CN102096019A - 小电流接地系统单相接地故障测距方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置。当小电流接地系统发生单相接地故障时，在故障相和地之间注入不同于电网频率的异频信号，在信号注入端，检测该异频信号的电压和电流，计算出在该频率下故障回路复数阻抗的虚部，即为电抗值，该电抗值乘于一个比例常数，即得信号注入点到故障点之间的距离。本方法只需在电网的一端注入信号，直接测算故障距离，简单易行，测量精度高，对缩短故障排除时间，提高电网供电质量，有重要意义。

Description

小电流接地系统单相接地故障测距方法和装置

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种小电流接地系统单相接地故障点的测距方法和装置。

背景技术

我国的中低压供电系统，采用变压器中性点不接地或经消弧线圈接地，通称为小电流接地系统。该系统处于整个供电网的末端，普遍采用架空线传输方式，分布较广。当架空绝缘子损坏、老化或被污染时，就会发生单相接地故障。为避免故障进一步扩大，电站工作人员通常会停止供电，查找故障点，更换故障部件，排除故障后恢复供电。准确计算故障点的距离，对缩短故障排除时间，提高电网供电质量，有重要意义。

现有资料记载的小电流接地系统单相接地故障测距方法有很多，基本可以归纳为3类：1.、行波法，利用故障点阻抗突变，会产生行波和行波反射的特点，测量行波传输的时间，推算出故障距离。但行波属于瞬时信号，在干扰强大的环境下，行波的波头难于被检测到，该方法没有得到实际应用。2、阻抗法，利用故障录波仪记录故障发生时刻的电网电流和电压波形，计算线路阻抗，由电路阻抗和长度成正比的关系，可推算故障距离。但在小电流接地系统中，故障点接地电流不是很大，通常为几安培到数十安培，而故障点电压却较大，且波形有很大畸变，导致故障点过渡阻抗包含较大的虚部分量，其变化范围也大大超过了正常的线路阻抗。阻抗法因误差大，也未被广泛采用。3、寻迹法，在单相接地故障发生后，向故障相注入特殊频率的电流信号，用探测器逐点探测寻踪，可直接找到故障点。该方法须人工沿线路查找，花费时间长，而操作规程不允许电网带故障长时间运行，该方法也没有得到广泛应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，深入分析故障点过渡阻抗的非线性特性，根据微分学和变分学的基本原理，总结出一种测量精度高，简单易行的故障点测距方法。

小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点电流相对较小，通常为几安培到数十安培，故障点电压相对较大，可达数百伏甚至上千伏，而且通常都会有火花放电现象，火花放电具有明显的迟滞非线性特点。流过故障点的电流为正弦波，故障点电压却不是相应的正弦波。用傅里叶变换计算故障点的阻抗，表现出较大的电阻和较大的感抗或容抗(通称电抗)。正是这种过高的过渡电阻和较大的电抗，使得现有的测距算法出现较大的误差，难于实际应用。

故障点电流与电压的关系虽然复杂，却具有两个鲜明的特点：1、故障点电流和电压总是同时过零点，当电流变化到零点时，电压也同时变化到零点，没有超前，也没有滞后。这一特点说明故障点并没有储能特性；2、故障点电流的大小主要取决于电网电压和线路的分布电容，波形为稳定的正弦波。电压波形有很大的畸变，但正半波和负半波总是相互对称的。这一特点说明故障点没有整流作用，非线性程度有限。根据微分学和变分学的基本原理可以推断：如果在原故障电流上叠加一个足够小的电流信号，则由这个小电流信号所产生的小电压可看成是该小电流信号的线性函数；更进一步，如果叠加的小电流为正弦波，它所产生的小电压也为正弦波，而且和小电流信号同时过零点，没有超前，也没有滞后。根据这样的小电流和小电压，用傅里叶变换计算故障点微变阻抗，微变阻抗的虚部将为零，也即，在小信号电流的作用下，故障点过渡阻抗的微变等效阻抗为纯电阻，其电抗值为零。

根据上述结论，可设计出如下的测距方法和装置：

一种小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置，当系统发生单相接地故障时，在故障相和地之间注入不同于电网频率的异频信号，在信号注入端，检测该异频信号的电压和电流，计算出在该频率下故障回路复数阻抗的虚部，即为电抗值，该电抗值为信号注入点到故障点之间线路的电抗值，该电抗值乘于一个比例常数，即得信号注入点到故障点之间的距离。

