基于電力電子擾動(dòng)技術(shù)的計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地電容測(cè)量方法

對(duì)地電容，指的是輸、配電線(xiàn)路對(duì)地存在電容，三相導(dǎo)線(xiàn)之間也存在著電容。

一般電器都有一個(gè)對(duì)地電容，相與相之間、相與地之間也都有一個(gè)對(duì)地電容。

電流及電容 當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)充電后，導(dǎo)線(xiàn)就與大地存在了一個(gè)電場(chǎng)，導(dǎo)線(xiàn)會(huì)通過(guò)大氣向大地（另二相導(dǎo)線(xiàn)也拆算到地）放電，將導(dǎo)線(xiàn)從頭到尾的放電電流“歸算”到一點(diǎn)，這個(gè)“假想”的電流就是各相對(duì)地電容電流。

電容的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)極板中間通過(guò)絕緣體構(gòu)成，為此，線(xiàn)路中的導(dǎo)線(xiàn)成為一個(gè)極板，大地成為另一個(gè)極板，兩個(gè)極板中間依靠空氣絕緣，這就形成了電容的關(guān)系。盡管線(xiàn)路與大地之間的距離較大而形成的電容量甚小，隨著線(xiàn)路的覆蓋面越大（極板面積增大），電容量也隨著有所增大的。

諧波阻抗應(yīng)用 對(duì)各類(lèi)系統(tǒng)對(duì)地電容計(jì)算方法進(jìn)行了歸納總結(jié)的基拙上，針對(duì)“預(yù)調(diào)式”消弧線(xiàn)圈提出了一種檢測(cè)系統(tǒng)對(duì) 地電容的新方法，利用投切消弧線(xiàn)圈阻尼電阻的電力電子開(kāi)關(guān)，通過(guò)短時(shí)控制其導(dǎo)通狀態(tài)以產(chǎn)生含有豐富頻率成分的擾動(dòng)電壓、電流。利用該擾動(dòng)電壓、電流信號(hào)并結(jié)合基于電力電子擾動(dòng)技術(shù)的諧波阻抗測(cè)量方法測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地電容以用于“預(yù)調(diào)式”消弧線(xiàn)圈的自調(diào)諧。電網(wǎng)正常工作情況下，通過(guò)短時(shí)改變投切阻尼電阻的晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)，等效于將阻尼電阻短時(shí)退出工作，進(jìn)而在晶閘管兩端產(chǎn)生含有豐富頻率成分的擾動(dòng)電壓、電流信號(hào)?；谂潆娋W(wǎng)的近似線(xiàn)性，各頻次下擾動(dòng)電壓與擾動(dòng)電流呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。利用擾動(dòng)電壓、電流信號(hào)并結(jié)合基于電力電子擾動(dòng)技術(shù)的諧波阻抗測(cè)量方法汁算系統(tǒng)對(duì)地電容。

系統(tǒng)意義

根據(jù)消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償原理分析可知：（a ） 為了最大程度的減小接地電流，諧振接地系統(tǒng)對(duì)接入消弧線(xiàn)圈的大小與運(yùn)行方式有明確要求。（b ） 全補(bǔ)償運(yùn)行方式下，消弧線(xiàn)圈的感抗與系統(tǒng)對(duì)地容抗相等 。精確檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)地電容是消弧線(xiàn)圈合理補(bǔ)償?shù)那疤?。電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障后，只有準(zhǔn)確的檢測(cè)出系統(tǒng)對(duì)地電容，才能將接地殘流降到最小，使接地電弧可靠媳滅，避免兩相短路等更加惡劣事故的發(fā)生。因此，準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)地電容對(duì)消弧線(xiàn)圈的有效補(bǔ)償具有重要的意義。

