CN101504436A - 一种半波直流电流的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半波直流电流的探测方法。它解决了传统的直流电流检测方法的缺陷，具有方法简便实用等优点。其方法为：1)当配电系统发生单相接地故障时，接地变压器中性点电压即为工频50Hz的正弦信号；2)直流发生器通过一硅堆半波整流而得到直流电流，该直流电流为半波直流也叫脉动直流，注入到配电网故障系统，该直流信号即为要探测的选线定位判断信号；3)根据电磁场理论，该半波直流产生磁场，因此通过对其产生的磁场进行探测，就可以探测到该半波电流。

Description

一种半波直流电流的探测方法

技术领域：

本发明涉及一种配电网单相接地故障选线定位技术中的直流电流的探测方法，尤其涉及一种半波直流电流的探测方法，它探测的直流电流是进行单相接地故障选线定位的诊断信号。

背景技术：

我国配电网的中性点运行方式采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式，发生单相接地故障后不形成短路回路，只有系统分布电容引起的很小的零序电流，使得配电网单相接地故障线路和定位是一直以来没有得到彻底解决的技术难题。直流注入法是一种非常有效的单相接地故障选线定位原理，当发生单相接地故障时从接地变压器一次侧中性点向故障系统注入半波直流电流，通过探测注入的半波直流电流的流通情况实现配电网单相接地故障的选线和定位。因此，需要对注入的半波直流电流进行探测。

公开号为CN101303387的中国专利给出了一种直流注入式选线定位系统及其方法，如图1所示，它的工作原理如下：当配电网正常运行时，系统对称，三相对地电压均为相电压，接地变压器一次侧中性点对地电压为零，开关K是断开的，直流发生器与系统是断开的，直流电流发生器不工作。当发生单相接地故障时，接地变压器一次侧中性点对地电压升高，随着故障点过渡电阻大小不同而不同，最高升高到相电压，合上开关K，该电压为直电流发生器提供电源，将直流电流注入到故障系统中。注入的直流电流在接地变压器一次侧中性点、接地变压器一次绕组、故障线路故障相和故障点之间形成回路，如图1中虚线所示，只有故障馈线的故障相为直流电流形成了通路。在各馈出线出口处和沿故障馈线探测直流电流踪迹，即可实现选线和定位。

配电网线路上继电保护和计量用的电流均通过电流互感器(简称CT)测量，而多数配电网线路上装有两相CT，不能测量零序电流，只有少数装有零序CT的才能测量零序电流。显然，利用配电网现有的CT来测量注入的直流电流没有通用性。

在直流电流的测量仪表中，直流电流的测量通常采用钳形电流互感器、霍尔元件以及相应的处理电路来实现，如常见的钳形电流表。利用钳形直流电流表能够测量注入的直流电流，但是利用其实现故障选线和定位功能显然不方便，对操作人员也不安全。

已用于工业现场的直流电流测量装置有：分流器、直流互感器、霍尔传感器和直流比较仪，它们都在各自的测控系统中起到了重要的作用。但是，分流器需串在被测量回路中，在单相接地故障检测中显然不能用；直流互感器体积大、价格高，不利于整个检测系统的低成本和微机化，配电网现场也不宜安装直流互感器；霍尔传感器虽然体积小巧，但会受到霍尔元件非线性特性和温度特性的影响；直流比较仪的精度很高，但结构较复杂，易受现场恶劣工作环境的影响。

可见，利用已有的直流电流测量方法对注入配电网的直流电流进行测量有种种不足和不便之处，因此，有必要寻找一种可靠、简便、实用的直流电流测量方法对向配电网单相接地故障时注入的直流电流进行探测。

发明内容

本发明的目的就是为了解决传统的直流电流检测方法的缺陷，提供一种简便、实用的方法探测注入的直流电流，实现基于直流注入法的配电网单相接地故障选线定位等优点的半波直流电流的探测方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种半波直流电流的探测方法，它的步骤为：

