CN103558497A - 用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法及装置，当线路长度l小于波长的

时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角

的正负性作为判断依据，当

即

时，环路阻抗呈容性，判断结果为未装设接地线；当

即

时，环路阻抗呈感性，判断结果为有未拆除的接地线；其中，波长的

等于

f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

Description

用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统中的输电工程技术领域，特别涉及一种用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法及装置。

背景技术

在电力系统变电检修和线路检修的过程中，挂接地线是非常重要的一环，接地线的正确使用不仅能够有效保证作业人员的人身安全，而且还能辅助开展试验和测量工作，但不规范的管理或使用将会造成接地线的漏拆，导致带接地线合闸的误操作事故发生，给人身、电网、设备的安全造成了极大的危害。目前防止带接地线误操作方法主要有三种，第一种方法是通过强化制度的执行，规范接地线使用的管理；另一种方法是通过设备本身带有的机械闭锁功能来实现，这两种方法除了有繁琐复杂和可靠性不高的缺点以外，还有执行主体行为不确定的问题。第三种方法是使用接地电阻仪根据环路法对线路的环路电阻进行测试，由此判断是否漏拆接地线，这种方法较前两种有一定优越性，但是有线路长度的局限性，不适于远距离线路。因此迫切需要提出一种可靠且适用面更广的检测技术方案。

发明内容

为了克服现有对接地线拆除状态检测方法的不足，本发明所提出的检测技术方案测试时不需要辅助地极，无需切断设备电源或断开地线，只需用钳口钳住接地线，就可以进行测量。

本发明的技术方案提供一种用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法，当线路长度l小于波长的时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角

的正负性作为判断依据，判断方式如下，

a.当

即

时，环路阻抗呈容性，判断结果为未装设接地线；

b.当

即

时，环路阻抗呈感性，判断结果为有未拆除的接地线；

其中，波长的

等于

f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，

以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

而且，由钳形接地电阻测试仪进行测试得到的正负性，实现方式如下：

根据

通过提取环路电流相角

的正负性得到环路阻抗相角

的正负性，所述环路电流相角

的正负性与从钳形接地电阻测试仪的微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，直接通过电压信号u_s获得环路电流相角

的正负性。

本发明还相应提供一种用于配电网中输电线路的接地线状态检测装置，采用钳形接地电阻测试仪，在钳形接地电阻测试仪中设置判断单元，

所述判断单元，用于当线路长度l小于波长的

时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角

的正负性作为判断依据，判断方式如下，

a.当即

时，环路阻抗呈容性，判断结果为未装设接地线；

b.当

即

时，环路阻抗呈感性，判断结果为有未拆除的接地线；

其中，波长的等于f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

而且，在钳形接地电阻测试仪中设置正负性提取单元，

所述正负性提取单元，用于得到

的正负性，实现方式如下，

根据

通过提取环路电流相角

的正负性得到环路阻抗相角的正负性，所述环路电流相角

的正负性与从钳形接地电阻测试仪的微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，直接通过电压信号u_s获得环路电流相角

的正负性。

本发明具有如下优点：适用面广，适用线路长度远远优于环路测试法；钳形接地电阻测试仪操作简单，提供有效的防止电气误操作手段和工具；判据简单有效，能充分减少人为事故的发生，保证电力系统的安全生产；便于推广，现场测试容易，大大提高工作效率，降低劳动强度。

附图说明

图1为本发明实施例的装设接地线前同频干扰信号示意图。

图2为本发明实施例的装设接地线后同频干扰信号示意图。

图3为本发明实施例的均匀无损传输线的分布参数等值电路示意图。

图4为本发明实施例的终端接有电抗器的空载线路示意图。

图5为本发明实施例的入口阻抗|Z_r|随线路长度l的变化关系示意图。

图6为本发明实施例的装设接地线前仿真模型示意图。

图7为本发明实施例的装设接地线后仿真模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明将利用环路阻抗相角作为分析工具，根据不同的激励电压频率设置不同的判定标准，并由此推断配电网中输电线路的接地线的拆除状态。

实施例以环路阻抗相角正负性为依据对接地线状态进行检测的方式如下：

当线路长度（即

波长）时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角

作为判断依据，判断方式如下，

a.当

时，环路阻抗呈容性，未装设接地线；

b.当

时，环路阻抗呈感性，有未拆除的接地线；

由于接地电阻测试仪发出激励电压相角

为0，故判据可以简化为以下形式：

a.当即

时，环路阻抗呈容性，未装设接地线；

b.当即

时，环路阻抗呈感性，有未拆除的接地线；

其中，f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，

以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

本发明进一步提出，根据通过提取环路电流相角的正负性得到环路阻抗相角

的正负性，所述环路电流相角

的正负性与从钳形接地电阻测试仪的微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，直接通过电压信号u_s获得环路电流相角

