修改过的电容电流测量技术.docx
《修改过的电容电流测量技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《修改过的电容电流测量技术.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
修改过的电容电流测量技术
配电系统电容电流测量技术
保定华电电气有限公司
广西电力试验研究院有限公司
二00五年三月
目录
第一章概述…………………………………………………………………………1
a）测量电容电流的重要性…………………………………………1
b）研究新的电容电流测量方法的意义……………………………2
第二章配网电容电流测量的传统方法介绍……………………………………4
a）10kV系统电容电流测量方法……………………………………5
b）35kV系统电容电流测量方法…………………………………10
第三章电容电流测量新方法研究………………………………………………11
a）从PT二次侧测量电容电流新方法的测量原理……………………18
b）电容电流测试仪的研制……………………………………………20
第一章概述
第一节测量电容电流的重要性
1、什么是配网电容电流
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，当输电线路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。
从图1中的向量图可以看出，当A相接地后，B、C相的对地电压上升为线电压，电流通过B、C相的对地电容流入接地点形成电容电流，从向量图可知，两个电流Ica和Iba叠加后形成电容电流IC增大了
倍，因此，电容电流IC＝3wCU相，这个电流也是系统正常运行时流过三相对地电容的电流的数值之和。
2、测量配网电容电流的必要性
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，规程规定：
当10kV和35kV系统电容电流分别大于30A和10A时，应装设消弧线圈补偿电容电流，否则，将会在单相接地时由于电弧重燃，产生很高的过电压，危及健全相的绝缘而造成两相短路故障。
由于单相接地故障而引发配电网的事故屡见不鲜。
例如，2000年7月和2001年4月广西南宁供电局的城东变电站就连续两年因为单相接地故障而引起的绝缘击穿事故，造成套管炸裂、两相短路，大面积停电十多小时，造成较严重的经济损失和较大的社会影响。
类似的事故在我区，乃至于全国都经常发生，有时甚至“火烧连营”，将整个配电网的开关柜全部烧掉。
要解决这个问题就要对配电网的电容电流经常监测，对电容电流大的配电网采用消弧线圈进行补偿，或采取相应的限制过电压的措施。
在经济飞速发展的今天，如何确保直接面向用户的配电系统不发生供电中断显得越来越重要。
要保证配电系统的连续不间断供电，一个重要方面就是准确地测量系统的电容电流，从而根据系统电容电流的大小装设适当容量的消弧线圈，避免电弧重燃产生过电压。
因此，准确测量系统电容电流是决定装设消弧线圈与否和正确选择消弧线圈容量的依据。
配电网的对地电容（对应电容电流的大小）和PT的参数配合会产生PT铁磁谐振过电压。
为了验证该配电系统是否会发生PT谐振及发生什么性质的谐振，必须准确地测量配电网的对地电容值。
通过测量电容值后才会知道该配电系统是否在PT的谐振区域，从而采取相应的措施抑制PT谐振过电压的发生。
综上所述，测量电容电流是保证配电网安全运行的一项重要的工作。
第二节研究新的电容电流测量方法的意义
1．电容电流测量技术的发展简介
电容电流测量的方法有很多种，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。
在较早时期，测量电容电流一般采用单相金属接地法，这种方法就是利用一个断路器来操作，将配网线路人为地进行单相接地试验，然后通过电流互感器直接测量入地的电容电流。
这种方法需要的操作及接线非常繁杂，而且有可能危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘造成两相异地短路，很不安全。
整个试验工作对试验人员和配网系统的安全均构成威胁，试验的危险性很大。