1)当配电系统发生单相接地故障时，接地变压器中性点电压即为工频50Hz的正弦信号；

2)直流发生器通过一硅堆半波整流而得到直流电流，该直流电流为半波直流也叫脉动直流，注入到配电网故障系统，该直流信号即为要探测的选线定位判断信号；

3)根据电磁场理论，该半波直流电流产生磁场，因此通过对其产生的磁场进行探测，就可以探测到该半波直流电流信号。

所述步骤2)中的直流信号为：设中性点对地电压为正弦信号，即

$u_0=\sqrt{2}{U}_0\sin \mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

式(1)中，u₀为接地变中性点对地电压，是工频50Hz的正弦信号；U₀为其有效值；ω为工频角频率。

则直流发生器产生的半波直流电流为

$\begin{array}{cc}{i}_d=\sqrt{2}{I}_d\sin \mathrm{\ωt}& (i_d\≥0)\end{array}---\left(2\right)$

式(2)中，i_d为半波整流得到的直流电流，I_d为其有效值，ω为工频角频率。

故障馈线上流过的半波直流电流为

$\begin{array}{cc}{i}_{\mathrm{dc}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{dc}}\sin \mathrm{\ωt}& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，i_dc为故障馈线上流过的半波直流电流，I_dc为其有效值，ω为工频角频率。

所述步骤3)中，探测该半波电流方法为：

在各馈出线出口处和沿故障馈线探测直流电流，探测点距线路的垂直距离最大为配电线路距地面的高度，可见探测距离和配电线路长度相比小得多，据此可将配电线路看作无限长载流直导线。

设长直导线外的任一点P距导线的垂直距离为d，当长直导线中流过如式(3)的半波直流电流时，则P点处的磁感应强度为

$\begin{array}{cc}B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πd}}& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，B为磁感应强度；μ₀＝4π×10^-7H/m为真空的磁导率；i_dc为故障馈线上流过的半波直流电流；d为探测点和故障馈线间的垂直距离。

则P点处的向量磁位为

$\begin{array}{cc}A=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\π}}\ln d& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(5\right)$

式(5)中，A为向量磁位。

设在P处用相对磁导率为μ_r的高导磁材料作磁棒，磁棒外绕N匝线圈作为天线，来检测i_dc产生的磁场；已知磁棒为半径r₀的圆柱形，磁棒上绕N匝线圈，根据电磁感应定律，N匝线圈的两端将感应出电动势e，对电动势e进行信号处理即可得到要探测的直流I_dc。

根据磁通的定义，通过磁棒圆截面的磁通为

$\begin{array}{cc}\mathrm{\φ}={\∫}_s\mathrm{Bds}={\∫}_s\frac{{\mathrm{\μ}}_r{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πd}}\mathrm{ds}=u_r{i}_{\mathrm{dc}}(d-\sqrt{d^2-r_0^2})& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(6\right)$

式(6)中，φ为磁通；μ_r为磁棒的相对磁导率；r₀为磁棒的半径。

磁棒上N匝线圈上的感应电动势e为

$e=-N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\sqrt{2}N{\mathrm{\μ}}_r(d-\sqrt{d^2-r_0^2})I_{\mathrm{dc}}\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ω}\′t=-\sqrt{2}E\cos \mathrm{\ω}\′t---\left(7\right)$

式(7)中，e为线圈上的感应电动势，E为其有效值；N为线圈的匝数；ω′＝2πf′为感应电动势的角频率，f′＝100Hz。

由(7)式知，感应电动势e为整流半波内的余弦信号，频率为100Hz，则线圈两端的感应出电动势e的波形为间断的100Hz信号，对该信号进行放大、100Hz模拟滤波预处理后，经过A/D转换，用100Hz带通数字滤波器进行处理，再用傅氏算法可得到注入的半波直流的幅值。

本发明的有益效果是：克服了电网中直流电流检测难的问题，该方法简便，准确度高，便于操作，具有如下特点：

(1)该方法采用无线方式检测直流电流，可较远距离检测到被测直流电流，方法简便，便于操作，不需要专门的直流互感器、钳形电流互感器、霍尔传感器、分流器等与被测直流直接接触或套在被测直流外面。

(2)可以方便有效地提高半波直流电流的检测精度。提高磁棒的相对磁导率，增加线圈的匝数，或者同时采取这两项措施，都可以有效地提高半波直流电流的检测精度。

(3)便于观察所测直流电流的大小，特别是探测配电网架空线路上的直流电流的场合，基于该无线式磁场检测原理的直流电流探测器，可以制作成手持式的。手持直流电流探测器沿故障线路探测，可实时观察到所探测直流电流的大小。不象传统的高压直流电流测量仪表需配长长的绝缘杆，卡在被测导线的外面，测量完毕取下来再观察被测直流电流的大小，而且需具有数据保持功能的仪表才能完成高压配电线路上直流电流的测量。

