CN111103499A - 一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法，适用于经消弧线圈串联电阻接地配电网，通过在配电网的母线、中性点或馈线中任一种与地之间的连接点处向配电网注入一非工频的特征频率恒流信号，从配电网中性点零序电压互感器测量返回的该特征频率电压信号，改变恒流信号频率，寻找配电网零序等效回路的谐振角频率，由此计算出配电网对地电容和对地泄漏电导。本发明提供了多个恒流信号的注入位置，避免了必须从电压互感器二次侧注入的局限，能消除对地参数测量过程中阻尼电阻的影响，实现了谐振接地配电网对地参数的高精度测量，且测量不影响配电网正常运行。

Description

一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法

技术领域

本发明属于配电网测量领域，特别涉及一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法。

背景技术

我国中低压配电网现普遍采用谐振接地方式(即中性点经消弧线圈接地方式)。我国现行《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》明确规定对采用中性点谐振接地方式的6kV～66kV系统，接地故障残余电流不得大于10A。然而，随着配电网中电缆的占比及长度的增加，线路对地电容电流显著增大，导致故障电流水平急剧攀升。也有文献指出我国某煤矿发生接地故障后接地电流中有功分量的幅值能达到13A，而过高的有功分量能够维持接地电弧的燃烧，严重威胁到人身的安全。因此，精确、快速地测量配电网对地参数是消弧线圈调谐控制的重要依据。我国电力运行规程规定6kV～66kV谐振接地配电网正常运行时，补偿装置应确保中性点长时间位移电压不超过额定相电压的15％。由于谐振接地配电网的消弧线圈容易与对地电容谐振而产生过电压，为了限制中性点位移电压不超过限定值，降低过电压对电网造成的损害，通常会在消弧线圈接地回路串接一阻尼电阻。多年来，国内外对于阻尼电阻的研究主要针对其对于配电网正常运行的影响，而忽略了阻尼电阻对配电网对地参数测量的影响。

配电网对地参数包括对地电容和对地泄漏电导。测量对地泄漏电导的方法，国内外研究尚不充分，无法直接测量。传统的配电网对地电容测量方法主要可以分为两类：第一类为直接法，一般是直接通过金属性接地来测量配电网对地电容，但直接法操作和接线复杂，且需要接触到一次设备，对试验人员的人身安全具有威胁，一般不采用；第二类为间接法，一般采用外加电容或偏置电容的方式，该类方法也同样需要接触到一次设备，一般不采用。随着对地电容测量研究的深入，国内外学者提出了很多新的测量方法，主要有中性点参数扰动法和注入信号测量法。中性点参数扰动法是通过改变中性点参数列方程求解配电网对地电容，需要系统有一定的不对称度，且一般不能在线测量，需要停电操作。而注入信号测量法是由电压互感器二次侧向配电网注入特定频率的信号来进行测量，主要有三频率注入法、两频率注入法和谐振测量法，此类方法可以用于在线测量；但上述方法都受到电压互感器内阻抗影响，且忽略了阻尼电阻的影响。而实际上阻尼电阻的存在严重影响对地参数测量精度，且当阻尼电阻值较大时，对地参数的测量误差会导致消弧线圈补偿过度，补偿后的感性电流幅值反而大于未补偿时的故障电流幅值，造成消弧线圈补偿失败，故障电弧无法熄灭等一系列严重问题。因此，上述注入信号测量法均不适用于带有阻尼电阻的谐振接地配电网。发明专利2017109911831提出一种配电网电容电流在线测量方法，虽可消除消弧线圈串联阻尼电阻与电压互感器内阻抗的影响，但注入方式受到限制，公式较为复杂，且只能单独求得对地电容，由于公式直接由注入信号和返回信号推导得出，当注入信号微弱而测量到的返回信号稍有误差时，会造成结果有巨大误差。

因此，亟需一种针对经消弧线圈串联阻尼电阻接地配电网对地参数测量方法来解决现有技术无法解决的问题。

发明内容

为了有效解决现有技术无法解决消除电压互感器内阻和阻尼电阻的影响，并且不限制注入信号的方式与位置，本发明提供了一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法，适用于经消弧线圈串联电阻接地配电网，包括以下步骤：

步骤1)：向配电网注入非工频恒流信号

所述恒流信号

的注入位置为配电网的母线、中性点或馈线中任一种与地之间的连接点；

所述馈线是指由电源母线分配出去的配电线路，直接到负荷的负荷线；

步骤2)：在配电网中性点处的零序电压互感器的开口三角侧空载测量返回的电压信号

且所述恒流信号

与电压信号

频率相同；

步骤3)：调节注入恒流信号

的频率ω，当恒流信号

与测量到的返回电压信号

同相位时，将恒流信号

的频率作为配电网零序等效回路谐振角频率ω₀；

步骤4)：利用配电网零序等效回路谐振角频率ω₀计算配电网对地电容∑C和对地泄漏电导∑g；

其中，R₀为阻尼电阻，L_p为消弧线圈电感，k₁为零序电压互感器变比；

通过零序电压互感器二次侧空载测量特征频率输出电压信号

时，由于电压互感器励磁阻抗远远大于短路阻抗，而电压互感器空载，因此，测量到的特征频率输出电压信号为中性点对地电压折算到二次侧的值，即在测量特征频率输出电压信号的过程也不会受到电压互感器内阻抗的影响。

