CN102778636B - 单相接地故障定位方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种单相接地故障定位方法及设备。方法是：在变电站的三相母线或出口处安装信号注入装置；三相电力线路上挂设多组监测仪；发生接地故障时，给大地注入特定频率的电流信号；只有自身位于信号注入装置和接地故障点之间的监测仪才能从载波信号中提取到该电流信号；该监测仪本地显示故障判断信息，并通过射频方式输出该信息。设备包括：信号注入装置，接在电力线与地之间，用于检测判断接地并给大地注入调制的电流信号；若干监测仪，设在三相电力线路上多处位置，其检测从接地点返回的注入的信号，判断故障后输出故障信息。本发明判断故障选取的不是故障电流而是由信号装置注入的电流信号，该信号不受故障点接地电阻及线路长度的影响，判断故障更可靠。

Description

单相接地故障定位方法及设备

技术领域

本发明涉及一种判断并查找接地故障的方法及设备，特别是一种小电流接地系统的单相接地故障的方法及设备。

背景技术

目前，配电线路大多采用中性点不接地或通过消弧线圈接地的方式，统称为小电流接地系统。当发生单相接地故障时，故障点只流过系统的电容电流，该电流较小，不影响系统供电运行，但造成不接地相的电压升高，威胁线路绝缘瓷瓶的安全。绝缘瓷瓶一旦击穿，会造成两相对地短路，引起断路器跳闸。为此，一些寻找单相接地故障所在位置的产品或方法相继问世。一种方法是通过电压互感器(PT)在故障相线上注入特殊频率(如220Hz)的信号。该信号从接地故障线、接地点经大地回到信号源，构成回路流动。用手持的电流磁场信号检测装置检测这一特殊频率的信号，沿故障线路寻找至特殊频率信号下降的地方，即为接地故障点所在的位置。由于PT的容量很小，注入信号的功率及其有限，这种方法只能检测到接地电阻值很小的故障。当接地电阻阻值大时就限制了注入的信号电流强度，使其很难被电流磁场信号检测装置检测到，成功率很低。再如发明专利01109726.4及01118274.1所述的方法，缺乏对小电流接地系统零序电压及零序阻抗的认知，作为信号装置的三相变压器零序阻抗太大，信号电流幅度不可控，通过开关制造扰动的方式注入信号，该信号没有固定的幅频特征，有很强的随意性，原理上存在先天的缺陷及错误，很难有可操作性及实用价值。因此，目前的小电流接地系统的单相接地故障判断及查找方法还存在需要改进的地方。

发明内容

为解决查找并判断小电流接地系统的单相接地故障，针对现有技术的缺陷和不足的问题，本发明的目的是提供一种判断并查找小电流接地系统的单相接地故障的方法。本发明的另一目的是提供一种使用上述方法的监测仪。

本发明的方法采用以下技术方案：

1)在变电站的三相母线或变电站出口处安装信号注入装置，该装置的一端接地，另一端连接电力线；

2)在三相电力线路上多处挂设监测仪；

3)当发生接地故障时，通过信号注入装置给大地注入不同于工频的经调制的电流信号；

4)各监测仪从电力线路上的载波信号中提取注入的该电流信号；

5)若某个监测仪未能接收到注入的电流信号，则表明该监测仪自身不在故障回路上，即不在信号注入装置和接地故障点之间；

6)若某个监测仪接收到注入的电流信号，根据该电流信号的编码规则，识别信号注入装置发送的数据信息，则表明该监测仪自身在故障回路上，本地显示故障判断信息，并通过射频方式输出该信息。

本发明提供的单相接地故障定位设备包括：

信号注入装置，用于检测判断接地并给大地注入调制的电流信号，其安装在变电站的三相母线或变电站出口处，该装置的一端接地，另一端连接电力线；

若干监测仪，分别挂设在三相电力线路上多处位置，其作为信号检测装置检测从接地点返回的注入的信号，判断故障后能够输出故障信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.判断故障选取的故障特征不是发生单相接地故障时的故障电流，而是由信号装置注入的特定幅频的电流信号，该信号不受故障点接地电阻及线路长度的影响，判断故障更可靠。