研究現(xiàn)狀

系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，為了能夠快速媳滅電弧，應(yīng)將消弧線(xiàn)圈迅速調(diào)節(jié)到位。消弧線(xiàn)圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地電容以確定消弧線(xiàn)圈的投入容量?，F(xiàn)有的系對(duì)地電容的檢測(cè)方法可歸結(jié)為如下幾類(lèi)：中性點(diǎn)位移電壓法、阻抗三角形法、兩點(diǎn)法與三點(diǎn)法、注入信號(hào)法。

中性點(diǎn)位移

這種方是以串聯(lián)諧振原理為基礎(chǔ)，通過(guò)改變消弧線(xiàn)圈檔位尋找中性點(diǎn)位移電壓最大值點(diǎn)，以得到系統(tǒng)對(duì)地電容值。當(dāng)消弧線(xiàn)圈調(diào)節(jié)至諧振位置運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為全補(bǔ)償方式，中性點(diǎn)位移電壓最大，此時(shí)線(xiàn)圈的感抗值與系統(tǒng)對(duì)地容抗值相等，通過(guò)確定消弧線(xiàn)圈電感值便可知道此時(shí)對(duì)地電容的大小。這種方法原理簡(jiǎn) 單但也有缺點(diǎn)。在諧振點(diǎn)附近時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓值已經(jīng)很大且與諧振時(shí)的電壓值相差無(wú)幾，因此需要頻繁調(diào)節(jié)尋找諧振點(diǎn)，要精確的確定諧振點(diǎn)有一定的難度。同時(shí)對(duì)于非連續(xù)調(diào)節(jié)的消弧線(xiàn)圈，由于各檔位間是非無(wú)級(jí)式切換的，有可能無(wú)法準(zhǔn)確找到諧振點(diǎn)，影響測(cè)量精度。

阻抗三角形法

針對(duì)“預(yù)調(diào)式” 消弧線(xiàn)圈，為了限制中性點(diǎn)位移電壓，消弧線(xiàn)圈側(cè)需加阻尼電阻，由于該阻尼電阻的存在便可以利用串聯(lián)諧振中電阻與電抗之間的三角形關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地電容。該方法的準(zhǔn)確性受到不平衡度的影響：對(duì)于“隨調(diào)式”消弧線(xiàn)圈，由于消弧線(xiàn)圈遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)運(yùn)行，阻抗三角形的夾角就會(huì)變得非常小，同時(shí)帶來(lái)較大的計(jì)算誤差；該方法需要其它操作來(lái)確定系統(tǒng)的脫諧度且在此過(guò)程成中需要保持系統(tǒng)一直處于過(guò)補(bǔ)償或 欠補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)：該方法一般用于消弧線(xiàn)圈串聯(lián)阻尼電阻運(yùn)行的方式下，對(duì)于并聯(lián)阻尼電阻則需要進(jìn)行一系列的公式變換，導(dǎo)致一定的誤差出現(xiàn)。

兩點(diǎn)法三點(diǎn)法

兩點(diǎn)法與三點(diǎn)法是通過(guò)測(cè)量消弧線(xiàn)圈檔位調(diào)節(jié)前后中性點(diǎn)位移電壓來(lái)計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地電容值，兩點(diǎn)法需要改變一次消弧線(xiàn)圈的容量，三點(diǎn)法則需要改變兩次消弧線(xiàn)圈的容量。這兩種方法在電網(wǎng)正常工作時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電容電流，此時(shí)消弧線(xiàn)圈遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)工作，電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)又可迅速調(diào)節(jié)到位，因此無(wú)需裝設(shè)限壓來(lái)控制中性點(diǎn) 位移電壓。但是這兩者也有一定的缺點(diǎn)，前者忽略了電網(wǎng)阻尼率及消弧線(xiàn)圈的有功損耗電導(dǎo)，因此會(huì)導(dǎo)致較大的計(jì)算誤差；后者雖考慮了電網(wǎng)阻尼率，但同樣忽略了消弧線(xiàn)圈的有功損耗電，影響計(jì)算精度。

