CN111103500B - 一种计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数测量方法，适用于中性点消弧线圈串接阻尼电阻接地配电网，通过消弧线圈内部电压互感器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，改变电流信号频率，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。本发明能消除电压互感器内阻抗和阻尼电阻的影响，实现谐振接地配电网对地参数的高精度测量，有利于消弧线圈精准调谐，且测量安全、快速，不影响配电网正常运行。

Description

一种计及阻尼电阻的谐振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，特别涉及一种计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数测量方法。

背景技术

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6～66kV系统单相接地故障电容电流不得大于10A，因此中低压配电网普遍采用中性点经消弧线圈接地方式，对接地电容电流进行限制。随着配电网规模不断扩大，电缆线路敷设长度大幅增加，单相接地故障电流(尤其是故障电流有功成分)急剧攀升，导致故障电弧难以消除，反复燃熄的间歇性弧光造成对地电容电荷积累进而产生系统过电压，对人身设备安全构成严重威胁。全电流补偿消弧线圈能够对故障电流的无功、有功成分进行有效补偿，抑制故障过电压，降低故障建弧率，其补偿容量及作用效果主要依赖配电网对地电容以及对地泄漏电导的测量精度。此外，近年来兴起的配电网有源消弧技术同样需要精确快速的对地绝缘参数的测量技术作为有力支撑。

传统对地绝缘参数测量方法主要分为直接法和间接法：直接法一般通过金属性接地来测量对地绝缘参数，但该方法操作过程及接线方式复杂，实现困难；间接法采用中性点外加电容或外加电压的方式使中性点产生位移电压间接求得电容电流，测量操作较为简便，但无法区分有功分量和无功分量，测量精度有限，且以上两种方法均需要直接接触一次设备，对测量操作人员人身安全构成严重威胁，存在极大的安全隐患，较少实际应用。为提高配电网对地绝缘参数测量过程的安全性，国内外学者提出了注入信号测量法，通过电压互感器二次侧向配电网注入特定频率信号实现对地绝缘参数测量。注入信号测量法主要包括三频率注入法、两频率注入法和谐振测量法，测量过程无需直接接触一次元件，可实现参数在线实时测量。谐振测量法由于操作简便，且在判断谐振状态时可采用谐振相位判据，在测量精度方面具有明显优势。但注入信号测量法在测量原理上受到电压互感器内阻抗影响，且现有测量方案同样仅能测量对地电容，无法实现对地泄漏电导测量。

考虑到谐振接地配电网中消弧线圈易与馈线对地电容作用产生谐振过电压，导致中性点电压发生偏移，实际工程中通常采用在消弧线圈接地回路串接阻尼电阻的方式，对中性点位移电压进行抑制。由于阻尼电阻在系统零序阻抗中占比较小，传统对地绝缘参数测量方法往往未考虑阻尼电阻的影响。随着配电网中三相不平衡负荷、非线性负荷占总负荷比重上升，配电网三相不对称度逐步增大，阻尼电阻阻值趋于升高，导致传统对地绝缘参数测量方法的测量精度随之降低，其在测量原理上的固有缺陷逐渐突显。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。

综上，国内外还未提出可消除电压互感器内阻抗和阻尼电阻影响，兼顾快速性、准确性和安全性的谐振接地配电网对地参数测量方法。

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，并提高对地参数的测量精度，本发明提供了一种计及阻尼电阻的谐振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：

一种计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数测量方法，适用于中性点消弧线圈串接阻尼电阻接地配电网，包括以下步骤：