试验结果表明，本测距定位方法是基于微分和变分原理提出的，为保证测量精度，注入的异频信号的幅度不必太大，故障点电流通常为几安培到数十安培，注入的异频信号电流不大于1安培即可。考虑到注入功率消耗和抗干扰性能的要求，最佳的异频信号电流在10毫安到500毫安之间。

试验结果表明，注入信号频率和测量时间长度的选择，对简化电路设计，提高检测精度有重大的影响。

电网电压和电流除了含有工频基波外，通常还包含丰富的高次谐波，为减小基波和谐波对测量的干扰，简化滤波电路的设计，注入信号的频率应避开电网的基波频率和谐波频率。

试验结果表明，当注入信号的频率为工频频率的K分频(K为整数)时，只需一个注入信号周期的测量时间，即可达到满意的测量精度，特别是当K取偶数时，工频干扰的影响被大大衰减，测量效果更佳。

在对测量时间没有严格限制的情况下，延长测量时间无疑能提高测量精度。此时注入信号频率的选择有更大的自由度。一般情况下，可使注入信号的频率、测量时间以及电网频率三者之间具有相关性，即信号测量时间，是注入信号周期的N倍(N为整数)，同时也是电网电量周期的M倍(M为整数)。

由于注入的异频信号很小，而电网的电量却很大。要排除电网电量对测量的干扰，电流测量通道滤波器和电压测量通道滤波器的设计是又一个关键。通常，电流测量通道滤波器和电压测量通道滤波器应选用相同的结构和参数，滤波器可由工频带阻滤波器和信号带通滤波器组合而成。滤波器制作完成后，其参数会随时间、环境温度和环境湿度而偏移，为校正滤波器特性可能产生的偏移，可采用实时标定技术。在测量装置中设置标准阻抗器和标定测量转换开关，当不需故障测距时，转换开关将异频信号连接到标准阻抗器，对电流通道和电压通道进行幅值和相位标定；电网发生接地故障并需要故障测距时，转换开关将异频信号连接到接地故障相，测量故障点距离。标准阻抗器可以是标准电阻、电感、电容，或者是三者的组合，但选用标准电阻稳定性会更好，成本也更低。

本发明的特点及技术效果

本发明的故障测距方法只需在电网的一端注入信号，直接测算故障回路的电抗值，该电抗值乘于一个比例常数，即得信号注入点到故障点的距离，简单易行，测量精度高，对缩短故障排除时间，提高电网供电质量，有重要意义。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是本发明装置实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1说明了本发明的工作原理，假设C相出现了接地故障，异频信号发生器连接到接地相C相，向C相注入异频正弦电流，电流检测通道检测故障回路的电流信号，经滤波放大并转换为数字量，传送到控制运算部件，电压检测通道对回路电压作类似的处理，控制运算部件对电流和电压信号进行傅里叶变换，求出故障回路在注入信号频率下的复阻抗，其虚部为电抗值，该电抗值乘于一个比例常数，即得信号注入点到故障点的距离。

图2是本发明装置一个实施例的结构示意图，在图1所表明的基本测量功能的基础上，增加了选相开关和实时标定功能。无论是哪一相出现接地故障，选相开关都可以将注入异频信号连接到该相。实时标定功能是通过标准电阻和标定测量转换开关实现的。在不需故障测距的时间段，标定测量转换开关将异频信号连接到标准电阻，对电流检测通道和电压检测通道进行幅值和相位标定。

Claims (5)

1.一种小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置，其特征是：当系统发生单相接地故障时，在故障相和地之间注入不同于电网频率的异频信号，在信号注入端，检测该异频信号的电压和电流，计算出在该频率下故障回路复数阻抗的虚部，即为电抗值，该电抗值乘于一个比例常数，即得信号注入点到故障点之间的距离。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置，其特征是：注入的异频信号电流不大于1安培，最佳异频信号电流在10毫安到500毫安之间。

3.根据权利要求1或2所述的小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置，其特征是：注入信号的频率为工频频率的K分频(K为整数)，特别是选K为偶数。

4.根据权利要求1或2所述的小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置，其特征是：注入信号的频率、测量时间以及电网频率三者之间具有相关性，即信号测量时间，是注入信号周期的N倍(N为整数)，同时也是电网电量周期的M倍(M为整数)。

5.根据权利要求1或2所述的小电流接地系统单相接地故障测距定位方法和装置，其特征是：在测量装置中设置标准阻抗器和标定测量转换开关，当不需故障测距时，转换开关将异频信号连接到标准阻抗器，对电流检测通道和电压检测通道进行幅值和相位标定。

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