CN117630583A

CN117630583A - 配电网电容电流及接地电阻检测装置及方法

Info

Publication number: CN117630583A
Application number: CN202410108329.3A
Authority: CN
Inventors: 冬雷; 辛文昱; 薛裔男; 张兵; 许建锋
Original assignee: Tianjin Tianbian Henbol Electrical Advance Co ltd
Current assignee: Tianjin Tianbian Henbol Electrical Advance Co ltd
Priority date: 2024-01-26
Filing date: 2024-01-26
Publication date: 2024-03-01
Anticipated expiration: 2044-01-26
Also published as: CN117630583B

Abstract

本发明提供配电网电容电流及接地电阻检测装置及方法，包括电压互感器的一次侧与配电网的A、B、C相连接；所述可调交流电源经过电流传感器与电压互感器的二次侧开口三角端M、N相连，所述AC电压传感器并联在电压互感器的二次侧开口三角端M、N上，电流传感器用于检测注入的电流信号，AC电压传感器用于检测注入的电压信号；所述控制器连接电流传感器与AC电压传感器，采集可调交流电源注入的电压电流信号；所述控制器与可调交流电源相连，用于控制可调交流电源输出的交流电流信号的频率和幅值。本发明采用单一频率注入方法，仅注入一个频率的交流信号，既可以同时检测出电容电流和接地电阻，检测效率高，检测时间短，不易引入干扰信号。

Description

配电网电容电流及接地电阻检测装置及方法

技术领域

本发明属于配电网电容电流及接地电阻测量技术，特别涉及一种中性点不接地的配电网电容电流及接地电阻检测装置及方法。

背景技术

中低压配电网线路故障大多为单相接地故障，由于采用中性点不接地方式运行，单相接地故障时线电压矢量三角形不变，三相对中性点电压不变。在电网电容电流不大，接地电弧能够自熄的条件下，电网可带故障继续供电1~2小时。当单相接地电流大于规程所规定的“10k V和35k V系统电容电流分别大于30A和10A”时，将产生一种不稳定的间歇性接地电弧，引起幅值较高的弧光接地过电压。弧光过电压持续时间长、影响面积大，对电网中绝缘较差的设备和线路上的绝缘弱点，可能导致绝缘击穿，使故障扩大。为了减小接地电流，使接地电弧自行熄灭，并限制这些过电压，通常采用消弧线圈接地方式。消弧线圈的接入不仅大大减小了故障点电流，还能减小故障相恢复电压的初速度和上升速度，延长恢复时间，从而保证了接地电弧的可靠熄灭，避免重燃，并减小了高幅值过电压出现的概率，给电网安全运行带来了一系列优点。

谐振接地系统的电容电流和接地电阻计算是自动调谐消弧线圈进行自动补偿的前提和依据。首先检测系统根据接地电阻判断是否出现接地故障。发生接地故障后，消弧线圈必须根据快速合理地补偿电容电流，以使接地电弧快速自熄，所以消弧线圈应实时跟踪电网运行方式的变化，在电网正常运行时，测量计算当前运行方式下的电容电流，以合理调节消弧线圈的出力。显然，对电网电容电流的计算精确度，将直接影响消弧线圈的调谐和补偿效果。

目前检测配电网电容电流的测量装置主要采用信号注入法式检测方法。现有方法包括“注入扫频信号法”，“定频（三频）注入法”。注入扫频信号法，即向电压互感器低压侧注入一系列幅值恒定，频率自动改变的信号，以此作为扫频信号，测出电网的谐振频率，然后计算出系统失谐度与电容电流。定频（三频）注入法，即向电压互感器低压侧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，也就可以计算出电容电流值。

综上所述，现有技术尚没有同时检测配电网电容电流及接地电阻的测量装置和方法。而现有信号注入法，需要注入多个频率的交流信号，系统电路结构和测试过程非常复杂，非常容易引入各种干扰信号从而降低测试精度，而且测试时间较长。传统信号注入所需的可调交流电源采用模拟电路实现结构复杂效率低，控制精度差，成本较高。此外，传统检测装置需要测量交流电流和电压的幅值、频率、相位，检测电路结构复杂，受谐波影响比较大，需要专门的滤波器，调试困难，检测精度低，影响最终检测效果。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种配电网电容电流及接地电阻检测装置和方法，与现有技术相比，本发明采用单一频率注入方法，仅注入一个频率的交流信号，既可以同时检测出电容电流和接地电阻，检测效率高，检测时间短，不易引入干扰信号。而且本发明采用PWM可调交流信号发生器，结构简单，控制精度高，响应快。此外，本发明采用了快速傅里叶变换（FFT），计算速度快，不受谐波影响，不需要特殊的滤波器。

