CN102455399B - 架空线路接地故障寻踪定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于架空线路接地故障寻踪定位的装置，属于电力系统领域。利用线路故障点重新击穿时的自然特性，在线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点，用手持式寻踪定位仪沿线路探测故障点击穿时的冲击电流或脉冲电压信号，能准确快速判断故障点的位置，解决了弧光高阻接地故障时无法进行故障寻踪定位的难题。当其和现有的交流寻踪技术联合应用时，能在任何情况下对接地故障寻踪定位。

Description

架空线路接地故障寻踪定位装置

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种架空线路接地故障寻踪定位装置。

背景技术

发电厂产生的电能，常常由供电架空线路输送到用户。当架空线路发生接地故障时，为避免故障扩大，供电部门通常会停止故障线路的供电，更换故障部件。由于架空线路较长，分支很多，停电以后，故障现象随即消失，人工查找故障点比较困难。用人工方式重现故障状态，并对故障追踪定位，对缩短故障排除时间，提高电网供电质量，有重要意义。

中国专利CN2650145提出了一种“直流开路，交流寻踪”的思路，先用高压直流电流发生器产生高压，重新击穿故障点并维持稳定的故障电流，再注入特殊频率的交流信号，检测该交流信号可追踪到故障点。该思路的缺点在于：用人工方法重新击穿故障点并维持稳定的故障电流，技术上难于实现，特别是在故障为弧光高阻接地的时候，实现难度更大，而架空线路接地故障大多数是弧光高阻接地。以10千伏线路为例，重新击穿故障点通常需要15000伏高压。维持低阻接地故障状态约需5安电流和1500伏电压，消耗功率为7.5千瓦；维持弧光高阻接地状态需要30安培电流和5000伏电压，功率消耗达到150千瓦，这还仅仅只是静态要求。在故障点被击穿的瞬间，线路的分布电容会通过故障击穿点对地猛烈放电，放电电流可达数百安培，并伴有强烈的振荡衰减过程。在电流振荡过零点，线路往往又回复到高阻状态。为维持故障状态，需要在故障点被重新击穿的瞬间，向线路注入约200安培电流，高压直流电流发生器瞬时输出功率容量将高达3兆瓦。大容量的电源制造成本高，用于故障检测显然是不划算的。采用储能放电的方式，虽能提高高压直流电流发生器的瞬时输出功率，但维持弧光高阻接地故障所需的稳定输出功率(150千瓦)还是很大的。所以，至今还没有相关的产品问世，用人工方式重现故障状态，并对故障追踪定位的设想并没有真正实现。

发明内容

本发明根据架空线路弧光高阻接地故障的特点，提出一种架空线路接地故障寻踪定位装置。

架空线路接地故障大多数属于弧光高阻接地。当线路上的电压较低，不能击穿故障点时，故障点呈高阻状态。当线路上的电压升高，达到击穿电压时，故障点被击穿，很短时间内故障点由高阻状态转变为低阻状态。线路分布电容会通过击穿点猛烈放电，形成很大的放电脉冲电流，幅值可达数百安培，同时分布电容上的电压急剧下降。当电容上的电压降低到一定的程度，放电电流也急速下降，故障点又回复到高阻状态。故障点击穿时，放电脉冲电流和该脉冲电流所造成的线路上的电压波动都是很容易检测的电量。根据故障点击穿时的这一特点，可以总结出两种追踪故障点位置的方法，一种是脉冲电流检测法，一种是脉冲电压检测法。

首先说明脉冲电流检测法。

一种架空线路接地故障寻踪定位装置，包含高压直流电流发生器和手持式寻踪定位仪，当线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点，用手持式寻踪定位仪沿线路探测故障点击穿时的脉冲电流信号，其特征是：手持式寻踪定位仪采用电流检测元件作天线，检测故障点击穿时线路上脉冲电流的方向，确定故障点的位置，当检测信号为正时，故障点在寻踪定位仪的前方，当检测信号为负时，故障点在寻踪定位仪的后方。

高压直流电流发生器以较小的电流(例如500毫安)向故障线路分布电容充电，线路上的电压逐渐升高。由于充电电流的幅值和波动性都很小，手持式寻踪定位仪对充电电流没有反应。当线路电压达到故障击穿电压时，故障点被击穿，形成强烈的放电脉冲电流，手持式寻踪定位仪能测量出该电流的流动方向。当故障击穿过程结束后，故障点又回复到高阻状态，高压直流电流发生器又向线路充电，线路电压再次升高，故障点再次击穿，周而复始。高压直流电流发生器可以连续向线路供电，也可以断续向线路供电。采用断续供电方式能节省能源消耗，减少放电次数，延长设备使用寿命。

