基于电力电子扰动技术的计算系统对地电容测量方法

对地电容，指的是输、配电线路对地存在电容，三相导线之间也存在着电容。

一般电器都有一个对地电容，相与相之间、相与地之间也都有一个对地电容。

电流及电容当导线充电后，导线就与大地存在了一个电场，导线会通过大气向大地（另二相导线也拆算到地）放电，将导线从头到尾的放电电流“归算”到一点，这个“假想”的电流就是各相对地电容电流。

电容的结构是两个极板中间通过绝缘体构成，为此，线路中的导线成为一个极板，大地成为另一个极板，两个极板中间依靠空气绝缘，这就形成了电容的关系。尽管线路与大地之间的距离较大而形成的电容量甚小，随着线路的覆盖面越大（极板面积增大），电容量也随着有所增大的。

谐波阻抗应用对各类系统对地电容计算方法进行了归纳总结的基拙上，针对“预调式”消弧线圈提出了一种检测系统对地电容的新方法，利用投切消弧线圈阻尼电阻的电力电子开关，通过短时控制其导通状态以产生含有丰富频率成分的扰动电压、电流。利用该扰动电压、电流信号并结合基于电力电子扰动技术的谐波阻抗测量方法测量系统对地电容以用于“预调式”消弧线圈的自调谐。电网正常工作情况下，通过短时改变投切阻尼电阻的晶闸管的导通状态，等效于将阻尼电阻短时退出工作，进而在晶闸管两端产生含有丰富频率成分的扰动电压、电流信号。基于配电网的近似线性，各频次下扰动电压与扰动电流呈现线性关系。利用扰动电压、电流信号并结合基于电力电子扰动技术的谐波阻抗测量方法汁算系统对地电容。

系统意义

根据消弧线圈补偿原理分析可知：（a）为了最大程度的减小接地电流，谐振接地系统对接入消弧线圈的大小与运行方式有明确要求。（b）全补偿运行方式下，消弧线圈的感抗与系统对地容抗相等。精确检测系统对地电容是消弧线圈合理补偿的前提。电网出现单相接地故障后，只有准确的检测出系统对地电容，才能将接地残流降到最小，使接地电弧可靠媳灭，避免两相短路等更加恶劣事故的发生。因此，准确、高效的检测系统对地电容对消弧线圈的有效补偿具有重要的意义。

研究现状

系统出现单相接地故障时，为了能够快速媳灭电弧，应将消弧线圈迅速调节到位。消弧线圈自动跟踪补偿的关键是准确测量系统对地电容以确定消弧线圈的投入容量。现有的系对地电容的检测方法可归结为如下几类：中性点位移电压法、阻抗三角形法、两点法与三点法、注入信号法。

中性点位移

这种方是以串联谐振原理为基础，通过改变消弧线圈档位寻找中性点位移电压最大值点，以得到系统对地电容值。当消弧线圈调节至谐振位置运行时，系统的运行方式为全补偿方式，中性点位移电压最大，此时线圈的感抗值与系统对地容抗值相等，通过确定消弧线圈电感值便可知道此时对地电容的大小。这种方法原理简单但也有缺点。在谐振点附近时，中性点位移电压值已经很大且与谐振时的电压值相差无几，因此要频繁调节寻找谐振点，要精确的确定谐振点有一定的难度。同时关于非持续调节的消弧线圈，由于各档位间是非无级式切换的，有可能无法准确找到谐振点，影响测量精度。

阻抗三角形法

针对“预调式”消弧线圈，为了限制中性点位移电压，消弧线圈侧需加阻尼电阻，由于该阻尼电阻的存在便可以利用串联谐振中电阻与电抗之间的三角形关系计算系统对地电容。该方法的准确性受到不平衡度的影响：关于“随调式”消弧线圈，由于消弧线圈远离谐振点运行，阻抗三角形的夹角就会变得非常小，同时带来较大的计算误差；该方法要其它操作来确定系统的脱谐度且在此过程成中要保持系统一直处于过补偿或欠补偿的状态：该方法一般用于消弧线圈串联阻尼电阻运行的方式下，关于并联阻尼电阻则要进行一系列的公式变换，导致一定的误差出现。

两点法三点法

两点法与三点法是通过测量消弧线圈档位调节前后中性点位移电压来计算系统对地电容值，两点法要改变一次消弧线圈的容量，三点法则要改变两次消弧线圈的容量。这两种方法在电网正常工作时检测电网电容电流，此时消弧线圈远离谐振点工作，电网出现故障时又可迅速调节到位，因此无需装设限压来控制中性点位移电压。但是这两者也有一定的缺点，前者忽略了电网阻尼率及消弧线圈的有功损耗电导，因此会导致较大的计算误差；后者虽考虑了电网阻尼率，但同样忽略了消弧线圈的有功损耗电，影响计算精度。