的正负性。电压信号u_s是电流转换为电压信号和干扰信号的叠加值，现有钳形接地电阻测试仪中通过微电流放大电路提取该信号。

实施例利用接地电阻测试仪判断

的正负性，具体实施时可对现有接地电阻测试仪进行软件部分改进。因为以阻抗的相角正负情况为接地线状态的判据，为了获取该判据仅需知道环路电流相角的正负性即可，它与从微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，不需对u_s进行同频信号分离。另外由于无需获得环路电阻值，在本发明提出的改进方法中对电阻计算部分也予以取消。即本发明提出的软件改进方法较传统接地电阻测试仪软件部分少了同频信号分离和电阻计算两个内容。

为便于实施参考起见，提供实施例实现的各部分具体说明如下：

一、获取判据的实现：

现有的钳形接地电阻测试仪的测量结果仅仅为电阻，不能直接用于本发明方法对于电抗相角的判断，因此需要对其做出适当改进以适应本法。

现有钳形接地电阻测试仪在测量电流前都对电流信号设有一系列的抗干扰措施，包括三重屏蔽（用以屏蔽外部电磁辐射干扰），带通滤波（用以跟踪信号频率带宽），DFT检波（用以提取系统频率信号）等，由于电流不能直接被测量，这些抗干扰过程得到的电流要用钳形接地电阻测试仪中的微电流放大电路转换为电压，得到一个与系统信号频率相同的信号u_s，如图1和图2所示，向量

的对应瞬时值为信号u_s、u_r、u_i、u_u。信号u_s是两个同频信号的叠加值，一是同频干扰信号u_r，它与激励电压信号u_u的相位是相同的（u_u是可由本领域技术人员根据具体情况预先设定并由测试仪在线路首端加到环路上去的，u_u的相角为0，在电压u_u的激励下产生环路电流）；二是有用信号u_i，即除去干扰后的环路电流转换所得的电压信号，其相角为当线路长度

时，它的相位

在装设接地线前为正，装设接地线后为负。由于，传统的测量接地电阻仪器需要测试接地电阻的具体数值，因此要对两个同频信号u_r、u_i进行分离，而本发明是以阻抗的相角正负情况为接地线状态的判据，根据仅需知道环路电流相角

的正负性即可，它与从微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，不需对进行同频信号分离可直接通过u_s获得，得到

后

的计算和判断

可由钳形接地电阻测试仪内部采用软件方式自动完成，钳形接地电阻测试仪可显示

正负性。

二、接地线状态检测的判据选择原理

由于长线路的电感电容是均匀分布的，可用每公里长导线的总电感L和总电容C来表达这一均匀分布参数的大小。在离线路终端x处取长度等于Δx的一段导线，在此小段内的电感为LΔx，电容为CΔx，工频电流及其压降则用及其微分形式表示。如图3所示。

根据图中标识以及基尔霍夫电流、电压定律可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}+\frac{d\stackrel{\·}{U}}{\mathrm{dx}}\mathrm{\Δx}-\stackrel{\·}{U}-\stackrel{\·}{I}\×\mathrm{j\ωL\Δx}=0\\ \stackrel{\·}{I}+\frac{d\stackrel{\·}{I}}{\mathrm{dx}}\mathrm{\Δx}-\stackrel{\·}{I}-\mathrm{j\ωC\Δx}(\stackrel{\·}{U}+\frac{d\stackrel{\·}{U}}{\mathrm{dx}}\mathrm{\Δx})=0\end{array}\right.$

解以上两式，有：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U}=A\cos \frac{\mathrm{\ωx}}{v}+\mathrm{jB}\sin \frac{\mathrm{\ωx}}{v}\\ \stackrel{\·}{I}=\frac{1}{Z}(\mathrm{jA}\sin \frac{\mathrm{\ωx}}{v}+B\cos \frac{\mathrm{\ωx}}{v})\end{array}\right.$

其中，ω是流经线路的电信号角频率，v为电磁波波速，

称为导线的波阻抗。这是长线路的两个基本方程，系数A，B由线路的边界条件决定。

现基于以上理论分析终端接有电抗器L₀的空载线路，线路如图4所示，图中，x＝0，代入长线路基本方程中，得到首端（x＝l为线路长度，为便于表达清晰起见设置参数

）电压和电流值为：

$\stackrel{\·}{U}=\mathrm{jB}(\frac{{\mathrm{\ωL}}_0}{Z}\cos \mathrm{\η}+\sin \mathrm{\η})$