注入信號(hào)法

注入信號(hào)法又分為注入變頻信號(hào)法與注入恒頻信號(hào)法。其中注入變頻信號(hào)法是利用電壓互感器向消弧線(xiàn)圈注入信號(hào)，通過(guò)系統(tǒng)反映到電壓互感器二次側(cè)的信息來(lái)確定系統(tǒng)諧振頻率，從而計(jì)算系統(tǒng)的對(duì)地電容。這種方法是國(guó)內(nèi)采用最為廣泛的一種注入信號(hào)法，它可被應(yīng)用于各類(lèi)消弧線(xiàn)圈，且實(shí)施過(guò)程是在電網(wǎng)未發(fā)生故障的情況下進(jìn)行的，無(wú)需開(kāi)啟任何自調(diào)諧裝置，且同時(shí)具備較高的測(cè)量精度。但該方法實(shí)時(shí)性較差，需要不斷的掃頻步驟以尋找諧振頻率，另外當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓較大時(shí)，很難準(zhǔn)確找到諧振頻率，產(chǎn)生誤差；注入恒頻信號(hào)法是從電壓互感器開(kāi)口三角側(cè)注入多個(gè)頻率恒定的電流信號(hào)，通過(guò)測(cè)量PT二次側(cè)電壓計(jì)算出配電網(wǎng)對(duì)地電容值和電容電流值，該方法在恰當(dāng)?shù)倪x頻下具有較高的測(cè)量精度。

表達(dá)式確定

利用晶閘管投切過(guò)程在晶間管兩端產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)各頻次下諧波分量來(lái)計(jì)算系統(tǒng)對(duì)地電容。半波整流電路中晶閘管瞬時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的暫態(tài)擾動(dòng)的各諧波成分含量隨著頻率的升高而減小。因此為了保證系統(tǒng)對(duì)地電容計(jì)算的準(zhǔn)確性，選取擾動(dòng)電壓、電流中含量較高的8倍頻以下各諧波成分計(jì)算系統(tǒng)諧波阻抗。在這一頻率范圍內(nèi)開(kāi)展的相關(guān)諧波研究工作，變壓器通常仍用漏阻抗替代，配電線(xiàn)路仍采用集中參數(shù)π型模型等效，僅感抗和容抗隨頻變化而變化，可保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

礦井測(cè)量方法 隨著煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的增大，單相接地電容電流隨之增大。電容電流的大小是決定是否要對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償，以及選擇補(bǔ)償設(shè)備的重要依據(jù)?，F(xiàn)有的小電流接地系統(tǒng)對(duì)地電容的測(cè)量方法不適應(yīng)礦井長(zhǎng)期在線(xiàn)測(cè)量。因此，提出了一種基于線(xiàn)路模型參數(shù)識(shí)別的礦井對(duì)地電容在線(xiàn)測(cè)量方法，通過(guò)建立每條線(xiàn)路的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)接地故障時(shí)的零序電壓、電流數(shù)據(jù)，采用最小二乘法求出線(xiàn)路對(duì)地電容。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在絕緣電阻為無(wú)窮大的情況下，對(duì)地電容識(shí)別的誤差率小于1%。

誤差分析

理論上，采用的零序電阻R01、零序電感L01真實(shí)參數(shù)保持一致。但是使用時(shí)由于電纜的接觸電阻的存在和高次諧波的影響，使得實(shí)際的零序電阻和零序電感大于理論值。

可見(jiàn)，當(dāng)零序電壓和零序電流一定，R01增大，必然導(dǎo)致電容值減小，低于實(shí)際值。同理當(dāng)L01增大時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致電容值減小，低于實(shí)際值。因此運(yùn)用線(xiàn)路模型對(duì)對(duì)地電容測(cè)量時(shí)，必須濾除零序電壓電流中的高頻分量。同時(shí)也可以利用建立的線(xiàn)路模型定期對(duì)零序電阻和電感進(jìn)行修正，將辨識(shí)的參數(shù)擴(kuò)展為3個(gè)，通過(guò)辨識(shí)得到零序電阻和電感的實(shí)際值。

