CN103823153B - 一种35kV配网单相接地故障类型判断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种35kV配网单相接地故障类型判断装置，包括三个结构相同的判断单元，所述判断单元包括与所述35kV配网的电压互感器连接的信号采集模块，所述信号采集模块与整流模块连接，所述整流模块输出端与电压比较器同相端连接，所述电压比较器输出端接入计数器；所述三个判断单元的三个计数器最高位输出端分别接入一个三输入与门的三个输入端，所述三输入与门的输出端与电流放大器件的第一极连接，所述电流放大器件的第二极接直流电源，所述电流放大器件的第三极与继电器的线包串联后接地，所述继电器的触点与所述35kV配网的消弧线圈连接。本发明的装置可以快速有效地判断出35kV配网单相接地故障是永久性接地故障，还是间歇性电弧接地故障。

Description

一种35kV配网单相接地故障类型判断装置

技术领域

本发明涉及一种配电网故障类型诊断装置，具体是一种35kV配网单相接地故障类型判断装置。

背景技术

目前我国35kV配网中性点接地方式主要有：中性点不接地、中性点经小电阻接地、中性点经高电阻接地以及中性点经消弧线圈接地。每种中性点接地方式都有其自身的优缺点。且运行经验表明，每种单一的中性点运行方式都未能满足系统对供电可靠性及设备安全运行的要求。于是，研究人员提出兼具以上几种中性点接地方式的优点，并摒弃其局限性的中性点复合运行方式，即消弧线圈根据单相接地的故障类型决定投入或不投入。而如何准确判断出单相接地故障为何种类型，既而做出消弧线圈的动作决策，是中性点复合接地方式的关键技术问题。

有研究人员通过对比铁磁谐振与单相接地故障情况下三相电压及零序电压之间的差异，并在此基础上提出了基于零序电压和三相电压综合对比的辨识方法。该方法设计相对简单，适用性强。但没有详细讨论如何在多种单相接地故障类型中判断出永久性接地故障和瞬时性接地故障。

有研究人员根据输电线路发生单相接地故障断开时，断开相两端的电压相角差判断接地故障的类型。在永久性故障情况下，断开相两端的电压相角大于瞬时性故障时断开相两端的电角相位差，通过计算整定一个角度，故障发生时，断开相两端的电压相角差大于此值判定为永久性故障，断开相两端的电压相角差小于此值判定为瞬时性故障。但该方法的判断依据主要在超高压电网中存在，在35kV配网中并不一定成立，即相角差的区别并没有那么明显。而且该方法的前提是故障线路已经断开，但中性点复合运行方式对故障类型判断的要求是故障发生时，故障线路断开前，已判断出接地故障类型。

还有研究人员提出利用小波变换和多重分析对过电压信号进行特征提取，并将得出的特征值输入神经网络过电压分类系统进行分类。经实测和仿真过电压信号的验证，该方法具有较高的准确率。该方法由于识别种类较多，识别过程较为复杂，更重要的是没有针对弧光接地过电压进行优化，计算速度相对较慢，无法满足快速准确识别弧光接地过电压的实际需求。

目前还没有35kV配网单相接地故障类型判断的硬件装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种35kV配网单相接地故障类型判断装置，快速准确地判断35kV配网单相接地故障类型。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种35kV配网单相接地故障类型判断装置，包括三个结构相同的判断单元，所述判断单元包括与所述35kV配网的电压互感器连接的信号采集模块，所述信号采集模块与整流模块连接，所述整流模块输出端与电压比较器同相端连接，所述电压比较器输出端接入计数器；所述三个判断单元的三个计数器最高位输出端均与一个三输入与门的输入端连接，所述三输入与门的输出端与电流放大器件的第一极连接，所述电流放大器件的第二极接直流电源，所述电流放大器件的第三极与继电器的线包串联后接地，所述继电器的触点与所述35kV配网的消弧线圈连接。

所述信号采集模块包括变压器，所述变压器的一次侧和二次侧各并联有一个瞬态电压抑制器；所述变压器一次侧与所述35kV配网的电压互感器二次侧连接。瞬态电压抑制器可以抑制接地时刻的暂态冲击过电压。