步骤1)：在配电网消弧线圈内部的电压互感器的二次侧向配电网中性点注入非工频的恒流信号

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，当配电网零序等效电流源的电流信号

与测量到的返回的电压信号

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；

其中，R₀为阻尼电阻，L_p为消弧线圈电感，k₁为消弧线圈内部电压互感器变比；

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，k₂为零序电压互感器变比，I_i表示恒流信号

的电流幅值，U_i表示返回的电压信号

的电压幅值。

当从消弧线圈内部电压互感器A二次侧向配电网中性点注入非工频的特征频率恒流信号

时，由于电压互感器励磁阻抗远远大于短路阻抗，励磁回路可以等效为开路。而电压互感器短路阻抗串联在注入回路中，注入特征频率信号为恒流信号，电压互感器串联内阻抗对注入恒流信号不会造成影响。

由于电流信号是从消弧线圈处注入，而根据配电网零序回路计算谐振角频率需要求得回路端口注入电流，因此，本方案根据电源的等效变化，将电流源等效为与消弧线圈和阻尼电阻并联。

本方案通过零序电压互感器B二次侧空载测量特征频率输出电压信号

时，由于消弧线圈内部的电压互感器励磁阻抗远远大于短路阻抗，励磁回路等效为开路，而零序电压互感器B二次侧空载，因此，测量到的返回电压信号为中性点对地电压折算到二次侧的值，即在测量返回电压信号的过程也不会受到消弧线圈内部的电压互感器和零序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，配电网零序等效电流源的电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，

U′_i为电压信号

折算到一次侧的幅值，R′₀为阻尼电阻的等效电阻。

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，通过将串联的消弧线圈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

的频率取值不等于工频的整数倍。

本方案突破了常规测量思路，通过在配电网零序等效回路中考虑阻尼电阻，采用消弧线圈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，采用注入恒流信号并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，本发明方法更为简单，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。

本方案关键为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并消除了电压互感器内阻抗，然后利用消弧线圈等效电感与对地电容谐振求解，但原有利用谐振求解对地电容的公式无法直接运用，需求解等效电感之后才能使用。

有益效果

本发明提供了一种计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数测量方法，适用于中性点消弧线圈串接阻尼电阻接地配电网，通过消弧线圈内部电压互感器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，改变电流信号频率，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。本发明能消除电压互感器内阻抗和阻尼电阻的影响，实现谐振接地配电网对地参数的高精度测量，有利于消弧线圈精准调谐，且测量安全、快速，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)该测量方法针对中性点消弧线圈串接阻尼电阻接地配电网，从原理上消除了对地参数测量过程中阻尼电阻的影响，不受电压互感器短路阻抗的影响，且相较于其他注入信号测量方法，本发明方法更为简单，由于利用了谐振作用，谐振信号较微弱的测量信号相比，更易检测，且具有谐振法测量角频率精度高的优点，误差小，实验测量结果精度更高；

(2)该测量方法能有效提高对地参数的测量精度，改变以往只能测量配电网对地电容单一参数的局限，首次实现同时对配电网对地电容与泄漏电导的实时测量；

(3)该测量方法检测参数少，只需要测量返回电压信号；参数测量在低压侧，测量安全性高，不影响电网正常运行，测量快速、操作简单。

附图说明

图1为谐振接地配电网对地参数测量接线图；

图2为电压互感器等效电路图；

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为本发明方法实现的流程图。

图6为采用PSCAD仿真本发明方法的配电网零序等效回路导纳相位变化图。

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。

如图1所示，在谐振接地配电网中，

为配电网三相电源，g为配电网三相对地泄漏电导，C为配电网三相对地电容，L_p为消弧线圈，R₀为阻尼电阻，消弧线圈内部安装有一电压互感器A，配电网中性点处安装有一零序电压互感器B。

图2为电压互感器等效电路图，其中，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,，消弧线圈内部的电压互感器A和安装在配电网中性点处的零序电压互感器B均可以按图2进行等效。

当从消弧线圈内部电压互感器A二次侧向配电网中性点注入非工频的特征频率恒流信号

时，由于电压互感器励磁阻抗远远大于短路阻抗，励磁回路可以等效为开路。而电压互感器短路阻抗串联在注入回路中，注入特征频率信号为恒流信号，电压互感器串联内阻抗对注入恒流信号不会造成影响。

