煤矿变电站中压电网电容电流测试方法的研究齐延辉

煤矿变电站中压电网电容电流测试方法的研究齐延辉

齐延辉

（陕西陕煤黄陵矿业有限公司机电公司陕西省延安市727307）

摘要：随着矿井的不断延伸，大量电缆的使用，矿区中压电网的容性电流达到了一个较高的水平。在中压电网中，当系统发生单相断续电弧接地时，经过长时间能量积聚，系统中性点间产生弧光接地过电压，能量大，持续时间长，并且遍及全系统，危及电网与设备的绝缘，在持续工程中，电网的单相接地还可能发展为两相接地短路，还可能引起电缆着火、避雷器爆炸等事故，成为危机配电网的潜在隐患，因此，如何准确、方便地测量该类电网对地电容电流，对于合理选择其中性点运行方式（即中性点不接地还是经消弧线圈接地）、正确选择消弧线圈容量等具有重要意义。

关键词：中压电网；电容电流；测试研究

1项目的背景

目前，黄陵矿区管辖2座110kV变电站，6座35kV变电站，110kV变电站均有三个电压等级：110kV，35kV，6/10kV；35kV变电站均有两个电压等级：35kV，6kV，其中35kV进线均引自上述110kV变电站，承担着矿区居民生活用电的用电任务，更保障者矿井通风、瓦斯排放的重要供电任务，8座变电站主变全部采用中性点不接地运行方式。

在矿区供电系统中，风井供电线路又多为电缆，电缆对地的分布电容又较大，导致单相故障接地时的电容电流较大，从而造成人身触电，瓦斯爆炸等事故的发生；加之井下环境恶劣,更容易发生单相接地故障，系统单相接地故障运行时,故障相对地电压降为零(金属性接地短路),非接地相对地电压升高为线电压,若长期运行,将使非接地相绝缘薄弱处发生对地击穿,极易形成相间短路和多点故障，而此时系统中的电容电流也较大，导致故障点会流过很大的短路电流，在接地点产生的大量热量可能会将附近的用电设备烧毁或引起避雷器爆炸，严重破坏了系统的安全运行。因此，为了减少煤矿安全事故的发生，保护矿井供电系统的安全运行，对矿井电网的单相接地的电容电流进行检测和治理补偿就十分重要，因此本文就如何实现容性电流的精确测量开展研究。

2目前电容电流测试研究动态及发展趋势

配电网电容电流主要包括输电线路对地电容产生的电流和设备对地的分布电容产生的电流，一般情况下，架空线路的电容电流比同样长度下的电缆电容电流小得多，而电力设备的电容电流比电力线路小的更多，故通常只计算电缆和架空线路的电容电流，电力设备引起的电容电流乘以一个合理的增量系数。

传统的电容电流测量方法主要有直接法和间接法。直接测量法主要有单相金属接地法。在较早时期一般采用这种方法。即利用一个断路器来操作，将配网线路人为的进行单相接地试验，然后通过电流互感器直接测量入地的电容电流。这种方法需要的操作及接线非常复杂，而且有可能危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘造成两相接地短路。整个试验工作对试验人员和电网的安全均构成威胁，试验的危险性很大。

间接测量法在目前使用较为广泛。按照是否直接接触电网一次侧，可分为两大类：第一类方法在测量过程中须直接与一次侧打交道，如中性点外加电容法等;第二类方法测量时无须与一次侧直接接触，二次侧通过电压互感器开口三角端注入和实时测量反馈信号，即注入信号法，利用从系统外界注入的异频电流的反馈信号，通过相应等值电路，计算得到电网对地电容电流。

3本次拟采用的研究方案

本课题通过在MATLAB上搭建接近实际电网的仿真模型，首先，对容性电流间接测量方法进行了详细的理论分析，针对目前常用的偏置电容法和人工中性点法，进行了仿真，并指出了各种测量方法的优缺点以及适用范围。其次，研究了基于信号注入法的容性电流测量方法，对现有的信号注入法进行了误差分析和仿真，并对其进行了评价。在此基础之上，对改进信号注入法测量容性电流的方法进行了分析，并通过理论论证与仿真的方法证明，改进信号注入法较之前的方法在测量精度以及适用范围上都有提高。此外，针对信号注入法受系统干扰严重的问题，设计了IIR数字信号滤波器，并通过仿真的办法进行了验证，证明了该滤波器的可行性。