所述变压器的变比为20:1，保证本发明装置中的运算放大器输入电压不超过其最大允许值。

所述信号采集模块与所述整流模块之间接有滤波模块，用来滤掉电网中正常运行时的高次谐波以及发生高频铁磁谐振产生的高频电压信号。本发明中，滤波模块为带通滤波器，所述带通滤波器包括二阶低通滤波器和与所述二阶低通滤波器连接的高通滤波器，既可以消除高频信号的影响，又可消除分频谐振过电压影响。

所述整流模块包括两个运算放大器、一个由两个二极管串联组成的二极管支路，第一运算放大器负输入端通过第一电阻与所述带通滤波器输出端连接，所述第一运算放大器正输入端接地；所述第一运算放大器输出端接入所述二极管支路的两个二极管之间；所述二极管支路的一端接入第六电阻和第五电阻之间，所述二极管支路的另一端接入第七电阻和第十四电阻之间；所述第六电阻与所述第七电阻连接；所述第五电阻、第十四电阻分别接入第二运算放大器的负输入端和正输入端；所述第二运算放大器输出端通过第十六电阻与所述第二运算放大器负输入端连接。整流模块可以使输出全为正值，配合电压比较器使用，使电压比较器输出为低电平。

所述电压比较器正输入端与所述第二运算放大器输出端连接，所述电压比较器负输入端与一个可调电阻连接，所述可调电阻一端接电源，所述可调电阻另一端接地；所述电压比较器输出端通过一个上拉电阻与所述电压比较器的电源正输入端连接。上拉电阻可以改善输出波形。

所述计数器最高位输出端和次高位输出端分别接入与非门的两个输入端，所述与非门的输出端与三极管的基极连接，所述三极管的集电极接电源，所述三极管的发射极通过一个电阻接地；所述计数器的计数控制端接入所述三极管的发射极与所述电阻之间。如此设计可以使消弧线圈的退出操作更加合理。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明装置结构简单，将电压比较器输出作为计数器的输入，当计数器收到一定脉冲个数时，即可判断单相接地故障为间歇性电弧接地；当计数器不计数时，即可判断单相接地故障为永久性接地故障；由此可见，本发明的装置可以快速有效地判断出35kV配网单相接地故障为永久性接地故障，还是间歇性电弧接地故障。

附图说明

图1为本发明一实施例一个判断单元电路原理图；

图2为本发明一实施例信号采集模块电路原理图；

图3为本发明一实施例滤波模块电路原理图；

图4为本发明一实施例整流模块电路原理图；

图5为本发明一实施例电压比较器电路原理图；

图6为本发明一实施例计数器模块电路原理图；

图7为本发明一实施例计数器逻辑分析仪结果图；

图8为本发明一实施例仿真结果图；

图9为本发明一实施例仿真时仅考虑故障相的结果图；

图10为本发明一实施例将高频谐振信号加在装置变压器一次侧仿真结果图；

图11为本发明一实施例将低频谐振信号作为装置电源输入仿真结果图；

图12为本发明一实施例将幅值为正常运行相电压1.4倍，频率为50HZ的正弦电压作为装置的电源输入来定性模拟系统发生间歇性电弧接地时，装置所采集的电压信号仿真结果图；

图13为本发明一实施例用频率为50HZ，幅值为87V的正弦波来模拟C相过电压经PT降压后的波形仿真结果图。

具体实施方式

本发明一实施例包括三个结构相同的判断单元，如图1所述，所述判断单元包括与所述35kV配网的电压互感器连接的信号采集模块，所述信号采集模块与整流模块连接，所述整流模块输出端与电压比较器同相端连接，所述电压比较器输出端接入计数器；所述三个判断单元的三个计数器最高位输出端分别接入一个三输入与门的三个输入端，所述三输入与门的输出端与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极接直流电源，所述三极管Q2的发射极与继电器K1的线包连接后接地，所述继电器K1的触点与所述35kV配网的消弧线圈（本实施例中简化为R11、R12表示）连接。

本实施例信号采集模块如图2所示，系统（35KV配网）正常运行时，电网PT（电压互感器）二次侧电压为100V，是线电压，故正常运行时PT二次侧的相电压为=57.74V。发生间歇性电弧接地时，可能产生3p.u.的弧光接地过电压，此时PT二次侧相电压将达到=173.2V，为了保证本发明装置中的运算放大器输入电压不超过其最大允许值（±15V），故设变压器T1的变比为20:1，并在变压器一次侧和二次侧分别并联一个瞬态电压抑制器U10、U11（TVS），TVS1的钳位电压为±200V，TVS2的钳位电压为±7V，用来抑制接地时刻的暂态冲击过电压。