2000年在广西柳州供电局就发生过用直接接地法测量电容电流时引起两相异地短路事故。
由于这种方法存在上述的缺点，在80年代后期一般很少采用。
因此电气工作者努力寻求另一种更安全的方法――间接测量法。
在较早时期，测量电容电流一般采用单相金属接地法，就是将配网线路人为地进行单相接地试验，然后通过电流互感器直接测量入地的电容电流。
这种方法需要的操作及安全措施非常繁杂，而且有可能危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘造成两相异地短路，很不安全。
整个试验工作对试验人员和配网系统的安全均构成威胁，试验的危险性很大。
对于有电源中性点的配电系统，如35kV系统，一般采用中性点外加电容法来测量电容电流。
系统正常运行时中性点的电压很低，因此这种方法相对于单相金属接地法更安全、简便。
还可以通过增大外接电容量来提高测量的准确度，因而被普遍采用。
对于10kV系统，一般情况下主变压器均采用三角形接法，因而没有电源中性点，这给电容电流测量工作带来了一定的困难。
后来的很多学者均致力于研究测量这种配电网的电容电流的方法。
其中比较有名的是“人工中性点法”，即人为地造出一个中性点，然后分别在A、B、C三相外加一个电容，通过人工中性点测量系统中性点电压的变化，从而间接计算出电容电流值。
这种方法计算稳定性较好，试验时对系统的冲击较小，因而被广泛采用。
此外，常用的还有“简易的测量法”。
这种方法虽然较“人工中性点法”简便些，但其计算稳定性没有前者好。
有学者提出了“改进的人工中性点法”，即取消人工中性点，将上述两种方法结合在一起。
在A、B、C三相外加一个电容时，通过测量PT的二次电压就可以计算出配电网的电容电流。
整个试验仅需要一个电容和一块万用表，测量较简便，是目前我们经常采用的间接测量方法。
2．传统的电容电流测量方法存在的缺点
综上所述，传统的电容电流测量方法可以分为直接法和间接法。
直接法由于上述的缺点，目前很少采用。
目前被广泛采用的间接法虽然比直接法简便，并能较准确地测量电容电流值，但仍然存在如下缺点：
①测量时仍然与一次侧打交道，人员与设备安全得不到保障。
对于有电源中性点的35kV系统所采用的“中性点外加电容法”，虽然正常运行时中性点的电压很低，但如果在测量时系统发生单相接地故障，中性点的电压就会上升为危险的相电压（高达20kV），外加测量电容也就带上20kV高压，这样有可能会引起测量电容器爆炸，危及试验人员的安全。
此外，一般情况下中性点的电压很低，试验和操作人员的思想容易麻痹大意，这也是安全的隐患之一。
特别对于无电源中性点的10kV系统，测量只能采用在线路上分相外接电容的方法，这时，测量人员和操作人员的安全更得不到保障。
测量时外接电容必须由开关柜的一个开关进行投切，为了要保证电气距离，外接电容通常只能放置在开关柜的外面，因此测量时开关柜门是打开的，投切电容的操作人员只能在柜门打开，身旁放置一个带有10kV高压的电容器情况下进行投切操作，这种做法存在很多危险隐患。
假设在操作时由于电容器受到冲击而爆炸，或柜子里的绝缘子炸碎飞出，必将伤及操作人员和试验人员，后果不堪设想。
②由于要涉及一次设备，操作繁琐，同时也存在误操作的危险。
准备工作耗时长，测量工作效率低。
通常大部分时间耗费在等待调度命令、开工作票、倒闸操作，做安全措施上。
一天只能测两至三个站，工作效率非常低。
由于上述两个原因，自然地希望有一种设备能直接在二次侧测量系统的电容电流，不需要涉及危险的一次侧；不需要繁琐的倒闸操作及等待，使电容电流的测量工作简便、高效、易行。
测量从一次侧转向二次侧可以说是电容电流测量方法的一次飞跃。
3．全新的电容电流测量方法及对其研究的意义
从上述的分析可知，研究一种从PT二次侧测量电容电流的方法，并研制这种电容电流测试仪是一项非常有意义和有必要的工作。
我们就是要研制一种能直接从PT的二次侧注入信号来测量配电网的电容电流的测试仪，这种测试仪是测量配电网电容电流最理想的仪器。
与传统的外接电容器测试方法相比，该仪器无需和一次高压侧打交道，因而不存在试验的危险性，无需做烦杂的安全措施和等待冗长的调度命令。
只需将测量线接PT的开口三角侧，按下测量按钮，就显示出电容电流的测量结果。
