王智勇，王開明，覃日升，敖剛，李章勇

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明安寧供電局，昆明 650300；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100； 3. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 6502517，4. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

我國中壓配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈或經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式[1-2]。隨著供電網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，特別是電纜線路日益廣泛應(yīng)用，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，部分中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中存在故障點(diǎn)電容電流過大，接地電弧很難熄滅等問題。從而產(chǎn)生弧光接地過電壓，有可能演化成兩相短路等惡劣事故。為實(shí)現(xiàn)故障時(shí)電弧的可靠熄滅，抑制故障升級(jí)，基于消弧線圈以補(bǔ)償電容電流的方式是當(dāng)前治理的主流方法[3]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈與電網(wǎng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路[4]。當(dāng)消弧線圈運(yùn)行于諧振點(diǎn)附近，感性電流與故障容性電流互相抵消，從而減小故障點(diǎn)電流值，保證了接地電弧的可靠自熄。

電容電流的精確測量是消弧線圈合理補(bǔ)償?shù)那疤?，如何選擇消弧線圈容量，需要知道對(duì)地容性電流值。此外對(duì)地電容值也是分析鐵磁諧振的重要參數(shù)，因此測量系統(tǒng)的對(duì)地電容電流值不可或缺[5]。但由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，線路對(duì)地電容的存在，導(dǎo)致線地間容性電流無法簡單、直接的測量。

現(xiàn)階段容性電流測量法主要有兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、并聯(lián)阻抗法和有源注入法[6-7]。兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法和并聯(lián)阻抗法的測試精度受運(yùn)行態(tài)勢及電網(wǎng)參數(shù)作用，因而易造成系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓偏移較大；有源注入法的測量精度受注入信號(hào)強(qiáng)度、頻率等因素綜合影響，需要多方面控制才能實(shí)現(xiàn)精確測量[8-11]。

基于以上不足，本文提出了濾波箱自適應(yīng)掃頻法。其主旨是在消弧線圈濾波箱中間變壓器二次側(cè)或零序PT 二次側(cè)注入特定頻率的恒流信號(hào)IN，即在注入信號(hào)選擇前先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。該方法基于注入法，自適應(yīng)選擇性尋找掃描信號(hào)頻率，并根據(jù)背景信號(hào)含有率情況，選擇含量較低的頻率信號(hào)作為注入信號(hào)，從而減少干擾和畸變信號(hào)對(duì)結(jié)果的影響，削減了消弧線圈在電壓不平衡下的電容值測量誤差，實(shí)現(xiàn)精確測量。

1 傳統(tǒng)容性電流測試方法

1.1 兩點(diǎn)法

兩點(diǎn)法適用于中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，在較大中性點(diǎn)位移電壓工況下才能運(yùn)用。該法旨在通過測量兩種不同脫諧度下的中性點(diǎn)電壓和消弧線圈電流，計(jì)算容性電流，其精準(zhǔn)度有賴于脫諧度。兩點(diǎn)法忽略阻尼率，即線路對(duì)地電導(dǎo)和消弧線圈附加電阻值，測量精度有待提升，其易造成系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓偏移較大。

1.2 三點(diǎn)法

三點(diǎn)法是對(duì)兩點(diǎn)法的改進(jìn)算法，加入考慮了阻尼率因素。三點(diǎn)法測量較多，需要測量三種脫諧度下中性點(diǎn)電壓及消弧線圈電流，計(jì)算過程復(fù)雜。容性電流的準(zhǔn)確測量有賴于較小脫諧度和較大中性點(diǎn)位移電壓工況才能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也將造成中性點(diǎn)電壓偏移。

1.3 阻抗法

阻抗法適用于消弧線圈并（串）聯(lián)電阻的接地系統(tǒng)中，常應(yīng)用在帶有有載開關(guān)調(diào)匝式或氣隙式消弧線圈的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置系統(tǒng)中。由于電感值無法連續(xù)調(diào)節(jié)，只能將裝置調(diào)整到離諧振點(diǎn)最近的分接頭處，調(diào)整精度受到影響。阻抗法為預(yù)調(diào)諧法，即電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行調(diào)協(xié)，發(fā)生單相接地故障后不再調(diào)節(jié)。該方法計(jì)算電容電流仍需測量兩種脫諧度下的中性點(diǎn)電壓及消弧線圈電流，測試過程仍會(huì)造成中性點(diǎn)電壓位移。