为了达到上述目的，本发明的配电网电容电流及接地电阻检测装置，包括可调交流电源、控制器、电流传感器、AC电压传感器；

电压互感器的一次侧与配电网的A、B、C相连接；

所述可调交流电源经过电流传感器与电压互感器的二次侧开口三角端M、N相连，所述AC电压传感器并联在电压互感器的二次侧开口三角端M、N上，电流传感器用于检测注入的电流信号，AC电压传感器用于检测注入的电压信号；

所述控制器连接电流传感器与AC电压传感器，采集可调交流电源注入的电压电流信号；

所述控制器与可调交流电源相连，用于控制可调交流电源输出的交流电流信号的频率和幅值。

进一步的，所述可调交流电源包括：用于调压的隔离变压器、第一母线电容、第二母线电容、第一功率管和第二功率管；

所述隔离变压器的副边与整流桥的桥臂中点相连，整流桥输出端为输出直流电的正负直流母线；

所述正负直流母线之间串接第一母线电容与第二母线电容，所述隔离变压器副边的中间抽头连接至第一母线电容与第二母线电容之间；

所述第一功率管的源极与第二功率管的漏极电连接，所述第一功率管的漏极与正直流母线电连接，所述第二功率管的栅极与负直流母线电路连接，所述第一功率管与第二功率管的栅极与控制器电连接；

所述控制器用于输出PWM信号控制第一功率管和第二功率管的导通/关断。

进一步的，所述第一母线电容的负极或第二母线电容的正极与第一功率管的源极之间依次串接滤波电感、滤波电容、阻尼电阻，所述滤波电容的正负极分别与可调交流电源的输出端连接。

进一步的，还包括两端分别与所述正直流母线与负直流母线连接的DC电压传感器，其与控制器连接用以检测直流母线电压并将信号传给控制器。

进一步的，所述整流桥包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管。

进一步的，所述控制器与键盘显示相连，用于对控制器进行参数设定和数据显示。

进一步的，检测步骤如下：

步骤1：检测电压互感器及配电网的等效漏感以及漏阻/>；

步骤2：控制器通过DC电压传感器检测直流母线电压，根据直流母线电压，计算调制比和注入信号的频率，控制第一功率管和第二功率管输出正弦PWM信号；

步骤3：所述输出正弦PWM信号经过滤波电感、滤波电容、阻尼电阻滤波后得到频率为正弦波，通过电压互感器注入配电网；

步骤4：所述控制器通过电流传感器和AC电压传感器检测注入信号的电压和电流信号/>；

步骤5：所述控制器将所采集的电压和电流信号/>分别进行快速傅里叶变换（FFT），分别得到电压/>和电流信号/>的实部和虚部，并计算出系统阻抗/>的实部和虚部/>；

步骤6：将所述阻抗的实部和虚部/>代入

，得到

，

式中， n为电压互感器的变比;

步骤7：解步骤6的方程得到配电网电容

，

步骤8：将步骤7得到的电容换算为电网对地电容/>，

，

步骤9：利用步骤7计算得到的根据下式计算配电网电容电流值/>，

，

式中为配电网额定相电压,/>为电网额定频率；

步骤10：解步骤6的方程得到接地电阻，

，

步骤11：将步骤10得到的接地电阻换算为电网接地电阻/>，

。

进一步的，所述频率的取值范围10-300Hz之间，并通过步骤7公式反推频率/>。

进一步的，所述步骤7包括：根据配电网电容值，通过试凑法优化频率/>的值，使虚部/>增大，再重复步骤2至步骤11，以便提高配电网电容电流/>与接地电阻/>的检测精度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，采用单一频率注入方法，每次仅注入一个频率的交流信号，既可以同时检测出电容电流和接地电阻，检测效率高，检测时间短，不易引入干扰信号。

