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从PT二次侧测量配网电容电流的新方法

摘 要：本文介绍一种从PT二次侧测量配网电容电流的新方法。从PT开口三角端分别注入不同频率的恒定电流，并测量开口三角的电压的变化，经公式可计算出配电网的电容电流值。运用该测量原理研制出电容电流测试仪已经在全国推广使用，该测试仪可以大大提高电容电流测量的效率和安全性。
关键词：配网；电容电流；PT二次侧

1、 前言
电力线路与大地之间总是存在电容。对于配电系统来说，由于电源中性点一般不直接接地，当输电线单相接地时，流过故障点的电流不是短路电流，而是线路对地电容产生的电容电流。
据统计，配电网的故障很大程度是由于线路单相接地时电容电流过大而无法自行息弧引起的。因此，《电力设备过电压保护设计技术规程》规定：当10kV和35kV系统电容电流分别大于30A和10A时，应安装消弧线圈补偿电容电流。随着配网的不断扩大，人们越来越认识到对扩大后的配网进行补偿的重要性，这就使配网电容电流测量成为必不可少的一项基础工作。
2、    问题的提出
传统电容电流的测量方法有很多种，如单相金属接地法、中性点外加电容法、中性点外加电压法等直接法，人工中性点法等间解方法。这些方法虽然能测量出电容电流，但由于在测量过程中要与一次侧打交道，人员与设备的安全得不到保障，操作起来极其烦琐，效率极低。所以，人们期望能从PT二次侧测量电容电流，使测量电容电流的工作安全、简便、有效。
3、    测量原理

图1是配电网电容电流测量原理图，其中:LA 、L B 、LC分别为电压互感器(PT)三相的高压绕组，二次绕组La 、L b 、Lc组成开口三角形；CA、CB、CC为导线三相对地电容。若在PT开口三角端注入一个恒定电流i0，则在PT的一次绕组A、B、C三相分别流出电流i1、i2、i3 。设高、低压绕组的匝数分别为n1和n2，三相PT的励磁电流分别为ia、ib、ic 。则有如下关系:

在如图2所示的PT等值电路中，励磁阻抗Zm（大约几兆欧）比绕组电阻R和漏抗XL(大约为几千欧)大很多，而线路单相对地电容一般在0.1－30微法之间，对应的阻抗为几百欧至几十千欧，因此，在式(1)中PT的励磁电流ia、ib、ic几乎为零，可以忽略不计。这样PT高压侧三相流出的电流是相等的，即i1＝i2＝i3。它的大小由注入的电流i0确定。由于i1、i2、i3是零序电流，它们不能在电源和负载之间流通，只能通过线路对地电容形成回路。这就为从PT二次侧测量电容电流创造必要的条件。

当一个恒定电流i0从PT的开口三角侧注入，就会有三个大小相等、相位相同的电流i1、i2、i3从PT的高压侧流出，这三个电流将分别在PT三相的绕组电阻R、漏抗XL和导线对地电容中产生压降。一般地，三相PT的参数(绕组电阻R和漏抗XL)是对称的，而且三相导线对地电容Ca、Cb、Cc也是基本相等的，因此三相电流i1、i2、i3分别在三相PT与导线对地电容中产生的压降Ui（i=A，B，C）是基本相同的，这时在PT开口三角端就可以测到一个零序电压U0，它的数值将等于3倍的n2•Ui/n1 。从上述的分析中可以得出从PT开口三角端注入的电流i0与电压U0的关系式:

式中，C为单相线路对地电容。
有了这个关系式就可以通过测量PT开口三角端的电流与电压来计算线路对地电容值，从而计算出配网的电容电流值。
在式(2)中有三个未知数，即R、XL、C，要想求出线路对地电容C，必须有三个方程，为此我们在PT开口三角端注入三个不同频率但幅值相同的恒定电流，将得到三个方程，求解方程组即可求出电容值C，也就可以计算出电容电流值。
当在PT开口三角侧分别注入三个不同频率fi（i=1,2,3）的恒定电流时，将在开口三角端测得三个零序电压值u0i（i=1,2,3）。由式(2)的关系可以得到下列方程组:

求解方程组(3)可以得出线路对地电容值:

从式（4）可知，只要在PT的开口三角侧注入三个不同频率的恒定电流，并测量PT开口三角侧的电压，就可以求出不同频率的阻抗值Zi（i＝1，2，3），代入上式就可以计算出线路对地电容值。
4、    功能的实现
根据上述原理已开发出HD-68A配网电容电流测试仪，该测试仪的硬件设计分为：电源部分，恒流源部分，滤波器，采样，控制芯片，显示等几个部分。为了简化硬件设计及提高测试仪的可靠性，很多的工作均由软件来实现。软件设计中包括：快速傅立叶数字滤波、输入信号的测量和比较、输出信号的控制、通道开关量的控制、计算测量结果、显示测量结果等。程序设计中运用快速傅立叶数字滤波技
术，在硬件滤波的基础上进一步进行数字滤波，使干扰的信号尽可能地滤掉，因此，测量结果重复性很好，测量结果很稳定、准确。经过大量的实验室模拟实验和现场对比试验， 验证了此方法的准确性和可行性。此仪器已经在全国各地的电力部门推广使用，成为测试配网电容电流的主要手段。
5、 现场测量结果
使用HD-68A配网电容电流测试仪对广西南宁、防城港、桂林等几个供电局10kV系统和广西拉浪电厂35kV系统的配电网电容电流进行测量。在测量中，同时使用间接测量法和HD-68A型配网电容电流测试仪进行对比测量。表1中给出各个供电局被测变电站10kV系统的电容电流测量对比结果。表中的电容量为三相的值。
表1   变电站10kV系统的电容电流测量结果对比
被测的变电站10kV系统    PT开口电压（V）    间接法测量值(μF)    补偿装置测量值(μF)    HD-68A测量值(μF)    测量差别（％）
南宁城东变Ⅰ段    0.21    63.66    -    61.8    -2.9
南宁城东变Ⅰ段（外加3.54μF）    5.61    67.2    -    65.1    -3.1
防城港防城变    0.57    1.83    -    1.75    -4.4
防城港防城变（外加0.4μF）    18.6    2.23    -    2.12    -4.9
桂林东江变Ⅰ段    0.7    7.37    -    15.11    -0.4
桂林东江变Ⅱ段    0.6    7.80    -        
桂林三里店Ⅰ、Ⅱ段    0.2    －    -    63.11    -
桂林三里店变Ⅱ段    0.2    －    33.8    35.23    4.2
桂林尧山变Ⅰ、Ⅱ段    0.5    －    -    24.26    -
桂林雉山变Ⅰ段    0.5    33    35.5    34.7    -2.3
桂林雉山变Ⅱ段    0.5    －    26.4    26.95    2.1
桂林瓦窑变Ⅰ段    0.3    35.95        37.4    3.9
从上面表1给出的10kV系统电容电流测量结果来看，几个供电局各个变电站的测量结果或补偿装置测量结果均与HD-68A型配网电容电流测试仪测量结果一致，其中，配电系统的电容量从最小的防城港供电局的防城变1.83μF到最大的南宁供电局的城东变67.2μF（对应的电容电流从3.32A到121.8A），测量相差
均小于5％。对于桂林供电局的各个变电站，上述测量结果均与估算值相符。实测结果说明：HD-68A型配网电容电流测试仪满足电容电流的测量准确度要求。
对35kV系统进行了大量的测量工作，测量结果是令人满意的。例如，广西拉浪电厂35kV系统的配电网电容电流进行测量，测量使用的间接法是变压器中性点外接电容法，这种方法测量的准确度较高。间接法测量结果为1.061μF，而HD-68A型配网电容电流测试仪的测量结果为1.03μF，测量误差为－2.9％。测量广西忻城变电站的35kV系统，变压器中性点外接电容法的间接法测量结果是3.23μF，HD-68A型配网电容电流测试仪的测量结果为3.29μF，测量误差为1.8％。
6、 结论
1）    测量电容电流是保证配电网安全运行的一项重要的工作。
2）    传统的电容电流测量方法（直接法和间接法）存在操作及接线繁杂、测量时与一次侧打交道、人员与设备安全得不到保障、测量工作效率低等缺点。研制从PT二次侧测量电容电流的HD-68A型配网电容电流测试仪，具有测量准确、稳定、方便、快捷等优点。
3）    HD-68A型配网电容电流测试仪经过大量的现场实测的检验，测量结果与传统间接法相吻合，可以推广应用于各个电压等级配电网的电容电流测量。