肖龙海 沈伟伟 朱小飞 孙宝金
（国网浙江桐乡市供电公司）
一种电磁混合式消弧线圈电容测量方法
肖龙海 沈伟伟 朱小飞 孙宝金
（国网浙江桐乡市供电公司）
小电流接地系统多采用消弧线圈接地，准确测量系统对地电容对提高系统消弧能力有重要意义。本文基于电磁混合式消弧线圈的工作原理，结合磁控电抗器的无极调节特性与有源补偿器的变频特性，消除系统正常运行时产生的中性点位移电压对测量系统的影响，提出一种采用高速FPGA实现的基于信号调整法的电容测量方法。模拟实验结果表明此方法具有计算简便、测量精度高、速度快等特点，可以推广应用于任何类型的随调式消弧线圈系统。
电磁混合式消弧线圈；磁控电抗器；电容测量；位移电压；FPGA
0 引言
我国大部分6～66kV的中压配电网都已经采用中性点经消弧线圈接地系统，现今大量架空线路改造入地代之电缆线路，系统对地电容便急剧上升，当系统发生单相故障时，将会产生较大的对地电容电流，此时电弧将不会自动熄灭，严重时甚至产生弧光过电压引起相间短路，进而扩大事故范围。因此，准确测量系统地电容电流，并迅速保持跟踪状态，使消弧线圈时刻处于正确的补偿位置，是保证系统安全、稳定、经济运行的重要环节。
目前，国内外对电容的测量方法分为直接法和间接法，由于直接法具有操作接线复杂，并且对测量人员和配电系统存在一定的安全隐患，因此一般不建议采用；间接法包括单频率法、三频率法、偏置电容法、调谐法、调阻抗法、扫频法等。
本文将基于电磁混合式消弧线圈的工作原理，借助高速FPGA的运算能力，提出基于信号调整法的新型电容测量方法，解决中性点位移电压对变频法测量电容的影响问题。
1 EHPC测量工作原理
电磁混合式消弧线圈（Electromagnetic Hybrid Petersen Coil，EHPC） 由 磁 控 电 抗 器（Magnetically Controllable Reactor，MCR）和有源补偿器（Active Power Compensator，APC）两部分组成。其中，MCR 是通过改变直流励磁电流， 连续平滑地调节等效电抗，达到自动跟踪补偿接地故障电流的无功分量的目的；APC 能补偿有功和谐波，可等效为一个可调负电阻和PAPF的并联， 其工作原理与 STATCOM 和PAPF 类似，采用基于电力电子技术的柔性控制策略。
图1 基于EHPC的配电网系统
1.1 零序等效电路
在系统未发生单相接地故障时，EHPC工况处于电容测量状态，母线零序电压由APC变频电流与三相不平衡电压决定，此工况下的等效回路如下图2所示，其中，虚线框表示EHPC的等效电路，包括MCR的空载电感L0与APC产生的等效电流源，零序回路中电容+，C对C地泄露电阻，表示三相不平衡电压，与系统三相电源有关。
图2 电容测量状态的等效回路
不失一般性，由于线路对地泄露电阻R0相当大，因此，在以下等效电路分析中可将R0省略。在APC注入的可变频率、幅值恒定电流与三相不平衡电压U·
00作用下，根据叠加原理得到中性点电压0式中，ω0表示系统工频50Hz， ωf表示APC 注入的可变频率f。可见，在电容测量工况下，系统测量需要检测的中性点电压包含两部分不同频率的电压分量，根据系统谐振条件，必须保证MCR空载电感L0与系统电容C0在工频下不能发生谐振，即 ω0L0C0≠1，否则将产生过电压，而根据MCR的工作特性，在空载情况下，可以保证MCR的电感值远离谐振点，并且通过优化MCR 的铁心结构和本体磁路能改善L0的线性度。
1.2 测量电容原理
图3 扫频示意图
根据谐振频率ωf，可以得到系统电容C0式中， fr为LC谐振回路的谐振频率。
1.3 增量与精度的关系
假设在对两个电容C1、C2测量工作中，两次的注入谐振频率分别为 f1、 f2，扫描频率增量，考虑到电容测量的精度σ，需要满足
不失一般性，假设C1=C0，联立，得到扫描频率增量 Δf与测量精度σ存在以下关系
按照实际现场测量要求，若电容测量精度σ达到2%，MCR设计的空载电抗为500mΩ，假设现场电容最大达到100μF（10kV系统的电容电流达到约200A），那么谐振频率最小为22Hz，根据式（5）得到扫频增量应满足ΔΔff ==00..22221188～～00..22228855 H H z z ，因此，只要扫频增量就可以满足精度2%的要求；若扫频增量 Δf为0.1Hz，反推计算此时的测量精度σ达到0.45%。
从以上分析可知，通过改变扫频增量 Δf，可以相应提高测量精度σ。
2 实验测试与结果分析
为验证信号调整法在实际电容测量的效果，搭建380V低压实验系统，如图7所示，每条线路的各相并联电容等效模拟实际电力系统的对地电容。操作电容投切开关S1、S2、S3（虚线框内，可单独投切），进而改变线路对地电容CA、CB、CC大小，由电压互感器T1作为APC的变频信号注入通道，由电压互感器T2采集中性点电压，电流互感器CT采集MCR的输出电流，控制器根据采集进来的电压信号进行处理，同时控制APC与MCR的脉冲，使用信号调整法测量电容，测量结果如下表所示。
根据表中数据可见，改变中性点电压位移电压时，电容测量结果绝对误差最大为1.43μF，相对误差最大为1.32%，具有较高精度，完全满足误差小于2%的规程规定，可以适用于实际电力现场。
表 实验测试电容数据
图7 模拟实验平台
3 结束语
本文利用磁控电抗器的无极调节特性作为随调式消弧线圈，并采用有源补偿器的变频特性作为测量系统的信号源，注入恒值频率可变的电流信号，结合提出的信号调整法对电容进行测量，选择合适的扫频增量可以提高测量速度，并自适应调整频率增量，提高测量系统信噪比。结果表明，此电容测量方法可适用于任何类型的随调式消弧线圈系统。
2016-04-27）