$\stackrel{\·}{I}=\frac{B}{Z}(-\frac{{\mathrm{\ωL}}_0}{Z}\sin \mathrm{\η}+\cos \mathrm{\η})$

从首端往终端看去的入口阻抗Z_r为：

其中，j是虚数单位，相角

满足

电磁波传播速度（f为接地电阻测试仪发出激励电压的频率）。

当变电站装设接地线前，采用现有技术中的环路法进行测试，测试得到环路阻抗Z_l=Z_oc/3。由于线路和负载大部分不接地，输电线路末端相当于开路，而当变电站挂接地线时，输电线路末端相当于短路，因此：

1）装设接地线前，输电线路末端开路，L₀→∞,

从首端看进去的入口阻抗Z_oc为：

Z_oc＝-jZctgη

2）装设接地线后，输电线路末端短路，

从首端看进去的入口阻抗Z_sc为：

Z_sc＝jZtgη

当

即满足线路长度

时，以环路阻抗相角

作为判断依据，则有:

a.当

时，环路阻抗呈容性，未装设接地线；

b.当

时，环路阻抗呈感性，有未拆除的接地线；

具体实施时，本领域技术人员可采用软件技术在钳形接地电阻测试仪中实现自动运行以上判断。其中以及

分别表示首端电压、电流和环路阻抗的相角，

属于中间数据，由钳形接地电阻测试仪内部测得，参见第一点描述，具体实施时可以不显示中间数据只显示判断结果，也可以同时显示

正负性和判断结果供用户参考。

这一特征受所加电源频率和线路参数的影响，频率越低，零序电感L₀及零序电容C₀参数越小，判据适用的有效线路长度越长。如图5所示，横坐标为线路长度l，取值

逐渐增大，纵坐标为入口阻抗大小，入口阻抗Z_oc（虚线）和入口阻抗Z_sc（实线）随线路长度l取值变化。

具体实施时，判断过程和正负性提取过程可采用软件模块化技术集成到现有钳形接地电阻测试仪中，整体作为检测装置向用户提供。实施例的检测装置说明如下：

在钳形接地电阻测试仪中设置判断单元，

所述判断单元，用于当线路长度l小于波长的

时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角

的正负性作为判断依据，判断方式如下，

a.当

即

时，环路阻抗呈容性，判断结果为未装设接地线；

b.当

即

时，环路阻抗呈感性，判断结果为有未拆除的接地线；

其中，波长的等于

f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，

以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

本发明进一步在钳形接地电阻测试仪中设置正负性提取单元，

所述正负性提取单元，用于得到的正负性，实现方式如下：

根据

通过提取环路电流相角

的正负性得到环路阻抗相角

的正负性，所述环路电流相角

的正负性与从钳形接地电阻测试仪的微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，直接通过电压信号u_s获得环路电流相角

的正负性。

为便于验证本发明实施例技术方案的效果起见，可用EMTP仿真软件进行仿真，搭建架空线路仿真模型见图6和图7，其中图6为未挂接地线时模型，AC2为设定为100V的交流电源(记为100/_0)，m2为电流测试装置，测量单位为安培A，TML1为参数恒定的线路，Bus1为母线，后接变压器DYg_1（DYg接法，其中1为三角形接线，2为星形接线，变比为10/0.38kVA）和负载Load1（包括有功负载P=100kw，无功负载Q=100kvar）；图7为挂有接地线时模型，AC1为设定为100V的交流电压源，m1为电流测试装置，测量单位为安培A，TML1为参数恒定的线路。以上模型的线路参数：零序电阻R₀=0.23Ω/km，零序电感L₀=5.48mH/km，零序电容C₀=6nF/km，正序电阻R₁=0.17Ω/km,正序电感L₁=1.21mH/km，正序电容C₁=9.69nF/km， $v=\frac{1}{\sqrt{L_0{C}_0}}=17.44\×{10}^4\mathrm{km}/s,Z=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}=955.7\mathrm{\Ω}.$

1、50Hz工频信号分析：

由之前理论分析可知，当线路长度

对应

会出现极端情况，装设接地线前，线路末端相当于开路，此时入口阻抗Z_oc＝-jZctgη＝0，装设接地线后，线路末端相当于短路，此时入口阻抗Z_sc＝jZtgη＝∞。当线路长度