由于电网中可能存在各种频率的高次谐波，所以在变压器后面接一个二阶低通滤波器，截止频率HZ，用来滤掉电网中正常运行时的高次谐波以及发生高频铁磁谐振产生的高频电压信号。考虑到系统发生分频铁磁谐振时，谐振过电压会导致装置误判断为系统发生间歇性电弧接地，且分频谐振电压波形可视为基频信号和一低频信号的叠加，故在二阶低通滤波器后再接一个高通滤波器，截止频率为HZ，用来滤掉分频谐振过电压中的低频信号。这样便组成了一个带通滤波器（见图3），通带频率范围为45~64HZ，使装置即可消除高频信号的影响，又可消除分频谐振过电压影响。

由于本发明的目的是根据不同单相接地故障产生的不同电压信号判断系统是否发生瞬时性接地，而仿真分析可知，系统发生间歇性电弧接地时，产生弧光接地过电压的大小、正负与电弧重燃时刻有关，即可能为正值，也可能为负值。而本发明须实现，当输入电压为正值，且大于电压比较器所设定的参考电位时，输出高电平，当输入电压为负值，且小于比较器负值参考电位时，也输出高电平，当输入电压在两个参考电位之间，比较器输出低电平。但一个电压比较器没法实现此功能，故将信号在输入比较器前进行整流处理，即输出全为正值，如此，便可满足要求。本发明的整流电路见图4，包括两个运算放大器U2A、U5A、一个由两个二极管D2、D1串联组成的二极管支路，第一运算放大器U2A负输入端通过第一电阻R1与所述带通滤波器输出端连接，所述第一运算放大器U2A正输入端接地；所述第一运算放大器U2A输出端接入所述二极管支路的两个二极管之间；所述二极管支路的一端接入第六电阻R6和第五电阻R5之间，所述二极管支路的另一端接入第七电阻R7和第十四电阻R14之间；所述第六电阻R6与所述第七电阻R7连接；所述第五电阻R5、第十四电阻R14分别接入第二运算放大器U5A的负输入端和正输入端；所述第二运算放大器U5A输出端通过第十六电阻R16与所述第二运算放大器U5A负输入端连接。

为了使计数器获得一串脉冲信号，将整流器的输出信号送至电压比较器的同相端，电压比较器核心为LM339集成块。为了改善输出波形，在输出端与+15V的高电平之间加一个10kΩ的上拉电阻。电压比较器模型如图4所示。“-”端接一个参考电压，考虑系统正常运行时，PT二次侧的相电压为57.7V，经过变压器降压及滤波器的放大，最终从整流器输出的电压幅值为5.77V。假设系统发生单相瞬时性接地时，故障相产生的弧光接地过电压至少为1.2 p.u.，即降压后为7V，故设电压比较器的参考电位为7V可以满足要求。电压比较器如图5所示，电压比较器U6A正输入端与所述第二运算放大器U5A输出端连接，所述电压比较器U6A负输入端与一个可调电阻连接（本实施例中，电压比较器U6A负输入端接到可调电阻中间），所述可调电阻一端接电源VCC，所述可调电阻另一端接地；所述电压比较器U6A输出端通过一个上拉电阻R9与所述电压比较器的+15V的高电平输入端连接。

本发明判断的原则是当计数器接收到8个脉冲后，便将计数器高位的高电平送至三极管基极，三极管导通，串联在发射极的继电器动作。而74LS161是四位二进制计数器，当接收到15个脉冲后会自动清零，使继电器K1断开，消弧线圈退出，但这时瞬时性接地故障可能还未消除。为了使消弧线圈的退出操作更加合理，将计数器高位和次高位输出作为与非门U1A的输入，与非门的输出送至三极管Q1的基极，该三极管发射极经10kΩ电阻接地，计数器的ENP端（计数控制端）接至三极管发射极。如此，当计数器接收到12个脉冲后，即输出为1100时，三极管Q1截止，ENP输入为低电平，计数器状态保持。计数器及其外围部分如图6所示，逻辑分析仪结果如图7所示。

下面对本发明用于各种单相接地故障类型的判断进行仿真验证。在图1的三极管Q2基极和计数器最高位输出端之间连接一个三输入与门，与门的输出连接三极管Q2基极，与门的输入为采集A、B、C三相电压信号，分别经过本发明的判断单元处理后的计数器的最高位输出。为了更加形象地表示消弧线圈的投入与退出，在继电器K1开关两端各自通过一个10kΩ电阻R11、R12分别接至交流电压源的两端。用示波器测量R12的电压波形。若继电器闭合，为一正弦电压，表示消弧线圈投入运行；若继电器断开，=0，表示消弧线圈处于离线状态。