4技术路线

本课题通过理论分析和仿真实验研究配电网对地电容电流测量，具体即使路线如下：

（1）根据现场数值及相应参考手册调整，选定信号注入法，搭建电源的模型、电缆模型、负荷模型，加入白噪声干扰，谐波源。

（2）理论分析注入信号的频率范围及研究干扰信号的来源，分析含有干扰的注入信号法进行仿真，运用信号处理技术，采用自相干模板法设计50Hz陷波器，采用数学形态学[17]从含有噪声干扰的信号中提取注入信号。

（3）运用直接数字频率技术（DDS）[18]，设计出注入信号源。

（4）最后给出适合现场测试的注入法，容性电流测试仪硬件结构和性能指标。

5本项目在研究过程可能遇到困难和问题，提出解决的初步设想

5.1可能遇到的困难和问题

（1）系统模型的建立。实际系统运行中，电源除了基波还含有谐波、间谐波、噪声干扰等，线路中有分布电容及设备匝间电容。然而在MATLB仿真中，系统的电源和线路等模型都较为理想化，未考虑实际系统运行状况，可能存在误差。

（2）注入信号源的设计。在现场的的实际测试中，考虑到互感器容量、注入信号的衰减等实际情况，注入信号的频率、频率间隔及注入信号功率、幅值等信号源指标有待研究的确定。

（3）50Hz陷波器的设计。在实际系统的运行中，由于系统的三相不对称等因素，电压互感器二次侧有50Hz零序电压，且50Hz零序电压幅值相对于注入信号的幅值较大，因此需要滤除50Hz零序电压的影响。

（4）注入信号的提取。在考虑实际系统情况下，系统中除了基波还有谐波、间谐波噪声干扰等信号干扰，从含有干扰信号中能否准确提取反馈信号，对于测量的结果有很大的影响。

5.2解决问题和困难的初步设想

（1）系统建模的问题。电源模型，通过现场测量系统主要谐波等干扰，电源模型中加入谐波，考虑到实际系统中含有噪声，系统中加入白噪声。线路模型，选用电缆模型代替传统架空线模型。

（2）注入信号源的设计。理论分析系统谐振频率范围，通过查阅手册建立互感器模型仿真分析注入信号幅值、功率，最终运用直接数字频率技术（DDS），设计出注入信号信号源[19]。

（3）50Hz陷波器的设计。采用自相干模板法滤波原理设计50Hz陷波器。

（4）注入信号的提取[25]。运用数学形态学消除噪声干扰[20]。采用数字信号处理技术[21]，如果能很好的应用在本课题的研究中，准确提取出反馈信号有重要的意义。

5.3本项目预期达到的目标

目前国内外学者提出了很多的配电网对地电容电流测量方法，这些方法都是建立在理想的电网模型基础上，未考虑实际电网模型。其中信号注入法测量电容电流在配电网应用较为广泛，但是在信号注入法测量电容电流的过程中注入信号源问题和50Hz陷波器问题没有很好的解决。因此，本人创新点如下：（1）考虑实际的电网模型，即存在干扰、谐波等的前提下，研究信号注入法的原理。（2）应用直接数字频率合成技术（DDS），设计出注入信号的信号源。（3）应用现代信号处理技术，采用自相干模板法设计出50Hz陷波器。

本次课题的研究通过分析总结现有的配电网电容电流测量方法优缺点和适用范围，对目前普遍通用的信号注入法仿真分析深入研究，设计出其信号源和50Hz陷波器。最终设计出配电网电容电流测量方法的软硬件方案。

参考文献

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作者简介

齐延辉（1987-），男，河南省南阳市，职称：工程师，研究方向：矿井供电。