手持式寻踪定位仪采用电流检测元件作天线，电流检测元件可以是霍尔传感器、磁敏半导体器件和线圈。用线圈作天线，具有成本低，灵敏度高的优点。根据电磁感应原理可知，线路上放电脉冲电流会在其周围产生脉冲磁场，脉冲磁场在线圈上产生出感生电动势。电流幅值越大，电流变化越快，产生的电动势就越大。当电流反向时，感生电动势也会反向。因此，可以用线圈测量脉冲电流的方向。

设定高压直流电流发生器向故障线路充电的电流方向为电流正向，又设高压直流注入端为线路的起点，另一端为线路的终点，寻踪定位仪由起点向终点为前向。故障点击穿时，若寻踪定位仪在线路起点和故障点之间，检测到的脉冲电流为正，故障点在寻踪定位仪的前方；若寻踪定位仪在故障点和线路终点之间，检测到的脉冲电流则为负，故障点在寻踪定位仪的后方。根据检测到的放电脉冲极性，可以判断故障点和寻踪定位仪的相对位置，迅速找到故障点。如果用多个手持式寻踪定位仪在不同的地段同时工作，确定故障位置所花的时间还将进一步减少。

为提高线圈天线的灵敏度，通常将线圈缠绕在磁性材料(简称磁芯)上。常用的磁性材料有铁氧体、硅钢片和坡莫合金。坡莫合金的磁导率最高，高频损耗较小，是作磁芯的最佳材料。磁芯的形状对灵敏度也有很大的影响，通常选用棒形、工字型磁芯。

本发明的第二方案是脉冲电压检测法。

一种架空线路接地故障寻踪定位装置，主要包含高压直流电流发生器和手持式寻踪定位仪，当供电线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点，用手持式寻踪定位仪沿线路探测故障点击穿时的冲击电压信号，其特征是：手持式寻踪定位仪采用金属天线，检测故障点击穿时线路上的电压变化率，离故障点越近，检测到的信号就越大，沿着检测信号增强的方向追踪，可迅速找到故障点。

第二方案所用的高压直流电流发生器与第一方案的相同，不再累述。

采用普通的金属天线即可检测到故障点击穿时线路上的电压脉冲信号。金属天线可以是很短的一段金属线，也可以是面积较大的平面结构(例如板状天线)，其工作原理是：用金属天线和架空线路间的等效电容来测量线路电压的变化率，电压变化率越大，天线检测到的信号强度就越大。架空线路上除了有分布电容外，还有较大的分布电感和分布电阻。当架空线路上流过很大的脉冲电流时，这些分布电感和电阻使得线路上各点的电压和电压变化率各不相同。在线路故障点击穿瞬间，线路上靠近故障点的地方电压变化快，远离故障点的地方电压变化慢。用带金属天线的手持式寻踪定位仪测量线路上的电压变化率，沿着检测信号增强的方向追踪，可迅速找到故障点。

在线路充电期间，由于充电电流很小，线路上的电压上升很慢，不会干扰手持式寻踪定位仪的工作。

当不能检测到超过阈值的脉冲电流和脉冲电压信号时，说明故障点是金属性接地或小电阻接地，没有明显的击穿冲击特性。用交流寻踪技术，即可找到故障点。

实验表明，用线圈天线和金属天线检测故障信号时，可能会碰到工频及其谐波干扰和频率大于100千赫兹的无线电干扰。可用滤除工频干扰的高通滤波器和100千赫兹低通滤波器串接滤除这些干扰。滤除工频干扰的高通滤波器和100千赫兹低通滤波器可以是用硬件制作的电路，也可以是软件实现的滤波程序。

为增强故障点击穿时的信号强度，更利于信号检测，可以在普通高压直流电流发生器的输出端并接容量较大的储能电容。通常选储能电容的容量为1到10微法，就能大大加强放电脉冲电流强度。为防止过大的放电电流损坏储能电容，可以在储能电容的后面串接一个限流电感。

本发明利用线路故障点重新击穿时的自然特性，用手持式寻踪定位仪检测故障点击穿时的脉冲电流或脉冲电压，能准确快速判断故障点的位置，解决了弧光高阻接地故障时无法进行故障寻踪定位的难题。当其和现有的交流寻踪技术联合应用时，能在任何情况下对接地故障寻踪定位。