进一步地，所述配电网对地电容∑C和对地泄漏电导∑g的计算是利用等效电感L′_p与对地电容∑C发生并联谐振，恒流信号

测量到的返回电压信号

同相位，存在以下关系计算获得：

和

其中，

I_i表示恒流信号

的电流幅值，U′_i为电压信号

折算到一次侧的幅值，R′₀为阻尼电阻等效电阻。

是根据消弧线圈等效电感L′_p和对地电容∑C发生并联谐振，L′_p、∑C两端等效阻抗无穷大，等效为开路而得来；

进一步地，将串联的消弧线圈L_p和阻尼电阻R₀进行戴维南等效，转化为一个等效电感L′_p和一个等效电阻R′₀并联的形式，等效前后总导纳值不变，求得等效电感后，再采用等效电感L′_p与对地电容∑C产生谐振作用，求得谐振接地配电网对地参数，等效电感的求解过程如下：

将式(1)化简，得：

由式(2)等式两侧实部、虚部分别相等，可得：

进一步地，所述恒流信号

的频率的取值不等于工频的整数倍。

本方案通过在配电网零序等效回路中考虑阻尼电阻，采用等效电感与对地电容谐振求取对地参数，从原理上消除了对地参数测量过程中阻尼电阻的影响，采用空载测量返回电压信号可以使测量不受电压互感器内阻抗的影响，且相较于其他注入信号测量方法，由于消弧线圈是与阻尼电阻串联，在利用并联谐振作用求解对地参数时，要将消弧线圈等效为与对地电容并联的，才能进行下一步的求解。本发明方法提出的计算公式更为简单，注入信号位置不受限制，相较于现有技术中的其他注入信号方法测量的返回信号比较微弱而言，利用本方案的思路，采用谐振法进行测量时，选用谐振信号较其他频率时的返回电压测量信号相比，更易检测；且谐振法利用相位判别谐振来测量对地参数，具有测量角频率精度高的优点，实验测量结果精度更高。

利用配电网零序等效回路计算，回路中包括了部分办法未考虑的阻尼电阻，通过对等效电感的求解，再采用等效电感L′_p与对地电容∑C产生谐振作用，精确求解谐振接地配电网对地参数。

有益效果

本发明提供了一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法，适用于经消弧线圈串联电阻接地配电网，通过在配电网的母线、中性点或馈线中任一种与地之间的连接点处向配电网注入一非工频的特征频率恒流信号，从配电网中性点零序电压互感器测量返回的该特征频率电压信号，改变恒流信号频率，寻找配电网零序等效回路的谐振角频率，由此计算出配电网对地电容和对地泄漏电导。本发明提供了多个恒流信号的注入位置，避免了必须从电压互感器二次侧注入的局限，能消除对地参数测量过程中阻尼电阻的影响，实现了谐振接地配电网对地参数的高精度测量，且测量不影响配电网正常运行。

相比于现有技术，本方案的有益效果在于：

(1)该测量方法改变大多数方法只能测量配电网对地电容单一参数的局限，实现同时对配电网对地电容与对地泄漏电导的实时测量；

(2)与传统注入信号法相比，该测量方法恒流信号可在多个位置注入，没有必须从互感器二次侧注入的局限性；

(3)本发明方法适用于适用于经消弧线圈串联电阻接地配电网，原有谐振测量方法虽也是通过电压互感器二次侧向配电网注入变频信号，但由于未考虑阻尼电阻，将谐振频率看作是消弧线圈与对地电容并联谐振产生，从图3的等效电路图可以看出，原有方法没有计及阻尼电阻的影响，将阻尼电阻处看成一导线连接，因此采用公式

计算，但实际存在的阻尼电阻会对对地参数测量造成较大误差。本发明通过在配电网零序等效回路中考虑阻尼电阻，采用等效电感与对地电容谐振求取对地参数，从原理上消除了对地参数测量过程中阻尼电阻的影响，采用空载测量返回电压信号可以使测量不受电压互感器内阻抗的影响，且相较于其他注入信号测量方法，本发明方法提出的计算公式更为简单，与谐振信号的其他频率时的返回电压测量信号相比，更易检测，且谐振法利用相位判别谐振来测量对地参数，具有测量角频率精度高的优点，实验测量结果精度更高；