2.采用Z型联结的变压器做信号装置的电源，具有零序阻抗小，正负序阻抗大的优点，注入信号的幅度频率通过消弧线圈的副边电感可调，并且安全可靠。

3.采用电子开关器件，具有更高的响应速断，能在特定角度开闭电路，产生特定幅频的电流信号。

4.监测仪通过滤波算法从载波中提取注入的信号，根据调制信号的编码格式识别信息，采用数字化通信的方式确认单相接地故障，比目前脉冲计数及幅值比较的方法发生质的飞跃。

附图说明

图1为本发明的电气原理简图；

图2为本发明的具体实施的电气原理图；

图3为本发明中注入信号的波形示意图；

图4为本发明中注入信号载波时的示意图；

图5为本发明中监测仪检波时的示意图；

图6为本发明中监测仪检波时的流程图；

图7为本发明中监测仪的结构框图。

具体实施方式

本发明提供了一种单相接地故障定位方法及设备。

单相接地故障定位方法包括以下步骤：

1)在变电站的三相母线或变电站出口处安装信号注入装置，该装置的一端接地，另一端连接电力线；

2)在三相电力线路上多处挂设监测仪；

3)当发生接地故障时，通过信号注入装置给大地注入不同于工频的经调制的电流信号；

4)各监测仪从电力线路上的载波信号中提取注入的该电流信号；

5)若某个监测仪未能接收到注入的电流信号，则表明该监测仪自身不在故障回路上，即不在信号注入装置和接地故障点之间；

6)若某个监测仪接收到注入的电流信号，根据该电流信号的编码规则，识别信号注入装置发送的数据信息(例如连续8个信息“1”)，则表明该监测仪自身在故障回路上，本地显示故障判断信息，并通过射频方式输出该信息。

所述步骤3)中调制的电流信号的编码方式采用曼彻斯特编码规则，即相邻两个周波没有相对变化时，表示信息“0”；相邻两个周波有相对变化时，表示信息“1”；采用该编码规则能有效避免负荷电流信号对调制电流信号的影响。

所述步骤4)中电流信号的提取流程是：用电流互感器取得电流信号，经阻抗变换为电压信号，该电压信号经一个周波的延时后与未经延时的电压信号作差，差分结果给微处理器的数模转换器，对数模转换器的结果用数字带通滤波器处理后得到滤波信号，该信号即是相邻两个周波的电流信号是否有变化，通过该滤波信号可以判断数据信息是“1”还是“0”。

简述单相接地故障定位方法就是：在变电站的三相母线或变电站出口处安装一台信号注入装置；三相电力线路上在关键位置(馈线分支或故障多发区域)挂设多组监测仪，利用接地故障相线对地电压变化作判据，启动信号注入过程。通过可控电感给大地注入特定频率的电流信号，安装于接地点和信号注入装置之间的电力线路上的监测仪，从载波信号(馈线电流)中提取注入的该电流信号，根据信号的编码规则，识别信号注入装置发送的数据信息，从而确定自身位于故障回路上，也即位于信号注入装置和接地故障点之间；非故障相和故障相上的监测仪则不能接收到注入的电流信号，从而判断自身不在故障回路上。

单相接地故障定位设备包括：

信号注入装置，用于检测判断接地并给大地注入调制的电流信号，其安装在变电站的三相母线或变电站出口处，该装置的一端接地，另一端连接电力线；

若干监测仪，分别挂设在三相电力线路上多处位置，其作为信号检测装置检测从接地点返回的注入的信号，判断故障后能够输出故障信息。

所述信号注入装置包括接地变压器、电压互感器、消弧线圈、可控电感，其中：所述接地变压器为一中性点引出的Z型联结的变压器，其原边与电力线路连接，中性点与电压互感器的原边和消弧线圈的原边连接，接地故障发生时中性点会出现零序电压；所述电压互感器的原边接在地变压器的中性点和大地之间，用于监测接地变压器的中性点的零序电压；所述消弧线圈的原边接在地变压器的中性点和大地之间而副边连接可控电感；所述可控电感由调制电感线圈和电子开关组成，当监测到电压互感器的副边出现零序电压时，控制电子开关的导通角，通过调制电感产生特定幅度和频率的电流信号，该信号通过消弧线圈的原边耦合注入大地。

所述监测仪包括电压互感器、电流互感器、微处理器，其中：所述电压互感器为一电容式电压互感器，用于检测相电压；所述电流互感器为一开启式电流互感器，用于检测相电流；所述微处理器为高速低功耗芯片，用于结合电压电流的幅频特性判断注入信号的有无。

所述接地变压器的中性点是人为制造的一个中性点，用来连接消弧线圈，系统发生接地故障时，该接地变压器对正序负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗性，使注入信号可靠动作，发生单相接地故障时，中性点产生零序电压。

