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摘 要

本文就如何实现电容电流的精确测量进行展开讨论。首先对常用的电容电流测量方法进行了研究和分析，在此基础上选择注入信号法来实现对电容电流的精确测量。该方法具有测量误差小、实时性良好、安全可靠等特点。设计了基于TMS320F2812的电容电流测量仪的硬件电路，主要实现了对消弧线圈二次侧电压电流信号的采集并通过相应的数字信号处理，实现对电网电容电流的测定。

关键词：低压电网 电容电流 注入信号法 DSP

Abstract

This article is to discuss how to realize the accurate measurement of capacitive current. First of all commonly used capacitive current measurement methods were studied and analyzed on the basis of select signal injection method to achieve accurate measurement of capacitive current. This method has a measurement error is small, real good, safe and reliable. TMS320F2812 is designed based on capacitive current measuring instrument hardware circuit, the main achievement of the Petersen coil secondary voltage and current signals collected by a corresponding digital signal processing, measuring capacitive current on the grid.

Keywords: Low-voltage grid Capacitive current Method of injecting signal DSP

目 录

摘要 1

Abstract 2

1 绪论 4

1.1 电网电容电流 4

1.2 电容电流测量的必要性 4

1.3 电容电流测量的发展现状 5

2 电容电流测量方法的分析 6

2.1 单相金属接地法 6

2.1.1 不投入消弧线圈单相金属接地法 6

2.1.2 投入消弧线圈单相金属接地法 8

2.2 中性点外加电容法 10

2.3 信号注入法 13

3 电容电流测量仪系统设计方案论证 15

3.1 50Hz陷波器的实现 16

3.2 谐振算法分析 17

3.3 系统方案 18

4 硬件系统设计 18

4.1 DSP系统 19

4.1.1 DSP芯片选型 19

4.1.2 DSP系统电源模块 19

4.1.3 扩展存储模块 20

4.1.4 时钟模块 21

4.2 信号采集模块 22

4.2.1 电压信号采集电路 22

4.2.2 电流信号采集电路 23

4.3 人机交互模块 23

4.3.1 液晶显示接口 23

4.3.2 按键接口电路 24

5 结论 25

参考文献 26

致谢 27

1 绪论

1.1 电网电容电流

电力系统中的线路和设备都存在一定的对地分布电容，在交流电压作用下，就会产生电容电流，特别是在配网系统中，随着系统规模的扩大，电力线路和设备不断增加以及电缆线路的大量投运，使得电容电流越来越大。在测量电网的电容电流时，在工程上一般只考虑电缆和架空线路的电容电流，因为这两种情况下的电容电流值相对更大^[1]。

电网电容电流有着诸多危害，主要体现在以下一个方面：

在正常情况下，电容电流将导致长距离线路空载末端电压超出额定电压，空载切换电路会引起操作过电压。

当电力电网发生电弧接地事故时，配电网对地电容上的电荷量会逐渐累积从而导致过电压。这个电压一般会超过相电压的 1～2.5 倍，同时伴随有较高的过电流，这会导致电网绝缘性不佳的地方被放电击穿^[2]。

配电网发生单相接地故障后，再没有相应保护措施的情况下，接地电弧不易自行熄灭，这会导致配电网电缆相间短路，会引发电力故障，严重的会造成大面积停电。

1.2 电容电流测量的必要性

近年来，随着配电网的不断发展，电网系统越来越多的使用电缆，这导致配电网系统的对地电容的电流变得越来越大。目前配电网多采用中性点经消弧线圈接地方式，在发生配电网单相接地时，消弧线圈与配电网对地电容构成并联谐振回路，使电感电流与电网对地电容电流互相抵消，从而减小故障点电流，保证接地电弧可靠自熄，以提高电网运行的可靠性并保证供电的连续性^[3]。同时随着电缆线路比例的升高，电网不对称度进一步下降，致使以往测量电容电流的方法测量精度降低，甚至无法测量。现在确保直接面向用户的配电系统不发生供电中断显得越来越重要，为了保证向用户稳定的供电，有必要对配电网的对地电容电流进行准确的测量，根据测定的电容电流值，在配电网中安装合适的消弧线圈，从而避免接地电弧引发的过电压。准确及时的测量配电网对地电容电流，对调整消弧线圈的档位掌握其容量裕度，有效实施补偿都具有重大意义。

1.3 电容电流测量的发展现状

电容电流的测量一般可以分为直接测量法和间接测量法。直接测量法主要是指单相金属接地法。单相金属接地法是将配电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繁杂，而且有可能危及非接地相绝缘薄弱处的绝缘造成两相异地短路。整个试验工作的危险性很大对试验人员和电网的安全均够成威胁，因此一般不建议采用直接法测量配电网对地电容电流。

间接测量电容电流的方法主要有位移电压曲线法、阻抗三角形法、中性点电流最大法、两点法、三点法等。用这些间接的方法测量电容电流比直接法的测量有一定的进步，同时若是利用得当也可以比较准确的测出电容电流。但是这些方法中仍然存在一些缺点：第一，测量时仍然与配电网高压侧打交道，人员与设备安全受到威胁；第二，由于要涉及一次设备操作繁琐，同时也存在误操作的危险；第三，中性点位移电压曲线法要求在测量电容电流过程中调节消弧线圈，使得消弧线圈动作频繁，寿命降低，并且由于改变了消弧线圈的运行状态，给系统的安全稳定运行带来潜在威胁。

由于上述原因希望有一种设备不需要涉及危险的高压侧，能直接在消弧线圈二次侧（低压侧）测量配电网对地的电容电流，不需要繁琐的倒闸操作及等待。并使电容电流的测量工作变得简便、高效、易行。在这种情况下注入信号法测量电容电流得到了广泛的重视和迅速的发展。注入信号法测量电容电流是在消弧线圈二次侧加装信号源，通过向系统注入某种特定的信号，使消弧线圈同配电网对地电容发生并联谐振，通过测量谐振系统的谐振频率F₀来求出相应系统对地的总电容，近而求出配电网对地的电容电流。并且在测量系统电容电流时不影响系统正常运行，不受系统运行的影响，不需要调节消弧线圈档位，测量时反应速度快，测量误差较小。

2 电容电流测量方法的分析

目前电容电流测量方法很多，这里主要介绍单相金属接地法、中性点外加电容法、中性点信号注入法。

2.1 单相金属接地法

早期一般采用单相金属接地法对电力电网系统的电容电流进行测定。单相金属接地法主要利用一个断路器来实现测量，在电网的配电线路上创造一个单相金属接地点，通过电流互感器测定接地点的电容电流，因此，通常也把单相金属接地法称为直接测量法。单相金属接地又分为投入消弧线圈补偿接地和不授入消弧线两种。

2.1.1 不投入消弧线圈单相金属接地法

不投入消弧线圈(即中性点不接地)的单相金属接地测量，其接线如图2.1所示，QF为接地断路器；TV为测量用电压互感器；TA₁、TA₂为保护和测量用电流互感器；W为低功率因数功率表，用以测量接地回路的有功损耗；TA₁的1、2端子接QF的过流保护。电流、电压向量图如图2.2所示。

图2.1 不投入消弧线圈的单相金属接地测量原理图

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