實(shí)現(xiàn)步驟

利用發(fā)生接地故障時(shí)，流過(guò)不同線(xiàn)路上的零序電壓、電流數(shù)據(jù)就可求出該系統(tǒng)中各線(xiàn)路的對(duì)地電容。系統(tǒng)對(duì)地電容值求出后，可以很容易計(jì)算出系統(tǒng)電容電流的有效值，從而實(shí)時(shí)掌握了煤礦井下對(duì)地電容的狀況。在實(shí)際使用時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)采集故障時(shí)的零序電壓、零序電流，代入離散化的模型方程，經(jīng)過(guò)最小二乘法辨識(shí)，得出對(duì)地電容C值。

為執(zhí)行運(yùn)算時(shí)的采集點(diǎn)數(shù)，由于待求參數(shù)只有一個(gè)，可以連續(xù)取數(shù)據(jù)幾個(gè)或十幾個(gè)，也就是用一段時(shí)間的采樣值對(duì)參數(shù)做出一個(gè)估計(jì)值，如此重復(fù)即可求解出對(duì)地電容值。

仿真與分析

為了驗(yàn)證提出的方法的有效性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了單線(xiàn)路的供電模型，變壓器采用380/660V升壓變壓器，后接一臺(tái)礦用饋電開(kāi)關(guān)，饋電開(kāi)關(guān)后接一條電纜出線(xiàn)，電纜為截面10mm2的礦用阻燃電纜，供電長(zhǎng)度為100m。負(fù)載為1臺(tái)4kW的礦用防爆電機(jī)。絕緣電阻通過(guò)測(cè)量為∞，試驗(yàn)時(shí)采用饋電開(kāi)關(guān)中的實(shí)驗(yàn)按鈕，通過(guò)1kΩ電阻接地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行單相接地模擬實(shí)驗(yàn)，在線(xiàn)路分別并聯(lián)不同電容時(shí)通過(guò)線(xiàn)路模型計(jì)算得出的電容值。

可以看出采用線(xiàn)路模型方法得出的對(duì)地電容和實(shí)際值之間的誤差在1%以?xún)?nèi)。與采用的附加電容法的測(cè)量結(jié)果相比，誤差低于附加電容的方法。雖然采用線(xiàn)路模型算出的電容值和實(shí)際值之間存在的誤差，但總體來(lái)說(shuō)，估計(jì)結(jié)果較準(zhǔn)確，算法可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工作的要求。

供電線(xiàn)路測(cè)量

提出了基于線(xiàn)路模型識(shí)別的煤礦井下供電線(xiàn)路對(duì)地電容在線(xiàn)測(cè)量方法，利用發(fā)生漏電故障時(shí)的供電線(xiàn)路的數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘法對(duì)建立的線(xiàn)路模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，計(jì)算出分布電容。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)表明：

（ 1） 此方法簡(jiǎn)單易行，僅僅利用供電線(xiàn)路發(fā)生漏電時(shí)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不必增加額外的設(shè)備，不影響電網(wǎng)正常運(yùn)行，同時(shí)可以結(jié)合現(xiàn)有的供電線(xiàn)路保護(hù)裝置進(jìn)行在線(xiàn)、實(shí)時(shí)對(duì)地電容的測(cè)量。

（ 2） 本方法將線(xiàn)路等效為集中參數(shù)模型，但模型的參數(shù)誤差會(huì)造成電容辨識(shí)的結(jié)果偏離正常值，可通過(guò)濾波的方法消除誤差。

（ 3） 對(duì)于采用電纜線(xiàn)路的公共電網(wǎng)，將其等效為集中參數(shù)模型，可以采用本方法進(jìn)行對(duì)地電容的在線(xiàn)測(cè)量。

（ 4） 本方法對(duì)于礦井的低壓供電線(xiàn)路也可以同樣采用這種方法測(cè)量。從而為礦井電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。