由零序电压互感器B二次侧空载测量特征频率返回电压信号

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B二次侧空载，因此，测量到的返回电压信号为中性点对地电压折算到二次侧的值，即在测量返回电压信号的过程也不会受到电压互感器内阻抗的影响。

由此，配电网零序回路如图3所示，其中，

为恒流信号

折算到一次侧的值，有：

k₁为消弧线圈内部电压互感器A变比；

为零序电压互感器一次侧电压，有：

k₂为零序电压互感器B变比。

此时，由于电流信号是从消弧线圈处注入，而根据配电网零序回路计算谐振角频率需要求得回路端口注入电流，因此根据电源的等效变化，将电流源等效为与消弧线圈和阻尼电阻并联。零序等效电流源的表达式如下：

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(2)化简，得：

由式(3)等式两侧实部、虚部分别相等，可得：

综上，配电网零序等效回路图为如图4所示，当注入电流频率变化为使测量的电压信号

与零序等效电流源

同相位时，即等效电流源的频率为ω₀时，判断消弧线等效电感值L′_p与配电网对地电容∑C发生了非工频谐振，零序等效回路导纳如下：

当

与

相位一致，零序等效回路导纳的相位为0，其中，ω₀为零序等效回路谐振角频率，系统对地阻抗呈现纯阻性。由于

与

的相位相同，则对于计及阻尼电阻的谐振接地配电网对地参数精确测量方法，零序等效回路谐振判定条件为：测量的电压信号

与零序等效电流源

同相位。

根据如图4所示的配电网零序等效回路，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(4)和式(6)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：

根据式(7)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。

本发明提供的测量方法流程如图5所示，其具体步骤为：通过消弧线圈内部电压互感器向配电网注入一特征频率恒流信号

从零序电压互感器空载测量返回的该特征频率输出电配电网对地电容∑C三者之间的关系，通过式(7)求解出对地电容，根据图4所示的配电网零序等效回路图，通过式(9)计算出配电网对地泄漏电导。

采用PSCAD仿真软件模拟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＝10Ω，消弧线圈内部电压互感器变比k₁和零序电压互感器k₂为k₁＝k₂＝100，对地电容∑C＝30μF，对地泄漏电导∑g＝240μS。通过消弧线圈内部电压互感器向配电网注入恒流信号

从零序电压互感器开口三角形侧空载测量返回的特征频率电压信号

平滑调节注入恒流信号的频率，实时测量配电网零序等效电路导纳的相位。配电网零序等效回路导纳相位随特征频率的变化情况如图6所示。随着注入恒流信号

的频率变化，∠零序等效回路中等效电感与系统对地电容将逐渐发生谐振，当配电网零序等效电流源的电流信号

与测量到的返回的电压信号

同相位(即零序等效回路导纳相位为零)时，得到系统谐振角频率ω₀＝45.697Hz，对应的特征频率返回电压

根据此测算出的系统对地电容及对地泄漏电导值列于表1。由表1测算结果可知，测量误差分别为0.324％、0.163％，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0.5％之内，精度很高。

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 (3)

1.一种计及阻尼电阻的谐振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)：在配电网消弧线圈内部的电压互感器的二次侧向配电网中性点注入非工频的恒流信号

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，当配电网零序等效电流源的电流信号

与测量到的返回的电压信号

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；

其中，R₀为阻尼电阻，L_p为消弧线圈电感，k₁为消弧线圈内部电压互感器变比；

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，k₂为零序电压互感器变比，I_i表示恒流信号

的电流幅值，U_i表示返回的电压信号

的电压幅值；所述恒流信号

的频率取值不等于工频的整数倍。

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，配电网零序等效电流源的电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，

U′_i为电压信号

折算到一次侧的幅值，R′₀为阻尼电阻的等效电阻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过将串联的消弧线圈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：

Images