对应

此时两种情况的入口阻抗分别为Z_oc＝-jZ和Z_sc＝jZ，大小相同且都等于线路的波阻抗，因为实际电路是三条导线并联运行，因此环路阻抗分别为

环路阻抗大小相同，但相位相反，装设接地线前呈容性，装设接地线后呈感性。

将激励电压信号频率设定为50Hz，改变线路长度，两种情况下环路阻抗幅值如图6所示，环路电流和环路阻抗值如表1所示：

表1

表150Hz激励信号下环路电流和入口阻抗值随线路长度变化关系

表中∠90°等表示电流的相角。由表1中数据可知，频率为50Hz的条件下，装设接地线前的环路电流随着线路长度的增加而增加，装设接地线后的环路电流随着线路长度的增加而减小，并且在线路长度160km之内，两种情况下环路阻抗值差别很大，相差1到2个数量级。因此，线路长度越短，环路阻抗阻值差别越大。当线路长度在870km之内时，装设接地线前环路阻抗呈容性，而装设接地线后环路阻抗呈感性，两者相角保持相反；而当线路长度超过了870km，两种情况下的阻抗相角发生了变化，装设接地线前呈感性，装设接地线后呈容性，相角仍然保持相反。因此频率50Hz的条件下，依据阻抗和电流大小做判据线路有效长度仅在160km之内，依据本发明提出的阻抗相角关系做判据，线路有效长度可以达到300km以上，远远的满足了配电网架空线路长度的要求。

2、500Hz高频信号分析：

当线路长度对应

会出现极端情况，装设接地线前入口阻抗Z_oc＝-jZctgη＝0，装设接地线后入口阻抗Z_sc＝jZtgη＝∞。当线路长度对应

此时两种情况的入口阻抗分别为Z_oc＝-jZ和Z_sc＝jZ，环路阻抗分别为 $Z_1=\frac{Z_{\mathrm{oc}}}{3}=-j\frac{Z}{3}=-j318.6,Z_2=\frac{Z_{\mathrm{sc}}}{3}=j\frac{Z}{3}=j318.6,$ 环路阻抗大小相同，相位相反，装设接地线前呈容性，装设接地线后呈感性。

将激励电压信号频率设定为500Hz，

改变线路长度，两种情况下环路电流和环路阻抗值如表2所示：

表2

表2500Hz激励信号下环路电流和入口阻抗值随线路长度变化关系

由表2中数据可知，频率500Hz的条件下，依据本发明提出的环路阻抗相角关系做判据，有效长度在87km之内，远远大于环路阻抗幅值法的线路有效长度16km。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法，其特征在于：当线路长度l小于波长的

时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角的正负性作为判断依据，判断方式如下，

a.当

即

时，环路阻抗呈容性，判断结果为未装设接地线；

b.当

即时，环路阻抗呈感性，判断结果为有未拆除的接地线；

其中，波长的

等于

f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

2.根据权利要求1所述用于配电网中输电线路的接地线状态检测方法，其特征在于：由钳形接地电阻测试仪进行测试得到

的正负性，实现方式如下：

根据

通过提取环路电流相角

的正负性得到环路阻抗相角的正负性，所述环路电流相角

的正负性与从钳形接地电阻测试仪的微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，直接通过电压信号u_s获得环路电流相角

的正负性。

3.一种用于配电网中输电线路的接地线状态检测装置，采用钳形接地电阻测试仪，其特征在于：在钳形接地电阻测试仪中设置判断单元，

所述判断单元，用于当线路长度l小于波长的

时，以环路阻抗Z_l的相应环路阻抗相角

的正负性作为判断依据，判断方式如下，

a.当即

时，环路阻抗呈容性，判断结果为未装设接地线；

b.当即

时，环路阻抗呈感性，判断结果为有未拆除的接地线；

其中，波长的

等于

f为钳形接地电阻测试仪在线路首端发出的激励电压的频率，v为电磁波传播速度，

以及

分别表示环路电流相角和环路阻抗相角，且

4.根据权利要求3所述用于配电网中输电线路的接地线状态检测装置，其特征在于：在钳形接地电阻测试仪中设置正负性提取单元，

所述正负性提取单元，用于得到

的正负性，实现方式如下，

根据

通过提取环路电流相角

的正负性得到环路阻抗相角的正负性，所述环路电流相角

的正负性与从钳形接地电阻测试仪的微电流放大电路得到的电压信号u_s的正负性相一致，直接通过电压信号u_s获得环路电流相角

的正负性。

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