附图说明

图1为直流注入式选线定位原理示意图；

图2为50Hz正弦信号图；

图3为硅堆整流得到的半波直流电流；

图4为无限长直导线磁场计算示意图；

图5为感应电动势e为整流半波内的余弦信号；

图6为经模拟和数字滤波处理后的半波直流信号(为100Hz信号)；

图7a为金属性接地故障时，故障线路上的半波直流电流；

图7b金属性接地故障时，10m远处磁棒绕1200匝线圈的感应电势；

图7c金属性接地故障时，数字滤波后得到的100Hz信号；

图8a1000欧姆过渡电阻接地故障时，故障线路上的半波直流电流；

图8b1000欧姆过渡电阻接地故障时，10m远处磁棒绕1200匝线圈的感应电势；

图8c1000欧姆过渡电阻接地故障时，数字滤波后得到的100Hz信号。

其中，1.接地变压器，2.控制装置，3.电压互感器，4.直流发生器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1中，该系统为发明人的在先申请专利，本发明的方法即是在该系统基础上延伸而得。直流注入式选线定位系统包括接地变压器1、直流电流发生器4和控制装置2；其中接地变压器1接到系统母线上，用于系统故障时取中性点对地电压作为直流电流发生器的电源，并通过接地变压器1的一次线圈向故障系统注入直流；接地变压器1一次侧的中性点N和大地之间接直流电流发生器，控制装置2接到母线电压互感器3的二次侧，监测配电系统是否发生单相接地故障，并控制直流电流的投切，同时测量注入直流电流的大小，直流电流发生器由硅堆D串接电阻R和投切开关K、直流测量传感器MA构成，硅堆D整流产生直流电流，所串电阻R为限流电阻，用可变电阻；投切开关K用于控制直流电流的投入和切除；直流测量传感器MA，用来测量注入直流的大小。

本发明的方法为：

我国电力系统的电压为工频50Hz的正弦信号。由图1知，当配电系统发生单相接地故障时，接地变压器中性点电压即为工频50Hz的正弦信号，其波形如图2所示。由图1知，直流发生器通过一硅堆半波整流而得到直流电流，50Hz正弦信号经硅堆半波整流后，产生如图3所示的半波直流电流(也叫脉动直流)注入到配电网故障系统，图3所示直流信号即为要探测的选线定位判断信号。

根据电磁场理论，该半波直流产生磁场，因此通过对其产生的磁场进行探测，就可以探测到该半波直流电流信号。

本发明的方法为：

1)当配电系统发生单相接地故障时，接地变压器中性点电压即为工频50Hz的正弦信号；

2)直流发生器通过一硅堆半波整流而得到直流电流，该直流电流为半波直流也叫脉动直流，注入到配电网故障系统，该直流信号即为要探测的选线定位判断信号；

3)根据电磁场理论，该半波直流电流产生磁场，因此通过对其产生的磁场进行探测，就可以探测到该半波直流电流信号。

所述步骤2)中的直流信号为：设中性点对地电压为正弦信号，即

$u_0=\sqrt{2}{U}_0\sin \mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

式(1)中，u₀为接地变中性点对地电压，是工频50Hz的正弦信号；U₀为其有效值；ω为工频角频率。

则直流发生器产生的半波直流电流为

$\begin{array}{cc}{i}_d=\sqrt{2}{I}_d\sin \mathrm{\ωt}& (i_d\≥0)\end{array}---\left(2\right)$

式(2)中，i_d为半波整流得到的直流电流，I_d为其有效值，ω为工频角频率。

故障馈线上流过的半波直流电流为

$\begin{array}{cc}{i}_{\mathrm{dc}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{dc}}\sin \mathrm{\ωt}& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，i_dc为故障馈线上流过的半波直流电流，I_dc为其有效值，ω为工频角频率。

所述步骤3)中，探测该半波电流方法为：

在各馈出线出口处和沿故障馈线探测直流电流，探测点距线路的垂直距离最大为配电线路距地面的高度，可见探测距离和配电线路长度相比小得多，据此可将配电线路看作无限长载流直导线。