所述监测仪内部设置一块平行于大地的金属极板，构成电容式分压器，用于检测电力导线的电压，监测仪内部集成微处理器从载波信号中提取注入的信号，判断故障后通过射频模块输出故障信息，以用于故障信息远程监测。

下面结合附图对本发明的具体实施方案做进一步说明。

图1为本发明所述单相接地故障定位方法的原理示意图。该方案由接地三相变压器T、消弧线圈L、可控电感K及监测仪G组成。三相变压器T经消弧线圈L接地，可控电感K与消弧线圈L电磁耦合，监测仪G设置在三相馈线上。

下面结合更优方案图2，详细论述本发明的实施过程。信号注入装置一端直接与三相馈线连接，另一端与大地连接。其中接地变压器①的输入端经过熔丝保险FU和隔离开关F与三相馈线连接，该接地变压器的原边为Z型联结(或称曲折型接线)，并给系统提供一个人为的中性点。另外接地变压器有独特的电磁特性，对正序负序电流呈高阻抗，绕组中只流过很小的励磁电流。由于每个铁心柱上两个绕组绕向相反，同心柱上两绕组流过相等的零序电流呈现低阻抗，零序电流在绕组上的压降很小。也即当系统发生接地故障时，在绕组中将流过正序、负序和零序电流。该绕组对正序和负序电流呈现高阻抗，而对零序电流来说，由于在同一相的两绕组反极性串联，其感应电动势大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此呈低阻抗。发生单相接地故障时，该变压器的中性点出现零序电压，可以作为注入信号的电源。其中消弧线圈②的一端与接地变压器的中性点连结，另一端直接接地，要求接地电阻小于4欧姆。发生单相接地故障时，该消弧线圈的原边出现零序电压，流过消弧线圈入地的电流受控于其副边的可控电感③。可控电感由调制电感线圈L及可控硅S1和S2组成，在相电压的特定角度，触发可控硅导通，产生定幅频的电流信号，该电流信号耦合到消弧线圈的原边入地，当流过可控硅的电流不足以保持可控硅续流导通时，可控硅截止，也就完成一次信号的调制过程，消弧线圈副边的调制电流的波形如图3所示，选择在电压基波过零点前45度时触发可控硅导通，电压基波过零后流过可控硅的电流不足以保持可控硅续流导通时，可控硅截止。信号的幅度和频率以通过调节调制电感线圈和可控硅的导通角来实现。

上述调制信号经消弧线圈入地，经接地故障发生地点，由故障相返回。调制信号与电力馈线的负荷电流叠加在一起形成如图4所示的载波信号。调制信号的编码方式采用曼彻斯特编码规则，相邻两个周波没有相对变化时，也即都没有调制信号或者都有调制信号，表示信息“0”；相邻两个周波有相对变化时，也即一个周波没有调制信号而另一个周波有调制信号，表示信息“1”；采用该编码规则能有效避免负荷电流信号对调制电流信号的影响，因为负荷电流信号具有稳定的周期性，而调制电流信号，在一个周波内出现一次或者不出现，用相邻周波信号有无变化来判断信息“1”和“0”，可极大地提高通信的可靠性。

安装在电力馈线上的监测仪G通过判断载波信号中有无调制信号，判断自身是否位于故障回路上，也即是否位于信号注入装置和接地故障点之间。调制信号的提取流程如图5所示。电流互感器取得电流信号，经阻抗变换为电压信号，该电压信号经一个周波的延时后与未经延时的电压信号作差运算，差分结果给微处理器的数模转换器。对于50Hz的工频信号，一个周波的延时为20ms。该差分电压信号称为检波信号，主要保留调制电流信号，仅残余很小的负荷电流信号。对数模转换器的结果用一个数字带通滤波器处理后得到滤波信号，该信号即是相邻两个周波的电流信号是否有变化，如图6所示。通过该滤波信号很容易判断数据信息是“1”还是“0”。监测仪接收到特定的数据信息(例如连续8个信息“1”)，即可判断自身处于故障回路。特定的数据串序列由信号注入装置调制发出。

数字带通滤波器的通频带设计依赖于信号调制装置调制信号时的频率，在匹配的情况下能获得最佳的滤波效果。二阶数字滤波传递函数为：

$G\left(z\right)=\frac{a_0+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}}{1-b_1{z}^{-1}-b_2{z}^{-2}},$ 式中a，b为滤波系数