本发明的一个效果在于，采用PWM可调交流信号发生器，结构简单，控制精度高，响应快，而且系统效率高不易发热。

本发明的一个效果在于，采用了快速傅里叶变换（FFT）对电压电流信号同时采样和变换，适合嵌入式控制器，计算速度快，不受谐波影响，不需要特殊的滤波器。

附图说明

图1为配电网电容电流及接地电阻检测装置连接示意图；

图2为本申请配电网电容电流及接地电阻检测装置示意图；

图3是本申请实施例公开的一种配电网电容电流及接地电阻检测系统示意图；

图4是该实施例的配电网电容电流及接地电阻检测等效电路；

图5是该实施例简化的配电网电容电流及接地电阻检测等效电路；

图6是该实施例的配电网电容电流及接地电阻检测电流控制原理图；

图7是该实施例的配电网电容电流及接地电阻检测信号采集原理图；

图8是实施例中注入130Hz交流信号波形；

图9是该实施例下的检测仿真波形图；

图10是该实施例下经过FFT变换后得到的电压电流幅值；

图11 是本申请实施例公开的另外一种配电网电容电流及接地电阻检测装置示意图。

附图中，各标号所代表的部件：

1、检测装置，2、电压互感器，3、配电网，101、可调交流电源，102、控制器，103、键盘显示，104、电流传感器，105、AC电压传感器，1001、市电，1002、隔离变压器，1003、第一整流管，1004、第二整流管，1005、第三整流管，1006、第四整流管，1007、第一母线电容，1008、第二母线电容，1009、DC电压传感器，1010、第一功率管，1011、第二功率管，1012、滤波电感，1013、阻尼电阻，1014、滤波电容。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或者先后次序。

本申请实施例公开了一种配电网电容电流及接地电阻检测装置以及检测方法。具体实现过程，通过以下实施例进行详细说明。

如图1所示，为本申请实施例公开的一种配电网电容电流及接地电阻检测装置连接示意图，包括：检测装置1、电压互感器2、配电网3。

所述配电网3为中性点不接地电网，输电线上的寄生电感和电阻比较小，在介绍方案时为了简洁方便，对此忽略不计。在实际应用过程中可以对此进行很方便地归入电路参数中进行计算和补偿。配电网3对地电容和接地电阻分别记为：和/>。

电压互感器2采用星-角形接法，一次侧采用星形接法，中点接地，所述电压互感器2的一次侧与配电网3的A、B、C相连接。二次侧采用开口的三角形接法，开口处接M、N端。

所述检测装置1与电压互感器2开口三角端M、N相连，并经过电压互感器2与配电网3相连。

如图2所示，为本申请配电网电容电流及接地电阻检测装置示意图。该检测装置包括：可调交流电源101、控制器102、键盘显示103、电流传感器104、AC电压传感器105。

所述可调交流电源101与电压互感器2的二次侧开口三角端M、N相连。

所述电流传感器104连接在可调交流电源101与电压互感器2的N端，用于检测可调交流电源101注入的电流信号。

所述AC电压传感器105并联在电压互感器2的二次侧开口三角端M、N上，用于检测可调交流电源101注入的电压信号。

所述控制器102是本发明检测装置的核心，采用嵌入式控制核心，可以是MCU、DSP、FPGA等芯片。在本申请中并不做具体限定。控制器102连接电流传感器104、AC电压传感器105、DC电压传感器1009。采集可调交流电源101注入的交流电压电流信号，以及直流母线电压信号。

检测装置的工作原理为：可调交流电源101输出的交流电流通过电压互感器2的二次侧（M、N两端），电压互感器2的一次侧感应出相同频率的交流信号并注入配电网3中。然后控制器102通过接收M、N两端的交流电压信号和交流电流信号，以计算出配电网3的对地电容和对地电阻。

所述键盘显示103与控制器102相连对控制器102进行参数设定和数据显示。

所述控制器102与可调交流电源101相连用于控制可调交流电源101中的第一功率管1010和第二功率管1011组成的半桥逆变电路，将直流母线电压逆变成正弦波电压，并通过电流反馈控制正弦输出电流，从而输一个固定频率的交流电流信号。

如图2所示，所述可调交流电源101包括：市电1001、隔离变压器1002、第一整流管1003、第二整流管1004、第三整流管1005、第四整流管1006、第一母线电容1007、第二母线电容1008、DC电压传感器1009、第一功率管1010、第二功率管1011、滤波电感1012、阻尼电阻1013、滤波电容1014。

所述市电1001与隔离变压器1002的原边相连，隔离变压器1002的副边与第一整流管1003、第二整流管1004、第三整流管1005、第四整流管1006组成的整流桥的桥臂中点相连，整流桥输出连直流母线，第一母线电容1007与第二母线电容1008串联接在直流母线的正负端。

所述隔离变压器1002的副边有一个中间抽头，该中心抽头与第一母线电容1007、第二母线电容1008串联的中点相连。

所述第一功率管1010与第二功率管1011串联接在直流母线两端，DC电压传感器1009并联在直流母线两端检测直流母线电压并将信号传给控制器102。所述第一功率管1010与第二功率管1011可以包括但不限于MOSFET或者IGBT。