(4)该测量方法检测参数少，只需测量返回的电压信号，无需其他参数整定，不影响电网正常运行；并将参数测量从高压侧移到低压侧，测量安全快速、操作简单且准确度高。

附图说明

图1为谐振接地配电网系统拓扑图；

图2为电压互感器T型等效电路图；

图3为配电网零序回路图；

图4为配电网零序等效回路图。

图5为本发明方法的实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的内容作进一步的说明和解释。

以中性点注入恒流信号为例，谐振接地系统拓扑图如图1所示，

为配电网三相电源，g为配电网单相对地泄漏电导，C为配电网单相对地电容，L_p为消弧线圈，R₀为阻尼电阻，配电网中性点处安装有一零序电压互感器。通过电流源向配电网的中性点与地之间的连接点注入一非工频的恒流信号

从零序电压互感器空载测量返回的该与恒流信号频率相同的电压信号

电压互感器T型等效电路如图2所示，R₁、L₁分别为电压互感器一次侧漏电阻和漏电感，R′₂、L′₂分别为电压互感器二次侧漏电阻和漏电感归算到一次侧的值，R_m、L_m分别为励磁电阻和励磁电感。通过零序电压互感器二次侧空载测量输出电压信号

时，由于电压互感器励磁阻抗远远大于短路阻抗，而电压互感器空载，因此，测量到的特征频率输出电压信号为中性点对地电压折算到二次侧的值，即在测量输出电压信号的过程也不会受到电压互感器内阻抗的影响。

因此，可将图3等效为如图4所示的配电网零序回路图，其中，

为零序电压互感器一次侧电压，有：

k₁为零序电压互感器变比。将串联的消弧线圈L_p和阻尼电阻R₀进行戴维南等效，转化为一个等效电感L′_p和一个等效电阻R′₀并联的形式，等效前后总导纳值不变，可得：

将式(1)化简，得：

由式(2)等式两侧实部、虚部分别相等，可得：

由此，可得到零序等效回路如图4所示。当电流信号频率ω改变到使得等效电感L′_p与对地电容∑C发生并联谐振时，此时恒流信号

与测量到的返回电压信号

同相位，此时的电流信号频率为谐振角频率ω₀，谐振角频率ω₀、配电网对地电容∑C、消弧线圈等效电感值L′_p存在如下关系：

根据式(3)和式(4)可以求得配电网对地电容为：

由于消弧线圈等效电感L′_p和对地电容∑C发生并联谐振，L′_p、∑C两端等效阻抗无穷大，等效为开路，有：

I_i表示恒流信号

的电流幅值，U′_i为电压信号

折算到一次侧的幅值；

根据式(6)可以得到配电网对地泄漏电导为：

根据上述分析可知，所提测量方法从原理上完全消除了电压互感器内阻抗和阻尼电阻造成的测量误差，测算精度高。

使用本发明提出的计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数测量方法与传统测量方法对10kV谐振接地配电网的对地参数进行测量，设置参数消弧线圈电感值L_p＝400mH，阻尼电阻R₀＝40Ω，零序电压互感器变比k₁＝100，对地电容∑C＝30μF，对地泄漏电导∑g＝80μS，测量结果如表1所示。根据测量结果可以看出，本发明所提测量方法有效消除了电压互感器和阻尼电阻对测量误差的影响，实现对谐振接地配电网对地参数的准确测量，误差在1％之内，相较于传统测量方法，精度更高。

表1

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种经消弧线圈串联电阻接地配电网对地参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：向配电网注入非工频恒流信号

所述恒流信号

的注入位置为配电网的母线、中性点或馈线中任一种与地之间的连接点；

步骤2)：在配电网中性点处的零序电压互感器的开口三角侧空载测量返回的电压信号

且所述恒流信号

与电压信号

频率相同；

步骤3)：调节注入恒流信号

的频率ω，当恒流信号

与测量到的返回电压信号

同相位时，将恒流信号

的频率作为配电网零序等效回路谐振角频率ω₀；

步骤4)：利用配电网零序等效回路谐振角频率ω₀计算配电网对地电容∑C和对地泄漏电导∑g；

其中，R₀为阻尼电阻，L_p为消弧线圈电感，k₁为零序电压互感器变比；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配电网对地电容∑C和对地泄漏电导∑g的计算是利用等效电感L′_p与对地电容∑C发生并联谐振，恒流信号

与测量到的返回电压信号

同相位，存在以下关系计算获得：

和

其中，

I_i表示恒流信号

的电流幅值，U_i′为电压信号

折算到一次侧的幅值，R′₀为阻尼电阻等效电阻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将串联的消弧线圈L_p和阻尼电阻R₀进行戴维南等效，转化为一个等效电感L′_p和一个等效电阻R′₀并联的形式，等效前后总导纳值不变，求得等效电感后，再采用等效电感L′_p与对地电容∑C产生谐振作用，求得谐振接地配电网对地参数，等效电感的求解过程如下：

将式(1)化简，得：

由式(2)等式两侧实部、虚部分别相等，可得：

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述恒流信号

的频率的取值不等于工频的整数倍。

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