1.4 有源注入法

有源注入法是從母線電壓互感器二次側(cè)開口三角側(cè)注入兩個(gè)幅值相同、頻率不同的電流信號(hào)，通過測量注入電壓，構(gòu)成一系列方程組，求解出電網(wǎng)電容電流。這種方法測量電容電流法不能采用某些固定頻率來滿足所有測量要求，必須根據(jù)相應(yīng)的判據(jù)采用自適應(yīng)技術(shù)，將頻率從高到低進(jìn)行搜頻，找到最合適頻段注入該頻率段的兩組異頻電流進(jìn)行電容電流的測量。有源注入法的測量精度受注入信號(hào)強(qiáng)度、頻率等因素綜合影響，需要多方面控制才能實(shí)現(xiàn)精確測量。

2 自適應(yīng)掃頻法

借鑒有源注入法，本文提出了在消弧線圈濾波箱中間變壓器二次側(cè)或零序PT 二次側(cè)注入特殊頻率的恒流信號(hào)IN，向消弧線圈一次側(cè)注入特殊頻率信號(hào)的自適應(yīng)掃頻測試法。為了確保測試值盡量不受系統(tǒng)影響，在注入信號(hào)選擇前先對(duì)系統(tǒng)背景信號(hào)進(jìn)行頻率掃描，根據(jù)背景信號(hào)的含有率情況，選擇含量較低的頻率信號(hào)作為注入信號(hào)。注入信號(hào)頻率選擇非工頻及其整數(shù)倍，以減少干擾和畸變信號(hào)對(duì)結(jié)果的影響。

基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測試原理如圖1，對(duì)應(yīng)的等值電路如圖2 所示，其中，r 為對(duì)地泄漏電阻，rL為消弧線圈的等值損耗電阻，Csum單相對(duì)地電容值之和，為為變換到電壓互感器一次側(cè)電流。假設(shè)電壓互感器變比為n。注入頻率選擇的相關(guān)理論模型如式（1）至（5）。

圖1 注入信號(hào)法原理圖

圖2 注入信號(hào)法等效原理圖

假設(shè)注入電流角頻率為ω1，注入電流在TV一次側(cè)電壓為，PT 二次側(cè)電壓為，那么得到關(guān)系式如下：

進(jìn)一步得：

通過矢量運(yùn)算，可以得到：

若引入另一角頻率為ω2的注入電流，可得：

式（5）即為注入信號(hào)選擇模型。此方法求解使用的是特殊頻率，避免了基頻不平衡電流的影響。而且和兩點(diǎn)法相比，由于頻率的改變使阻抗大大不同，不同頻率下Im()相差較大，不會(huì)增大中性點(diǎn)零序電壓。

3 仿真分析

某變電站運(yùn)行方式為經(jīng)消弧線圈接地，配置為調(diào)容式消弧線圈。信號(hào)加在消弧線圈二次側(cè)電容處，而非加在PT 處，可在線圈接地點(diǎn)處直接測量對(duì)地電容電流，因此只需注入一個(gè)頻率特殊信號(hào)即可?；赑SCAD 對(duì)基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測試方法進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3 所示。

仿真中消弧線圈一次側(cè)電感值為0.1173 H，二次側(cè)電容值為3000μF，工頻50 Hz 下阻抗為66.39 Ω，對(duì)應(yīng)于此變電站所使用DXRC 型隨調(diào)調(diào)容式消弧線圈的32 檔位；由輸電線路電纜參數(shù)查表知，該處線路對(duì)地總電容約為43.89μF。