1.系统正常运行时，消弧线圈不投入。

系统正常运行时，零序电压开关J3处于断开状态，即装置没有电压输入，消弧线圈不动作。即使因误操作使J3闭合，由于正常运行时PT二次侧相电压经装置处理后小于电压比较器的参考电位，消弧线圈依然不动作，仿真过程如下。

在变压器一次侧加一个幅值为57.7V的基频正弦电压信号时，用来模拟系统正常运行时PT二次侧的相电压。由于此时三相电压幅值、频率相同，故可以不作三相与运算，直接将其中一相计数器输出送至三极管Q2基极即可。仿真结果如图8所示。

由图8可知，电压比较器输出一直是低电平，R12上的电压一直为0，消弧线圈一直处于离线状态，与所要求的一致。

2.系统发生单相金属性永久接地时，消弧线圈不投入。

系统发生金属性接地时，故障相电压降至很小，幅值仅为125V左右，经PT降压后仅为0.36V，再经本发明装置的变压器降压后便几乎为0，计数器高位输出必然为0，经三输入与门后输出也必然为0，即不管B、C两相计数器输出如何，继电器都处于开断状态，消弧线圈不投入。因此，仿真时仅考虑故障相即可，结果如图9所示。

由图9可知，各电压波形都是一条直线，幅值几乎等于0，电压比较器输出也一直是低电平，=0，消弧线圈处于离线状态，符合要求。

3.系统发生高阻接地时，消弧线圈不投入。

系统发生高阻接地时，故障相A相电压略小于1p.u.，非故障相B相电压略高于1p.u.，C相电压略小于1p.u.。这种情况下，由于A相电压经处理后一直小于电压比较器的参考电压，故计数器高位输出一直为0，继电器处于开断状态，消弧线圈不投入。此情况与系统正常运行时相似，此处不再作仿真。

4.系统发生高频谐振时，装置将高频信号过滤，消弧线圈不动作。

在变压器一次侧加一个由一频率为500HZ和一频率为5kHZ，幅值均为57.7V的电压信号叠加而成的高频振荡信号，用来模拟系统发生高频铁磁谐振时单相电压。

由于铁磁谐振时，三相电压基本相似，故仅研究一相即可。将该高频谐振信号加在装置变压器一次侧，仿真结果如图10所示。

由图10可知，系统发生高频铁磁谐振时，装置可以有效将高频信号过滤，使滤波器输出基本为0，电压比较器输出低电平，=0，即消弧线圈不投入，满足要求。

5.系统发生低频谐振时，装置将低频信号过滤，滤波器输出仅有基频信号，消弧线圈不动作。

通过一频率为5HZ，幅值为57.7V的低频电压信号与幅值为57.7V的基频电压信号叠加，产生一低频谐振信号，用来定性模拟分频谐振单相电压波形。将该低频谐振信号作为装置电源输入，仿真结果如图11所示。

由图11可知，系统发生低频铁磁谐振时，装置可以有效过滤低频信号，使滤波器输出基本仅为基频电压信号，该基频电压幅值小于电压比较器参考电位（7V），使比较器输出低电平，=0，消弧线圈仍处于离线状态，达到预设目的。

6.系统发生单相间歇性电弧接地时，消弧线圈投入运行，单相接地故障消失后，消弧线圈退出运行。

系统发生间歇性电弧接地时，除了电弧重燃时刻是在故障相电压为0时，故障相电压幅值约为1p.u.之外，其他燃弧时刻，故障相上的过电压倍数皆大于1.2p.u.，即经一系列降压放大后，大于电压比较器的参考电位（7V）。实际上，电弧在故障相电压为0时发生重燃的概率极小，故这种情况可忽略不计。且不管电弧在何时重燃，非故障相上的过电压均为1.5p.u.以上。因此，只要故障相的计数器高位输出高电平，三相计数器高位输出进行与运算后仍为高电平，三极管导通，驱动继电器闭合，消弧线圈投入运行。当接地故障消失后，零序动作开关J3断开，同时，J1断开，J5闭合，计数器CLR端接低电平清零，输出为0000，继电器断开，消弧线圈退出运行。