所述控制器102输出PWM信号控制第一功率管1010和第二功率管1011的导通/关断；

所述滤波电感1012、滤波电容1014、阻尼电阻1013串联后连接在第一母线电容1007、第二母线电容1008串联的中点和第一功率管1010、第二功率管1011串联的中点之间，滤波电容1014的两端作为可调交流电源101的输出端。所述滤波电容1014可以包括但不限于薄膜电容或者无极性其他电容。

如图3所示，通过控制使可调交流电源101相当于一个频率和幅值均可调的交流电流源。可调交流电源101将某一频率的电流信号经过电压互感器2注入配电网3。相当于可调交流电源101向配电网3注入了一个共模电流信号。

可调交流电源101向配电网3注入了一个共模电流信号，其等效电路如图4所示。图中，可调交流电源101等效为交流电源，输出频率为的交流信号，电压为/>，电流为/>。/>为电压互感器2二次侧漏电阻，/>为电压互感器2二次侧漏电感。/>和/>分别为折算到二次侧的电压互感器2一次侧漏电阻和漏电感。/>和/>分别为电压互感器2的激磁电阻和激磁电感。/>为折算到二次侧的配电网电容，/>为折算到二次侧的电阻。由于通常/>和/>较大，在原理分析的时候可以忽略不计，在实施例中可以做相应的补偿和修正。因此图4所示的配电网电容电流及接地电阻检测等效电路可以简化为图5的形式。

如图5所示是该实施例的配电网电容电流及接地电阻检测电流控制原理图。

所述控制器102给定和/>。通过电流传感器104检测得到实时电流信号/>之后与给定电流/>进行比较，误差经过比例谐振控制器（PR）生成实时PWM的占空比，经过驱动电路后，用于控制第一功率管1010和第二功率管1011使输出的/>可以跟踪给定电流/>，从而向配电网3注入一个频率为/>幅值为/>的共模电流信号。

当可调交流电源101向配电网3注入了一个共模电流信号之后，控制器102利用电流传感器104和AC电压传感器105同步检测实时的电为和电流/>信号，并进行FFT变换，得到电为/>和电流/>信号的实部和虚部。并计算出系统阻抗/>的实部/>和虚部/>，见图7。

如图8所示是本实施例中注入130Hz交流信号波形。优选地注入电流信号的幅值小于10A，频率小于300Hz且避开配电网频率（50Hz）的整倍数。

如图9所示，是该实施例下利用图7所示方法检测得到的电压、电流波形的仿真波形图。

经过图9所示的检测波形，通过控制器102进行FFT变换后得到的电压电流幅值，见图10。

如图11所示，是本申请实施例公开的另外一种配电网电容电流及接地电阻检测装置示意图。用单相变压器代替了有中心抽头的隔离变压器1002。另外用H桥型逆变器代替了第一功率管1010和第二功率管1011组成的半桥逆变器，效果相同，只是控制复杂一些，而且成本也会增加。

在具体实现中，所述配电网电容电流及接地电阻检测装置的控制方法包括如下步骤：

步骤1：检测电压互感器2及配电网3的等效漏感以及漏阻/>；

步骤2：控制器102通过DC电压传感器1009检测直流母线电压，根据直流母线电压，计算调制比和注入信号的频率，控制第一功率管1010和第二功率管1011输出正弦PWM信号；

步骤3：所述输出正弦PWM信号经过滤波电感1012、滤波电容1014、阻尼电阻1013滤波后得到频率为正弦波，通过电压互感器2注入配电网3；

步骤4：所述控制器102通过电流传感器104和AC电压传感器105检测注入信号的电压和电流信号/>；

步骤5：所述控制器102将所采集的电压和电流信号/>分别进行快速傅里叶变换（FFT），分别得到电压/>和电流信号/>的实部和虚部，并计算出系统阻抗/>的实部/>和虚部/>；

步骤6：将所述阻抗的实部和虚部/>代入

，得到

，

式中， n为电压互感器2的变比;

步骤7：解步骤6的方程得到配电网电容，

，

步骤8：将步骤7得到的电容换算为电网对地电容/>，

，

式中为配电网额定相电压,/>为电网额定频率；

步骤10：解步骤6的方程得到接地电阻，

，

步骤11：将步骤10得到的接地电阻换算为电网接地电阻/>，

，

频率的取值范围10-300Hz之间，并通过步骤7公式反推频率/>。

步骤7包括：根据配电网电容值，通过试凑法优化频率/>的值，使虚部/>尽可能增大，再重复步骤2至步骤11，以便提高配电网电容电流/>与接地电阻/>的检测精度。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims

1.配电网电容电流及接地电阻检测装置，其特征在于，包括：可调交流电源（101）、控制器（102）、电流传感器（104）、AC电压传感器（105）；

电压互感器（2）的一次侧与配电网（3）的A、B、C相连接；

所述可调交流电源（101）经过电流传感器（104）与电压互感器（2）的二次侧开口三角端M、N相连，所述AC电压传感器（105）并联在电压互感器（2）的二次侧开口三角端M、N上，电流传感器（104）用于检测注入的电流信号，AC电压传感器（105）用于检测注入的电压信号；

所述控制器（102）连接电流传感器（104）与AC电压传感器（105），采集可调交流电源（101）注入的电压电流信号；

所述控制器（102）与可调交流电源（101）相连，用于控制可调交流电源（101）输出的交流电流信号的频率和幅值。

2.如权利要求1所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置，其特征在于，所述可调交流电源（101）包括：用于调压的隔离变压器（1002）、第一母线电容（1007）、第二母线电容（1008）、第一功率管（1010）和第二功率管（1011）；

所述隔离变压器（1002）的副边与整流桥的桥臂中点相连，整流桥输出端为输出直流电的正负直流母线；

所述正负直流母线之间串接第一母线电容（1007）与第二母线电容（1008），所述隔离变压器（1002）副边的中间抽头连接至第一母线电容（1007）与第二母线电容（1008）之间；

所述第一功率管（1010）的源极与第二功率管（1011）的漏极电连接，所述第一功率管（1010）的漏极与正直流母线电连接，所述第二功率管（1011）的栅极与负直流母线电路连接，所述第一功率管（1010）与第二功率管（1011）的栅极与控制器（102）电连接；

所述控制器（102）用于输出PWM信号控制第一功率管（1010）和第二功率管（1011）的导通/关断。

3.如权利要求2所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置，其特征在于，所述第一母线电容（1007）的负极或第二母线电容（1008）的正极与第一功率管（1010）的源极之间依次串接滤波电感（1012）、滤波电容（1014）、阻尼电阻（1013），所述滤波电容（1014）的正负极分别与可调交流电源（101）的输出端连接。

4.如权利要求2所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置，其特征在于，还包括两端分别与所述正直流母线与负直流母线连接的DC电压传感器（1009），其与控制器（102）连接用以检测直流母线电压并将信号传给控制器（102）。

5.如权利要求2所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置，其特征在于，所述整流桥包括第一整流管（1003）、第二整流管（1004）、第三整流管（1005）、第四整流管（1006）。

6.如权利要求1所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置，其特征在于，所述控制器（102）与键盘显示（103）相连，用于对控制器（102）进行参数设定和数据显示。

7.基于权利要求1-6中任意一项所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置的控制方法，其特征在于，检测步骤如下：

步骤1：检测电压互感器（2）及配电网（3）的等效漏感以及漏阻/>；

步骤2：控制器（102）通过DC电压传感器（1009）检测直流母线电压，根据直流母线电压，计算调制比和注入信号的频率，控制第一功率管（1010）和第二功率管（1011）输出正弦PWM信号；

步骤3：所述输出正弦PWM信号经过滤波电感（1012）、滤波电容（1014）、阻尼电阻（1013）滤波后得到频率为正弦波，通过电压互感器（2）注入配电网（3）；

步骤4：所述控制器（102）通过电流传感器（104）和AC电压传感器（105）检测注入信号的电压和电流信号/>；

步骤5：所述控制器（102）将所采集的电压和电流信号/>分别进行快速傅里叶变换（FFT），分别得到电压/>和电流信号/>的实部和虚部，并计算出系统阻抗/>的实部/>和虚部/>；

步骤6：将所述阻抗的实部和虚部/>代入

，得到

，

式中， n为电压互感器（2）的变比;

步骤7：解步骤6的方程得到配电网电容，

，

步骤8：将步骤7得到的电容换算为电网对地电容/>，

，

式中为配电网额定相电压, />为电网额定频率；

步骤10：解步骤6的方程得到接地电阻，

，

步骤11：将步骤10得到的接地电阻换算为电网接地电阻/>，

。

8.如权利要求7所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置的控制方法，其特征在于，所述频率的取值范围10-300Hz之间，并通过步骤7公式反推频率/>。

9.如权利要求8所述的配电网电容电流及接地电阻检测装置的控制方法，其特征在于，所述步骤7包括：根据配电网电容值，通过试凑法优化频率/>的值，使虚部/>增大，再重复步骤2至步骤11，以便提高配电网电容电流/>与接地电阻/>的检测精度。