基于對(duì)容性電流測試前的變電站實(shí)際電流測量與傅里葉分析，發(fā)現(xiàn)30 Hz 分量含量較低。結(jié)合式（5），仿真則以兩個(gè)角頻率分別為工頻50 Hz 和30 Hz 的注入信號(hào)展開。其中工頻情況下脫諧度約為-0.0998，即10% 左右。通過PWM 變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)30 Hz 交流信號(hào)的注入，測量所得的電壓波形如圖4，對(duì)地電容電流波形如圖5。

由圖4 和圖5 可知，注入電壓和對(duì)地電容電流均具有較大的高頻分量，與PWM 變頻技術(shù)中的30 Hz 分量注入工況吻合。使用切比夫斯基濾波器對(duì)中性點(diǎn)電壓波形和電流波形進(jìn)行低通濾波，為使50 Hz 和30 Hz 信號(hào)量等值保留，中心頻率選為40 Hz，其中性點(diǎn)電壓電流波形圖分別為圖6 和圖7 所示。

圖3 仿真模型圖

圖4 注入電壓波形

圖5 對(duì)地電容電流波形

圖6 中性點(diǎn)電壓波形

圖7 中性點(diǎn)電流波形

基于PSCAD 仿真的數(shù)據(jù)分析可得中性點(diǎn)電壓峰值為79.149 V，電流峰值為0.6725 A，故對(duì)地電容為：

仿真計(jì)算結(jié)果與估計(jì)值43.89μF非常接近，故仿真結(jié)果是合理的，表明基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法的容性電流測試分析方法具有可行性。

4 中性點(diǎn)電壓偏差分析

鑒于兩點(diǎn)法應(yīng)用的廣泛性，本文在上述10 kV 的仿真條件下，采用兩點(diǎn)法和自適應(yīng)掃頻法測試容性電流，進(jìn)行的中性點(diǎn)電壓偏移Uun對(duì)比測試結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 不同脫諧度下，兩點(diǎn)法引起中性點(diǎn)電壓偏移圖

由圖8 可知，隨著原始不平衡度的增加，采用兩點(diǎn)法測試容性電流時(shí)，中性點(diǎn)電壓也隨之急劇增大。在不平衡電壓為3% 時(shí)，采用兩點(diǎn)法測試容性電流，中性點(diǎn)電壓偏移幅值超過7 000 V，為額定電壓的1.2 倍。

由圖9 可知，隨著原始不平衡度的增加，采用自適應(yīng)掃頻法測試容性電流時(shí)，中性點(diǎn)電壓也隨之增大。在不平衡電壓為3%時(shí)，采用自適應(yīng)掃頻法測試容性電流，中性點(diǎn)電壓偏移幅值低于600 V，為額定電壓的0.099 倍。

圖9 不同脫諧度下，自適應(yīng)掃頻法引起中性點(diǎn)電壓偏移圖

綜上分析，采用同一條件下，采用自適應(yīng)掃頻法測試容性電流時(shí)，引起的中性點(diǎn)電壓波動(dòng)幅值遠(yuǎn)低于兩點(diǎn)法。因此，基于消弧裝置濾波箱二次側(cè)注入的自適應(yīng)掃頻法測試容性電流，引起電壓波動(dòng)小，具備工程實(shí)際優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本文提出的基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法測試容性電流方法是對(duì)傳統(tǒng)有源注入測試法的改進(jìn)，采用了最優(yōu)頻率掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二次側(cè)注入，具有自適應(yīng)性、安全性等技術(shù)優(yōu)勢。

通過仿真分析和對(duì)比，本文提出的基于濾波箱自適應(yīng)掃頻法測試容性電流方法具有準(zhǔn)確性高，精確度好的優(yōu)勢，較傳統(tǒng)容性電流測試方法在中性點(diǎn)電壓偏移方面也有所優(yōu)化。

此外，由于信號(hào)由電壓互感器二次側(cè)注入，該方法將不影響一次側(cè)的正常運(yùn)行，該過程不需要啟動(dòng)消弧線圈的調(diào)協(xié)機(jī)制，有利于調(diào)諧裝置的正常運(yùn)行，適用于任何類型的消弧線圈系統(tǒng)。