设长直导线外的任一点P距导线的垂直距离为d，当长直导线中流过如式(3)的半波直流电流时，则P点处的磁感应强度为

$\begin{array}{cc}B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πd}}& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，B为磁感应强度；μ₀＝4π×10^-7H/m为真空的磁导率；i_dc为故障馈线上流过的半波直流电流；d为探测点和故障馈线间的垂直距离。

则P点处的向量磁位为

$\begin{array}{cc}A=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\π}}\ln d& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(5\right)$

式(5)中，A为向量磁位。

设在P处用相对磁导率为μ_r的高导磁材料作磁棒，磁棒外绕N匝线圈作为天线，来检测i_dc产生的磁场；已知磁棒为半径r₀的圆柱形，磁棒上绕N匝线圈，根据电磁感应定律，N匝线圈的两端将感应出电动势e，对电动势e进行信号处理即可得到要探测的直流I_dc。

根据磁通的定义，通过磁棒圆截面的磁通为

$\begin{array}{cc}\mathrm{\φ}={\∫}_s\mathrm{Bds}={\∫}_s\frac{{\mathrm{\μ}}_r{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πd}}\mathrm{ds}=u_r{i}_{\mathrm{dc}}(d-\sqrt{d^2-r_0^2})& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(6\right)$

式(6)中，φ为磁通；μ_r为磁棒的相对磁导率；r₀为磁棒的半径。

磁棒上N匝线圈上的感应电动势e为

$e=-N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\sqrt{2}N{\mathrm{\μ}}_r(d-\sqrt{d^2-r_0^2})I_{\mathrm{dc}}\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ω}\′t=-\sqrt{2}E\cos \mathrm{\ω}\′t---\left(7\right)$

式(7)中，e为线圈上的感应电动势，E为其有效值；N为线圈的匝数；ω′＝2πf′为感应电动势的角频率，f′＝100Hz。

由(7)式知，感应电动势e为整流半波内的余弦信号，频率为100Hz，则线圈两端的感应出电动势e的波形为间断的100Hz信号，对该信号进行放大、100Hz模拟滤波预处理后，经过A/D转换，用100Hz带通数字滤波器进行处理，再用傅氏算法可得到注入的半波直流的幅值。

由上述推导知，线圈两端的感应出电动势e的波形如图5所示，为间断的100Hz信号，对该信号进行放大、100Hz模拟滤波预处理后，经过A/D转换，用100Hz带通数字滤波器进行处理，再用傅氏算法可得到注入的半波直流的幅值。经过处理后的100Hz信号如图6所示(每周波采样20点)，该信号的幅值对应半波直流信号的大小。

实施例

(1)理论计算

已知(7)式中，N＝1200，μ_r＝1000，d＝10m，r₀＝5mm，ω＝2πf，f＝50Hz，则I_dc变化时，可得到相应的感应电动势e，计算结果如下表。

 

导线中电流Idc(mA)	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1500	2000
													感应电动势E(mV)	0.06	0.12	0.18	0.24	0.30	0.36	0.42	0.48	0.54	0.6	0.90	1.2

(2)实际配电网模型仿真

以某采油厂一变电所为模型进行仿真，接地变中性点处接直流发生器，不同过渡电阻时，计算得到的100Hz信号。

①金属性接地故障时

故障线路上的半波直流电流的探测情况如下：图7a为金属性接地故障时，故障线路上的半波直流电流，图7b为金属性接地故障时，10m远处磁棒绕1200匝线圈的感应电势；图7c为金属性接地故障时，数字滤波后得到的100Hz信号。

金属性接地故障时，最后计算出的100Hz信号幅值：0.004859V。

②1000欧姆过渡电阻接地故障时

故障线路上的半波直流电流的探测情况如下：图8a为1000欧姆过渡电阻接地故障时，故障线路上的半波直流电流，图8b为1000欧姆过渡电阻接地故障时，10m远处磁棒绕1200匝线圈的感应电势，图8c为1000欧姆过渡电阻接地故障时，数字滤波后得到的100Hz信号。

1000欧姆过渡电阻接地故障时，最后计算出的100Hz信号幅值：0.086443V。

结论：从理论计算实际系统模型仿真计算和理论仿真计算结果看，50Hz正弦信号经半波整流后，通过磁场对该半波直流电流进行检测，可以通过检测100Hz的正弦信号而得到。