附图说明

图1是脉冲电流检测法的工作原理示意图。

图2是脉冲电压检测法的工作原理示意图。

图3是手持式寻踪定位仪的结构示意图。

图4是高压直流发生器的结构示意图。

具体实施方式

图1是脉冲电流检测法的工作原理示意图。图中箭头表示故障点击穿时脉冲电流的方向，线路上任一点的脉冲电流都通过接地故障点进入大地。在检测点1检测脉冲电流时，脉冲电流的方向是顺时针方向，检测的信号为正，接地故障点在检测点1的前方。在检测点2检测脉冲电流时，脉冲电流的方向是逆时针方向，检测的信号为负，接地故障点在检测点2的后方。

图2是脉冲电压检测法的工作原理示意图。接地故障点被击穿时，线路上各点的电压都是下降的，只是电压下降率各不相同。脉冲电压检测法只能比较线路上电压变化率的大小。在检测点1和检测点2检测脉冲电压时，检测点2的信号大于检测点1的信号，接地故障点在靠近检测点2的方向。在检测点3和检测点4检测脉冲电压时，检测点3的信号大于检测点4的信号，接地故障点在靠近检测点3的方向。只要沿着信号增强的方向继续对故障追踪，可快速找到接地故障点。

图3是手持式寻踪定位仪的结构示意图，将脉冲检测功能和单频交流检测功能组合在一起，保证在任何故障情况下都能正常工作。图中天线可以是线圈，用于检测线路电流变化，也可以是金属天线，用于检测线路电压变化。当接地故障为弧光高阻型时，天线输出的是脉冲量，脉冲信号调理单元包含滤除工频干扰的高通滤波器和滤除100千赫兹以上频率的低通滤波器，对脉冲量进行必要的处理。脉冲信号进入A/D转换模块，由运算控制单元进行分析，最后通过显示器显示测量结果。当接地故障为金属性接地或低阻接地时，故障点击穿放电特性不明显，高压直流电流发生器能够击穿故障点并维持稳定的故障状态，向线路发出特定频率的交流分量，手持式寻踪定位仪的天线接收该交流分量，经单频放大器放大，A/D转换后，进入运算控制单元分析计算，最后由显示器显示测量结果。

图4是高压直流电流发生器的结构示意图。高压直流电流发生器由直流斩波恒流电路、逆变升压电路、整流电路和储能电容组成。图中，Q0-Q4为功率开关，L为斩波电感，Cc为储能电容，Lx为限流电感。功率开关Q0、斩波电感L及其他相应的电子元件组成直流斩波恒流电路，保证后续电路的工作电流稳定。功率开关管Q1-Q4组成逆变电路。储能电容Cc的容量为1到10微法。

Claims (6)

1.一种架空线路接地故障寻踪定位装置，包含高压直流电流发生器和手持式寻踪定位仪，当线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点，用手持式寻踪定位仪沿线路探测故障点击穿时的脉冲电流信号，其特征是：手持式寻踪定位仪采用电流检测元件作天线，检测故障点击穿时线路上脉冲电流的方向，确定故障点的位置，当检测信号为正时，故障点在寻踪定位仪的前方，当检测信号为负时，故障点在寻踪定位仪的后方。

2.根据权利要求1所述的架空线路接地故障寻踪定位装置，其特征是：电流检测元件是线圈，线圈缠绕在磁芯上。

3.根据权利要求1或2所述的架空线路接地故障寻踪定位装置，其特征是：脉冲信号调理单元包含滤除工频干扰的高通滤波器和滤除100千赫兹以上频率的低通滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的架空线路接地故障寻踪定位装置，其特征是：高压直流电流发生器的输出端并接有储能电容，储能电容的容量为1到10微法。

5.一种架空线路接地故障寻踪定位装置，主要包含高压直流电流发生器和手持式寻踪定位仪，当供电线路发生故障停止供电后，向故障线路注入高压直流电流，重新击穿故障点，用手持式寻踪定位仪沿线路探测故障点击穿时的冲击电压信号，其特征是：手持式寻踪定位仪采用金属天线，检测故障点击穿时线路上的电压变化率，离故障点越近，检测到的信号就越大，沿着检测信号增强的方向追踪，可找到故障点。

6.根据权利要求5所述的架空线路接地故障寻踪定位装置，其特征是：脉冲信号调理单元包含滤除工频干扰的高通滤波器和滤除100千赫兹以上频率的低通滤波器。