该测试仪极大地提高了电容电流测量工作的效率，使这项测量工作变得安全、简单、快捷。
且测试结果非常准确、稳定、可靠。
随着城市配网的扩大,人们会俞来俞认识到对扩大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,它的开发，将具有相当的经济效益和社会影响。
基于上述原因，我们于2000年开始对这种测量方法进行研究，从而研制从PT二次侧测量电容电流的电容电流测试仪。
第二章配网电容电流测量的传统方法介绍
第一节10kV系统的电容电流测量方法
10kV系统电容电流测量的方法可以参阅《中国电力》2001年第11期的“无电源中性点配电系统电容电流的简易测量法”。
下面是文章的具体内容。
1、前言
配电网电容电流的大小是装设消弧线圈与否及消弧线圈调谐的依据，为了保证系统的安全，准确测量系统电容电流是非常必要的。
电容电流的测量方法可分为直接法和间接法。
采用直接法测量电容电流，操作及接线比较麻烦，而且对试验人员和配电系统均存在很多不安全的因素，一般很少采用，更愿意采用简便、安全的间接法。
对于没有电源中性点的配电系统，电容电流的测量方法不能象35kV系统那样采用中性点外加电容法，而是采用分相对地外接电容的方法。
关于无电源中性点系统的电容电流测量方法已经有很多文献作了介绍，如文献[1]，[2]，[3]，[4]等。
无论那种间接法，不外乎在三相分别对地加入电容，然后将测量的参数进行计算。
测量不同的参数，采用不同的计算公式就得到不同的间接测量法。
常用的间接法有人工中性点法和简单测量法两种，本文将对这两种方法进行改进，提出一种更为简易、准确的间接测量方法。
2、
测量电容电流的间接法简介
2．1人工中性点法
文[1]，[2]提出的方法可称为人工中性点法。
如图1所示：
CA、CB、CC分别为A、B、C三相系统对地电容，由于电源侧采用三角形接法，没有电源中性点，为了测量中性点位移电压，引入一个人工中性点O/，即用三个数值一样的电容CA/、CB/、CC/星形接法组成人工中性点O/，并认为人工中性点O/的电位就是系统中性点的电位。
通过测量加入外接电容Cp前及分别在A、B、C三相加入CP后O/点与地之间的电压U0、U0a、U0b、U0c，运用下面的式
（1）就可以计算出系统对地电容C0，用式
（2）计算出系统电容电流。
CO=CA+CB+CC=
（1）
IC=ωC0Uφ
（2）
其中：
UOCP=
M=Uo/Uocp;Uφ——电源的相电势;IC——系统电容电流;ω——系统角频率
2．2简单测量法
文[3]，[4]等文献给出测量电容电流的简单测量法，其原理简述如下：
在i相（i=A,B,C）对地之间接入电容CP，则中性点位移电压可表示为：
（3）
其中：
Ei——电源i相的电势;a=ej120°;a2=ej240°
假设系统比较对称，CA=CB=CC，式（3）变为：
（4）
将式（4）取模后可求出系统对地电容：
C0=（Ei-U0i）Cp/U0i（5）
式（5）中，Ei、Uoi分别从PT二次侧的相电压和开口三角形电压测得。
将三相的测量结果平均后作为系统对地电容，由式
（2）可求出系统电容电流。
3．配网电容电流的简易测量法
本文提出的简易测量法是对上述两种方法的改进和综合，使测量更简便、更准确。
3．1准确模型的简单测量法
文[3]，[4]中提出的简单测量法是在系统比较对称的前提下推导出来的，在系统不对称度较大时，式（5）就不适用，三相计算结果分散性较大。
下面将给出一种准确的简单测量法模型，并导出电容电流的计算公式。
如图1所示，在i相（i=A，B，C）加入外接电容Cp,根据戴维南定理可知，Cp端开路时的端电压就是i相电压Ui,从Cp端看进去的阻抗就是系统对地电容C0，其等值电路如图2所示。
Ui/为CP接入后的i相电压。
从等值电路图可以求出系统对地电容：
（6）
上面给出的计算模型及计算公式没有作任何假设，是准确的计算模型。
3．2改进的人工中性点法
对于文[1]中提出的人工中性点法，引起的误差的一个重要原因是由于采用人工中性点O＇代替系统中性点。
在电容CA＇、CB＇、CC＇严格相等时，O＇点的电位等于系统中性点电位，但电容器组CA＇、CB＇、CC＇存在微小的不对称都会对中性点位移电压的测量造成较大的偏差。
当人工电容器组不对称时，O＇点与地之间的电压可表示为：