Claims (4)

1.一种半波直流电流的探测方法，其特征是，它的步骤为：

1)当配电系统发生单相接地故障时，接地变压器中性点电压即为工频50Hz的正弦信号；

2)直流发生器通过一硅堆半波整流而得到直流电流，该直流电流为半波直流也叫脉动直流，注入到配电网故障系统，该直流信号即为要探测的选线定位判断信号；

3)根据电磁场理论，该半波直流电流产生磁场，因此通过对其产生的磁场进行探测，就可以探测到该半波直流电流信号。

2.如权利要求1所述的半波直流电流的探测方法，其特征是，所述步骤2)中的直流信号为：设中性点对地电压为正弦信号，即

$u_0=\sqrt{2}{U}_0\sin \mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

式(1)中，u₀为接地变中性点对地电压，是工频50Hz的正弦信号；U₀为其有效值；ω为工频角频率。

则直流发生器产生的半波直流电流为

$\begin{array}{cc}{i}_d=\sqrt{2}{I}_d\sin \mathrm{\ωt}& (i_d\≥0)\end{array}---\left(2\right)$

式(2)中，i_d为半波整流得到的直流电流，I_d为其有效值，ω为工频角频率，t为时间；故障馈线上流过的半波直流电流为

$\begin{array}{cc}{i}_{\mathrm{dc}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{dc}}\sin \mathrm{\ωt}& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，i_dc为故障馈线上流过的半波直流电流，I_dc为其有效值，ω为工频角频率。

3.如权利要求1所述的半波直流电流的探测方法，其特征是，所述步骤3)中，探测该半波电流方法为：

在各馈出线出口处和沿故障馈线探测直流电流，探测点距线路的垂直距离最大为配电线路距地面的高度，可见探测距离和配电线路长度相比小得多，据此可将配电线路看作无限长载流直导线；

设长直导线外的任一点P距导线的垂直距离为d，当长直导线中流过如式(3)的半波直流电流时，则P点处的磁感应强度为

$\begin{array}{cc}B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πd}}& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，B为磁感应强度；μ₀＝4π×10^-7H/m为真空的磁导率；i_dc为故障馈线上流过的半波直流电流；d为探测点和故障馈线间的垂直距离；

则P点处的向量磁位为

$\begin{array}{cc}A=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\π}}\ln d& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(5\right)$

式(5)中，A为向量磁位；

设在P处用相对磁导率为μ_r的高导磁材料作磁棒，磁棒外绕N匝线圈作为天线，来检测i_dc产生的磁场；已知磁棒为半径r₀的圆柱形，磁棒上绕N匝线圈，根据电磁感应定律，N匝线圈的两端将感应出电动势e，对电动势e进行信号处理即可得到要探测的直流I_dc。

4.如权利要求3所述的半波直流电流的探测方法，其特征是，根据磁通的定义，通过磁棒圆截面的磁通为

$\begin{array}{cc}\mathrm{\φ}={\∫}_s\mathrm{Bds}={\∫}_s\frac{{\mathrm{\μ}}_r{i}_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πd}}\mathrm{ds}=u_r{i}_{\mathrm{dc}}(d-\sqrt{d^2-r_0^2})& (i_{\mathrm{dc}}\≥0)\end{array}---\left(6\right)$

式(6)中，φ为磁通；μ_r为磁棒的相对磁导率；r₀为磁棒的半径；

磁棒上N匝线圈上的感应电动势e为

$e=-N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=-\sqrt{2}{\mathrm{Nu}}_r(d-\sqrt{d^2-r_0^2})I_{\mathrm{dc}}\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ω}\′t=-\sqrt{2}E\cos \mathrm{\ω}\′t---\left(7\right)$

式(7)中，e为线圈上的感应电动势，E为其有效值；N为线圈的匝数；ω′＝2πf′为感应电动势的角频率，f′＝100Hz；

由(7)式知，感应电动势e为整流半波内的余弦信号，频率为100Hz，则线圈两端的感应出电动势e的波形为间断的100Hz信号，对该信号进行放大、100Hz模拟滤波预处理后，经过A/D转换，用100Hz带通数字滤波器进行处理，再用傅氏算法可得到注入的半波直流的幅值。

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