統(tǒng)電容測量的作業(yè)必須在直流電源系統(tǒng)不間斷供電的情況下完成測量。

顯然，電容電橋法測量直流電源系統(tǒng)的電容不可取。而放電法是利用電容自身充放電的特性，構(gòu)成RC電路進(jìn)行測量，根據(jù)電容兩端的電壓與時(shí)間的波形曲線獲取系統(tǒng)的電容值，放電法對放電時(shí)間的測量要求比較高，小電容放電時(shí)間短，大電容放電時(shí)間長。測量值偏差大，離散性差。而交流信號注入法是利用低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號通過無極性電容耦合到直流系統(tǒng)的正極或者負(fù)極上，從而測量直流系統(tǒng)電容值的方法。而最新的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定不宜采用低頻信號注入法[4]。由于直流系統(tǒng)一旦投入運(yùn)行，終身服役。一般情況下，是無法退出運(yùn)行狀態(tài)而測量系統(tǒng)對地電容的。而上述的3種測量方法均存在以上所述的不足，因此需要提出一種更為安全可靠的在線檢測直流電源系統(tǒng)對地電容的方法。

1 系統(tǒng)對地電容在線測量原理

1.1 直流系統(tǒng)等效電路

直流系統(tǒng)為變電站的繼電保護(hù)、控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動裝置、UPS和事故照明等提供電源，其主要由蓄電池組、充電設(shè)備、直流屏等設(shè)備組成。在直流系統(tǒng)等效電路中去掉了與其無關(guān)的回路后，其等效電路如圖1所示，圖中[R+，][R-]分別為直流系統(tǒng)正對地、負(fù)對地絕緣電阻；[C+，][C-]分別為直流系統(tǒng)正對地、負(fù)對地的等效電容值。對地電容值的大小主要來自屏蔽電纜的分布電容和開關(guān)電源的對地濾波電容、抗干擾電容。其中[C+，][C-]為所述的測量參數(shù)。根據(jù)直流系統(tǒng)等效電路模型，選擇合適的測量方法和測量信號頻率，以達(dá)到測量系統(tǒng)對地電容[C+，][C-。]

1.2 測量信號頻率選取

隨著電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，發(fā)電廠、變電站的容量不斷增大和規(guī)模范圍的擴(kuò)大，屏蔽電纜對地的分步電容、開關(guān)電源對地的濾波電容和抗干擾電容也隨著增大。正常情況下，220 kV變電站的直流電源系統(tǒng)的系統(tǒng)對地電容在10～50 μF的范圍內(nèi)比較多。如表2所示，不同的電容值在不同頻率下的響應(yīng)特性。

根據(jù)南方電網(wǎng)最新規(guī)程關(guān)于平衡橋的要求[4]，220 V系統(tǒng)平衡橋（30±5） kΩ，110 V系統(tǒng)平衡橋（15±2.5） kΩ，結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，選取測量信號頻率為0.5 Hz最為理想，效果最好。

1.3 檢測方法

首先，在直流系統(tǒng)母線正極與大地或者負(fù)極與大地之間接入一個(gè)可變電阻，根據(jù)可變電阻的輸出特性，通過控制使可變電阻的輸出阻值以頻率0.5 Hz按照正弦函數(shù)的方式變化，因此系統(tǒng)母線對地的電壓也在某一范圍內(nèi)以頻率0.5 Hz按照正弦函數(shù)的方式發(fā)生變化，產(chǎn)生的電流i也符合頻率0.5 Hz的正弦函數(shù)關(guān)系。因此直流系統(tǒng)等效電路如圖2所示的[RC]電路模型。圖中[Ri]為直流系統(tǒng)正對地電阻[R+、]負(fù)對地電阻[R-]的并聯(lián)值，[ZC]為直流系統(tǒng)母線對地的容抗，系統(tǒng)母線對地電容等于正對地電容[C+、]負(fù)對地電容[C-]的并聯(lián)值。該檢測信號的電流i與RC的阻抗有關(guān)。

圖2 檢測等效電路圖

然后通過測量計(jì)算出該電流[i]的相位[tanθ]的大小，再根據(jù)[tanθ]與輸入阻抗[Ri、]容抗[ZC]的關(guān)系，計(jì)算出系統(tǒng)容抗[ZC]的大小，從而可以得出系統(tǒng)對地電容的大小。

[Ri=R+∥R-] （1）

[C=C++C-] （2）

[ZC=1（2πfC）] （3）

[tanθ=RiZC] （4）

根據(jù)南方電網(wǎng)、國家電網(wǎng)關(guān)于直流電源技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定[4]，電壓的瞬時(shí)波動不大于10%的直流額定電壓。先根據(jù)正負(fù)母線對地電壓偏差的關(guān)系，將可變電阻接入對地電壓高的一極，再通過控制可變電阻的輸出阻值范圍，使測量過程中母線對地電壓瞬時(shí)波動小于10%的額定電壓的要求。