（7）
即：
O′=（KCejφ+K′Cejθ）（－
A）
其中:
Kc、Φ分别为网络的不对称度及角度。
KC=
K′C、θ人工星形电容器组不对称度及角度。
K′C=
因此，由于人工电容器组不对称引起的中性点位移电压测量的相对误差限为:
ρ=（8）
因为系统不对称度Kc比较小，一般为0.5%至2.5%之间,从上式可知,只要人工电容器组有微小的不对称,就会引起较大的测量误差。
由于高对称度的电容器组不容易做到，此外,引入人工中性点使试验接线复杂化，而引入人工中性点的目的仅为了测量中性点位移电压，这个电压完全可以在PT的开口三角端测出,因此，笔者建议取消人工中性点，中性点位移电压直接从PT二次侧测量。
这样可以省去复杂的试验接线，使试验测量工作变得更简便。
3．3从PT二次侧参数计算系统电容电流。
综合上述两种改进后的方法,在测量系统电容电流时，只需简单地用万用表测量加入外接电容Cp前及分别在A、B、C三相加入外接电容Cp后PT二次侧各相电压和开口三角端电压，就可以准确计算出系统电容电流。
PT二次侧开口三角的电压Uk2与系统中性点位移电压U0有如下关系：
（9）
其中：
UL为系统线电压
采用简单法计算时，公式（6）中的Ui及Ui＇可直接取二次侧读数，将三次计算的平均值作为测量结果；采用改进人工中性点法计算时，需将式
（1）改为：
CO=CA+CB+CC=（10）
其中：
UOCP2=
M=Uo2/Uocp2
Uφ2——电源相电势的PT二次侧数值
U0i2——在i相外加CP时PT开口三角电压,（i=a,b,c）
U02——未加CP时PT开口三角电压
采用这种方法可以简便、准确地测量系统电容电流，而且一次试验数据可以用两种不同的计算方法进行计算，可以互相比较，互相证实测量结果。
4．外加电容Cp的大小对测量结果的影响
4.1对于人工中性点法
文[5]已经从理论上系统地对人工中性点法产生的误差作了定量的分析。
指出测量误差随系统不对称度的增大而增大，随着Cp取值的增大而迅速减小。
当Cp取值大于系统对地电容C0的3%时，在各种系统不对称度下，产生的误差均小于10%，这种方法可以在外接电容Cp较小情况下，得到比较准确的测量结果，这一点已经得到许多现场实测结果的证实。
4.2对于简单测量法
将式（6）分别对Ui、Ui＇求偏导数，可以求出当测量电压表计有误差时，外接电容Cp取值大小对测量误差的影响。
设k=Cp/C0;测量电压表计的相对误差为e。
则电容电流测量的相对误差限为：
（11）
表1中列出取不同的k值时，根据式（11）计算出的相对误差限，其中取e=0.5%
表1：
简易法测量的相对误差限
k（%）
2
5
10
15
20
30
ε（%）
51
21
11
7.7
6
4.3
由表1的数据可见，Cp取值过小，会造成很大的测量误差；但Cp取值太大，又会对系统产生冲击，所以Cp的取值既要满足测量准确性的要求又要考虑对系统的冲击。
经计算，只要K≤17.6%，中性点位移电压不会超过标称相电压的15%，符合规程要求。
在实际测量中发现，Cp取值对测量误差的影响不象式（11）计算的那么严重。
一般取K为10%左右就可得到满意的结果。
5、实测结果及分析
表2中给出在广西柳州及河池两地现场实测的结果
表2：
现场实测结果及计算
试验序号
Cp
（μF）
Cp接入相
PT二次侧电压（V）
计算结果
直接法测量
Cp/C0
（%）
UaUbUcU0
式（6）
式（10）
IC
（A）
C0
（μF）
C0（μF）ε%
C0（μF）ε%
1
0.8
不接
A
B
C
58.959.459.20.135
54.461.761.37.52
61.455.061.57.36
61.662.155.07.41
9.671-6.0
10.0-2.8
10.4761.8
10.277-0.6
19.1
10.289
7.8
2
0.111
不接
A
B
C
59.359.858.90.78
57.960.559.62.82
59.858.259.31.88
59.960.357.03.13
4.5916.5
4.038-6.3
3.33-22.7
4.3510.97
------
2.6
3
0.4
不接
A
B
C
59.760.259.20.79
54.762.861.88.94