注入信号法

注入信号法又分为注入变频信号法与注入恒频信号法。其中注入变频信号法是利用电压互感器向消弧线圈注入信号，通过系统反映到电压互感器二次侧的信息来确定系统谐振频率，从而计算系统的对地电容。这种方法是国内采用最为广泛的一种注入信号法，它可被应用于各类消弧线圈，且执行过程是在电网未发生故障的情况下进行的，无需开启任何自调谐装置，且同时具备较高的测量精度。但该方法实时性较差，要不断的扫频步骤以寻找谐振频率，另外当中性点位移电压较大时，很难准确找到谐振频率，产生误差；注入恒频信号法是从电压互感器开口三角侧注入多个频率恒定的电流信号，通过测量pT二次侧电压计算出配电网对地电容值和电容电流值，该方法在恰当的选频下具有较高的测量精度。

表达式确定

利用晶闸管投切过程在晶间管两端产生的扰动信号各频次下谐波分量来计算系统对地电容。半波整流电路中晶闸管瞬时导通产生的暂态扰动的各谐波成分含量随着频率的升高而减小。因此为了保证系统对地电容计算的准确性，选取扰动电压、电流中含量较高的8倍频以下各谐波成分计算系统谐波阻抗。在这一频率范围内开展的相关谐波研究工作，变压器通常仍用漏阻抗替代，配电线路仍采用集中参数π型模型等效，仅感抗和容抗随频变化而变化，可保证计算的准确性。

矿井测量方法随着煤矿供电网络的增大，单相接地电容电流随之增大。电容电流的大小是决定是否要对电网补偿，以及选择补偿设备的重要依据。现有的小电流接地系统对地电容的测量方法不适应矿井长期在线测量。因此，提出了一种基于线路模型参数识别的矿井对地电容在线测量方法，通过建立每条线路的数学模型，根据接地故障时的零序电压、电流数据，采用最小二乘法求出线路对地电容。经过仿真和实验验证，在绝缘电阻为无穷大的情况下，对地电容识别的误差率小于1%。

误差分析

理论上，采用的零序电阻R01、零序电感L01真实参数保持一致。但是使用时由于电缆的接触电阻的存在和高次谐波的影响，使得实际的零序电阻和零序电感大于理论值。

可见，当零序电压和零序电流一定，R01增大，必然导致电容值减小，低于实际值。同理当L01增大时，也会导致导致电容值减小，低于实际值。因此运用线路模型对对地电容测量时，必须滤除零序电压电流中的高频分量。同时也可以利用建立的线路模型定期对零序电阻和电感进行修正，将辨识的参数扩展为3个，通过辨识得到零序电阻和电感的实际值。

实现步骤

利用发生接地故障时，流过不同线路上的零序电压、电流数据就可求出该系统中各线路的对地电容。系统对地电容值求出后，可以很容易计算出系统电容电流的有效值，从而实时掌握了煤矿井下对地电容的状况。在实际使用时通过实时采集故障时的零序电压、零序电流，代入离散化的模型方程，经过最小二乘法辨识，得出对地电容C值。

为执行运算时的采集点数，由于待求参数只有一个，可以持续取数据几个或十几个，也就是用一段时间的采样值对参数做出一个估计值，如此重复即可求解出对地电容值。

仿真与分析

为了验证提出的方法的有效性，在实验室搭建了单线路的供电模型，变压器采用380/660V升压变压器，后接一台矿用馈电开关，馈电开关后接一条电缆出线，电缆为截面10mm2的矿用阻燃电缆，供电长度为100m。负载为1台4kW的矿用防爆电机。绝缘电阻通过测量为∞，试验时采用馈电开关中的实验按钮，通过1kΩ电阻接地进行模拟实验。进行单相接地模拟实验，在线路分别并联不同电容时通过线路模型计算得出的电容值。

可以看出采用线路模型方法得出的对地电容和实际值之间的误差在1%以内。与采用的附加电容法的测量结果相比，误差低于附加电容的方法。虽然采用线路模型算出的电容值和实际值之间存在的误差，但总体来说，估计结果较准确，算法可以满足现场工作的要求。

供电线路测量

提出了基于线路模型识别的煤矿井下供电线路对地电容在线测量方法，利用发生漏电故障时的供电线路的数学模型，采用最小二乘法对建立的线路模型进行参数辨识，计算出分布电容。通过仿真与实验表明：

（1）此方法简单易行，仅仅利用供电线路发生漏电时的故障数据进行计算，不必新增额外的设备，不影响电网正常运行，同时可以结合现有的供电线路保护装置进行在线、实时对地电容的测量。

（2）本方法将线路等效为集中参数模型，但模型的参数误差会造成电容辨识的结果偏离正常值，可通过滤波的方法消除误差。

（3）关于采用电缆线路的公共电网，将其等效为集中参数模型，可以采用本方法进行对地电容的在线测量。

（4）本方法关于矿井的低压供电线路也可以同样采用这种方法测量。从而为矿井电网的安全运行供应可靠的依据。