根據(jù)式（1）可以知道還要測量直流系統(tǒng)正極對地、負(fù)極對地電阻的大小。再通過一定的電阻網(wǎng)絡(luò)測量直流系統(tǒng)正極對地電壓、負(fù)極對地電壓可以準(zhǔn)確地得出直流系統(tǒng)正極對地電阻[R+、]負(fù)極對地電阻R-大小。從而得出[Ri]的大小

[Ri=R+∥R-=R+R-（R++R-）] （5）

1.4 計(jì)算公式推導(dǎo)

根據(jù)式（1），式（3）和式（4）可以得出：

[C=tanθ（2πfRi）] （6）

再根據(jù)式（5）和式（6）可以推導(dǎo)出系統(tǒng)電容值為

[C=（R++R-）tanθ（2πfR+R-）] （7）

式中：π=3.141 592 6；[f=]0.5 Hz；而[tanθ，][R+，][R-]也為已知量。根據(jù)公式（7）就可以得出系統(tǒng)電容[C]的值。即系統(tǒng)電容：

[C=C++C-=（R++R-）tanθ（πR+R-）] （8）

這就是計(jì)算系統(tǒng)對地電容的數(shù)學(xué)計(jì)算公式。

2 測量系統(tǒng)的組成

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

按照上述所說的測量原理，采用以Cortex?M3為核心的STM32系列的單片機(jī)作為核心處理器[5]，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，AD/DA采用單片機(jī)自帶的1 μs的雙12位ADC，可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度A/D轉(zhuǎn)換。該測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

首先，該測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由電源模塊、主CPU處理器、顯示單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、可調(diào)電阻單元、橋電阻控制電路單元、橋電阻電路、電壓電路取樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元組成。通過輸入端口直接與直流系統(tǒng)母線相連接，在線測量直流系統(tǒng)母線對地電容的參數(shù)。

然后通過橋電阻控制、橋電阻單元和電壓取樣、A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行系統(tǒng)絕緣狀況的測量，即[R+，][R-]的大小。再通過D/A轉(zhuǎn)換、啟動可調(diào)電阻單元輸出和經(jīng)過電流取樣、A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行電流信號的大小、相位的測量，從而根據(jù)式（8），計(jì)算出直流系統(tǒng)對地的系統(tǒng)電容值，并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示。

2.2 軟件流程

軟件流程如圖4所示，首先對STM32系列的單片機(jī)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)正常運(yùn)行后，經(jīng)過電壓取樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行直流系統(tǒng)正極對地電壓、負(fù)極對地電壓的測量，準(zhǔn)確計(jì)算出直流系統(tǒng)正極對地電阻[R+、]負(fù)極對地電阻[R-]的大小，然后根據(jù)正負(fù)極對地電阻的大小，將可調(diào)電阻接入電阻大的一極，再啟動可調(diào)電阻的輸出，通過電流取樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行測量并計(jì)算出測量信號電流的大小和相位關(guān)系。最后根據(jù)計(jì)算式（8）就可以計(jì)算出直流系統(tǒng)母線對地電容值的大小。

3 測量結(jié)果的分析

為了驗(yàn)證該測量方法的正確性，按照圖1所示的等效電路模擬測量。選用不同的[C+，][C-]電容值進(jìn)行實(shí)際測量，實(shí)際測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

從表中的數(shù)據(jù)可以看出：在1～50 μF范圍內(nèi)，除了小電容測量偏差相對大些外，其他的測量值與標(biāo)稱值比較接近。測量的結(jié)果與標(biāo)稱值存在一定的偏差，最主要的原因是電容的標(biāo)稱值與真實(shí)值也存在偏差造成的。但測量值與電容的標(biāo)稱值相差小于2 μF。每組數(shù)據(jù)都重復(fù)測量了10次，每組數(shù)據(jù)的最大值和最小值相差不超過1 μF。即極差小于1 μF。測試的數(shù)據(jù)離散性較好。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了對上述的理論和測量方法進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，在A市的10個(gè)變電站進(jìn)行了實(shí)際測量試驗(yàn)。并記錄了應(yīng)用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表4所示。

從以上的測試結(jié)果來看，不難發(fā)現(xiàn)，220 kV及以下電壓等級的變電站直流系統(tǒng)對地電容值普遍為10～50 μF。個(gè)別站的絕緣裝置內(nèi)部有對地濾波電容，運(yùn)行中增加了系統(tǒng)對地電容。在現(xiàn)場應(yīng)用中，帶電測量系統(tǒng)對地電容過程設(shè)備運(yùn)行正常。

5 結(jié) 論

為了滿足變電站對地電容在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，杜絕由于變電站直流系統(tǒng)母線對地電容過大 ，導(dǎo)致由于一點(diǎn)接地引起保護(hù)設(shè)備誤動，因此電力系統(tǒng)對變電站中直流系統(tǒng)母線對地電容的測量是很有必要的，了解變電站直流系統(tǒng)對地電容參數(shù)情況，據(jù)此提出防范措施。本文提出的這種測量方法經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用的測試試驗(yàn)，可以有效地解決直流電源系統(tǒng)在帶電的情況下系統(tǒng)對地電容測量的難題。

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