62.655.262.08.16
62.562.754.29.30
4.3761.6
4.4162.5
4.3360.6
4.309--
------
9.3
注：
①试验2和3的系统对地电容C0相同，只是外接Cp不同，
②试验2和3没有直接法测量结果，所以误差计算以C0=4.309μF为基准值。
从表中可以看出，当Cp取值较小时，如试验2，CP=0.111PF，Cp/C0＝2.6，式（10）仍有较高的计算准确度，误差小于1％;而这时式（6）的三个计算结果分散性较大,最大的误差达22.7％。
只有当Cp取值为C0的10%左右时,简单法才能得到满意的结果。
对比试验1中直接法测量的结果与改进中性点法间接测量的结果,两者相当接近，进一步说明改进中性点法具有较高的测量准确度。
6、结论
1、采用本文提出的简易测量法间接测量系统电容电流，试验工作简便，测量结果准确，值得在工程上推广应用。
2、记录一次试验数据，可以用两种不同的方法计算电容电流，将两者的计算结果相比较，从而可以验证试验结果的正确性。
3、外接电容Cp取系统对地电容值的10%左右即可满足测量准确性的要求。
参考文献
1、周配明.分相对地接电容测量电容电流的新方法.高电压技术，1989，
（2）；P60
2、周配明.无电源中性点系统电容电流测量.电力技术，1989，（9）；P25
3、陈守聚，赵平山.系统电容电流简易快捷测量法.河南电力，1997，
（2）；P41
4、徐秉天.用附加相电容法测量电力系统对地电容电流.高电压技术，1989,
（2）；P60
5、孙结中，谢伟山.人工中性点法测量系统电容电流产生误差的研究.广西电力技术，2000
（2）；P1
第三章电容电流测量新方法研究
第一节从PT二次侧测量电容电流新方法的测量原理
测量电容电流的方法可以分为直接法和间接法两种。
间接法比直接法简便、安全得多，即便如此，间接法仍然存在：
①测量时仍然与一次侧打交道，人员与设备安全得不到保证。
②操作繁琐、工作效率低等缺点。
我们通过长期的试验研究，提出了一种从PT二次侧测量电容电流的新方法。
通过大量的模拟试验和理论推导，证实这种方法是可行的。
这种新方法的优点是以往任何测量方法都无法相比的。
可以说测量从一次侧转向二次侧是电容电流测量的一次飞跃。
1、测量原理
图1是配电网电容电流测量原理图，其中:
LA、LB、LC分别为电压互感器（PT）三相的高压绕组，二次绕组La、Lb、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:
（1）
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:
（2）
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。
2、三频法测量电容电流
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:
（i=1,2,3）（3）
其中，
L为PT的漏电感
求解方程组（3）可以得出线路对地电容值:
（4）
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。
3、三频法计算公式的稳定性分析
上面给出了三频法计算电容电流的计算公式，我们在采用一个公式前应该对这个公式的计算稳定性有所了解，如果该公式的计算稳定性不好，就会因公式中参数的细小测量误差而导致整个计算结果的很大误差。
因此，很有必要对这个计算公式的稳定性进行分析。
式（4）可以写为：
=
其中：
简化后，式（4）可以写为：
=
其中：
；
；
计算公式的稳定性就是对该公式的每个参变量求偏导数，以考察当参变量有微小的变化时，整个计算结果的变化量。
对公式（4）的参变量Zi求偏导数得：
（5）
其相对误差可以写成：
（6）
其中：
δ％为参变量的相对误差百分数。
对于参变量Z1，其产生的相对误差可以写成：
=
（7）
其中：
式中，XC1、XL1分别表示频率为ω1时电容的容抗和PT的漏抗。
令：
得：
（8）
同理可得：
（9）
将式（8）、（9）代入式（7）得:
（10）
用同样的方法可以求得dC2/C和dC3/C，下面给出dC2/C的表达式。
升级会员 