电压互感器④的原边分别与大地和接地变压器的中性点连接，用于监测接地变压器的中性点的零序电压，可以用于判断是否有单相接地故障发生。

监测仪的原理框图如图7所示，包括如下功能模块：负荷电流信号单元、实时时中晶振单元、差分电流信号单元、电池电源监测单元、电压信号单元、射频通信接口单元、微处理器。负荷电流信号单元用于测量电力馈线的负荷电流；实时时钟晶振单元为监测仪提供精确的时间时钟；差分电流信号单元用于提取注入的调制信号；电池电源监测单元用于监测仪的电源状况的监视；电压信号单元用于监测电力馈线的相电压；射频通信接口单元，用于外扩无线射频模块完成故障信息的通讯及参数整定；微处理器是监测仪的核心，尤其提取注入的调制信号在微处理器内部运算完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单相接地故障定位方法，其特征在于包括步骤：

1)在变电站的三相母线或变电站出口处安装信号注入装置，该装置的一端接地，另一端连接电力线；

2)在三相电力线路上多处挂设监测仪；

3)当发生接地故障时，通过信号注入装置给大地注入不同于工频的经调制的电流信号；

4)各监测仪从电力线路上的载波信号中提取注入的该电流信号；

5)若某个监测仪未能接收到注入的电流信号，则表明该监测仪自身不在故障回路上，即不在信号注入装置和接地故障点之间；

6)若某个监测仪接收到注入的电流信号，根据该电流信号的编码规则，识别信号注入装置发送的数据信息，则表明该监测仪自身在故障回路上，本地显示故障判断信息，并通过射频方式输出该信息；

所述步骤4)中电流信号的提取流程是：用电流互感器取得电流信号，经阻抗变换为电压信号，该电压信号经一个周波的延时后与未经延时的电压信号作差，差分结果给微处理器的数模转换器，对数模转换器的结果用数字带通滤波器处理后得到滤波信号，该信号即是相邻两个周波的电流信号是否有变化，通过该滤波信号可以判断数据信息是“1”还是“0”。

2.如权利要求1所述的单相接地故障定位方法，其特征在于：

所述步骤3)中调制的电流信号的编码方式采用曼彻斯特编码规则，采用该编码规则能有效避免负荷电流信号对调制电流信号的影响。

3.一种单相接地故障定位设备，其特征在于包括：

信号注入装置，用于检测判断接地并给大地注入调制的电流信号，其安装在变电站的三相母线或变电站出口处，该装置的一端接地，另一端连接电力线；

若干监测仪，分别挂设在三相电力线路上多处位置，其作为信号检测装置检测从接地点返回的注入的信号，判断故障后能够输出故障信息；

所述监测仪内部设置一块平行于大地的金属极板，构成电容式分压器，用于检测电力导线的电压，监测仪内部集成微处理器从载波信号中提取注入的信号，判断故障后通过射频模块输出故障信息，以用于故障信息远程监测；

所述信号注入装置包括接地变压器、电压互感器、消弧线圈、可控电感，其中：

所述接地变压器为一中性点引出的Z型联结的变压器，其原边与电力线路连接，中性点与电压互感器的原边和消弧线圈的原边连接，接地故障发生时中性点会出现零序电压；

所述电压互感器的原边接在地变压器的中性点和大地之间，用于监测接地变压器的中性点的零序电压；

所述消弧线圈的原边接在地变压器的中性点和大地之间而副边连接可控电感；

所述可控电感由调制电感线圈和电子开关组成，当监测到电压互感器的副边出现零序电压时，控制电子开关的导通角，通过调制电感产生特定幅度和频率的电流信号，该信号通过消弧线圈的原边耦合注入大地。

4.如权利要求3所述的单相接地故障定位设备，其特征在于：所述监测仪包括电压互感器、电流互感器、微处理器，其中：

所述电压互感器为一电容式电压互感器，用于检测相电压；

所述电流互感器为一开启式电流互感器，用于检测相电流；

所述微处理器为高速低功耗芯片，用于结合电压电流的幅频特性判断注入信号的有无。

5.如权利要求3所述的单相接地故障定位设备，其特征在于：

所述接地变压器的中性点是人为制造的一个中性点，用来连接消弧线圈，系统发生接地故障时，该接地变压器对正序负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗性，使注入信号可靠动作，发生单相接地故障时，中性点产生零序电压。