电容电流测试仪

微机型配电网电容电流测试仪的研究—硬件部分

中国矿业大学应用技术学院电气工程及自动化05级徐伟

指导老师李晓波

摘要：我国6～35kV配电网一般采用中性点不接地运行方式，随着供配电网中电缆线路日益增多，电网对地电容电流随之增大，远远超过规程要求，接地电弧不容易自熄，为避免故障扩大，电网需要装配消弧线圈。而准确测量系统对地电容电流是决定装设消弧线圈与否和正确选择消弧线圈容量的依据。本文主要围绕系统对地电容电流测量方法并依据测量理论设计测试仪硬件等工作展开研究。

关键词：中性点；电容电流；消弧线圈；测试仪

1前言

电容电流的含义主要包括正常情况下线路中的电容电流以及单相接地故障时产生的单相接地电流(由于其主要成分是容性无功分量，所以又称单相接地电容电流)。前者线路电容电流的增大会使得空载线路末端电压升高，容易引起操作过程中的谐振过电压。后者单相接地故障电容电流增加，接地电弧不易熄灭，会引起故障扩大。《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》中明确规定6~35kV系统中，当单相接地故障电容电流超过30A时应采用消弧线圈接地方式。目前，国内外对于电容电流危害治理的方法主要有：

(1)安装单相接地选线成套装置，当发生单相接地故障时能及时切断故障支路。

(2)中性点加装一个电抗器，这个电抗器又称消弧线圈，消弧线圈在电网发生单相接地时产生一个感性电流，补偿接地点的容性电流。

2 测量方法的比较分析

传统的电容电流测量方法包括直接法和间接测量法，直接法就是人为的将一相接地即单相金属接地法，间接测量法包括中性点外加电容、分相对地外加电容和人工不对称法等。总的来说，这些直接或间接的方法存在以下缺点：

(1)测量时与一次侧打交道，人员与设备安全得不到保障；

(2)涉及一次设备，操作繁琐同时也存在误操作的危险；

(3)工作耗时长，人员多，测量效率低；

(4)人为的制造电网不正常运行状态。

正是由于传统测量方法的缺点，安全、高效的测量理论一直被人们所重视，随着现代测控技术和信号注入法理论的发展完善，外加单频信号法、两频法、三频法和谐振法等测量理论都有一定的实际意义。由于单频和谐振法只应用于中性点经消弧线圈接地系统中，而两频法需要进行矢量计算，增加了外部电路和软件工作，所以三频法理论在中性点不接地系统中得到广泛应用。

3 三频法测量原理

实验原理见图3.1，A W 、B W 、C W 为TV 高压绕组，二次绕组a W 、b W 、c W 组成开口三角形，二次绕组的另2个端子用于测量二次侧电压，A C 、B C 、C C 为三相导线对地电容，设高低压绕组的匝数分别为1n 和2n 。

图3.1 三频法测量原理图 图3.2 等值电路图

若在TV 开口三角侧注人一电压信号0u ，经开口三角产生电流0i ，在TV 的高

压绕组分别流出电流A i 、B i 、C i ，三相励磁电流为a i 、b i 、c i ，有关系式：

()()()⎪⎭

⎪⎬⎫=-=-=-021021021n n i n i i n i n i i i n i i c C b B a A （3.1）

由TV 等值电路（图3.2）可知，励磁阻抗m Z 比绕组阻抗R 和漏抗L X 大很多，可以忽略。这样TV 高压侧三相流出的电流是相等的，它的大小由二次侧注人的信号决定。由于A i 、B i 、C i 是零序电流，只能通过线路对地电容形成回路，这就为从TV 二次侧测量电容电流创造了条件。

通常三相TV 的参数是对称的，而且三相导线对地电容A C 、B C 、C C 也是基本相等的，因此，三相电流A i 、B i 、C i 分别在三相TV 与导线对地电容中产生的压降

基本相同，即C

B A U U U ==，这时在TV 开口三角端就可以测到电流0i 。 []221)/(1

C X R i U L A ω

-+= （3.2） A U n n U 1203

=

02

13U n n U A = （3.3） 已知0211i n i n =，经变换，得到：

121)/(i n n i = （3.4） 将式（3.3）、（3.4）代入式（3.2）有： []0222120)/(1)/(3i C X R n n U L ⋅-+=ω

（3.5） 式中有3个未知数，即R 、L X 、C 。要想求出线路对地电容C ，须有3个方程，为此在TV 开口三角端注入3个不同频率的电压信号，得到3个方程： []oj j L j i C X R n n U ⋅-+=2

22120)/(1)/(3ω (=j 1，2，3) （3.6） 求解这个方程组即可求出电容值C ，也就可以通过式(3.7)计算出电容电流值。

φωE C I 0

= （3.7） 式中，C

B A

C C C C ++=0；φE 为电源相电势。 4 硬件设计

本测试仪的硬件结构框图如图4.1所示。

PT

图4.1 测试仪硬件结构图

4.1主电路结构设计

本系统以DSP 芯片TMS320LF2407为主控制器，首先设计了DSP 最小系统，其包括复位电路、仿真、时钟和芯片电源等四部分，采用MAX706T 芯片可实现对DSP 的手动和利用看门狗自动复位功能。系统时钟采用无源晶体和电容实现外部时钟信号的产生，经DSP 内部锁相环电路实现倍频后可工作在30MHz 时钟下；芯片供电电源采用两块TPS7333Q 芯片，将5V 电压变换成3.3V 后实现模拟量和数字量分开供电；采用DSP 的SCI 口，利用MAX232接口转换芯片实现与上位机的通讯；本测试仪专门增加了一外部存储器实现测量结果的保存；采用独立式6键键盘，128×64LCD 实现人机交互功能；另外，日历电路实现测量时间记录和查询结果。

4.2注入信号发生电路