由弧光接地过电压产生原理，以及故障相上的过电压可知，在电弧熄灭期间，故障相弧光接地过电压与正常运行相电压成比例放大关系，即也是正弦波，且频率为50HZ，在电弧燃烧时刻，故障相电压几乎为0。因此，可以用幅值为正常运行相电压1.4倍，频率为50HZ的正弦电压，作为装置的电源输入来定性模拟系统发生间歇性电弧接地时，装置所采集的电压信号。仿真结果如图12所示。

由图12可知，系统发生间歇性电弧接地时，故障相电压经一系列降压、放大、整流后，其幅值大于电压比较器的参考电位，比较器输出一串电压脉冲，当计数器接收到8个上升沿脉冲后，高位输出高电平，三极管导通，继电器闭合，为一正弦波，即表示消弧线圈已投入运行。假设4个工频周期后，接地故障消失，同时跳开零序电压开关J3和计数器清零端控制开关J1，闭合J5，继电器清零，=0，即消弧线圈退出运行。

系统发生间歇性电弧接地时，不管电弧在何时重燃，非故障相上的过电压均大于1.5p.u.。仿真结果表明，非故障相过电压近似于正弦波，且B相幅值电压比C相大，故只要仿真确定C相电压能否使电压比较器输出脉冲电压波形即可。用频率为50HZ，幅值为87V的正弦波来模拟C相过电压经PT降压后的波形。仿真结果如图13所示。

由图13可知，发生单相间歇性电弧接地时，非故障相电压也会使装置做出消弧线圈投入决策，当故障消失后，消弧线圈退出运行。

因此，当系统发生弧光接地时，三相电压均可使电压比较器输出一串脉冲波形，既而使计数器高位输出高电平，通过三输入与门进行与运算后输出仍为高电平，将该高电平送至三极管基极，控制继电器闭合，消弧线圈投入运行。故障消失后，消弧线圈退出运行。

Claims (6)

1.一种35kV配网单相接地故障类型判断装置，其特征在于，包括三个结构相同的判断单元，所述判断单元包括与所述35kV配网的电压互感器连接的信号采集模块，所述信号采集模块与整流模块连接，所述整流模块输出端与电压比较器同相端连接，所述电压比较器输出端接入计数器；所述三个判断单元的三个计数器最高位输出端均与一个三输入与门的输入端连接，所述三输入与门的输出端与电流放大器件的第一极连接，所述电流放大器件的第二极接直流电源，所述电流放大器件的第三极与继电器的线包串联后接地，所述继电器的触点与所述35kV配网的消弧线圈连接；所述信号采集模块与所述整流模块之间接有滤波模块；所述滤波模块为带通滤波器，所述带通滤波器包括二阶低通滤波器和与所述二阶低通滤波器连接的高通滤波器；所述整流模块包括两个运算放大器、一个由两个二极管串联组成的二极管支路，第一运算放大器负输入端通过第一电阻与所述带通滤波器输出端连接，所述第一运算放大器正输入端接地；所述第一运算放大器输出端接入所述二极管支路的两个二极管之间；所述二极管支路的一端接入第六电阻和第五电阻之间，所述二极管支路的另一端接入第七电阻和第十四电阻之间；所述第六电阻与所述第七电阻连接；所述第五电阻、第十四电阻分别接入第二运算放大器的负输入端和正输入端；所述第二运算放大器输出端通过第十六电阻与所述第二运算放大器负输入端连接；所述带通滤波器通带频率范围为45～64HZ。

2.根据权利要求1所述的35kV配网单相接地故障类型判断装置，其特征在于，所述信号采集模块包括变压器，所述变压器的一次侧和二次侧各并联有一个瞬态电压抑制器；所述变压器一次侧与所述35kV配网的电压互感器二次侧连接。

3.根据权利要求2所述的35kV配网单相接地故障类型判断装置，其特征在于，所述变压器的变比为20:1。

4.根据权利要求1所述的35kV配网单相接地故障类型判断装置，其特征在于，所述二阶低通滤波器的截止频率为f_c2＝64HZ；所述高通滤波器的截止频率为f_c1＝45HZ。

5.根据权利要求1所述的35kV配网单相接地故障类型判断装置，其特征在于，所述电压比较器正输入端与所述第二运算放大器输出端连接，所述电压比较器负输入端与一个可调电阻连接，所述可调电阻一端接电源，所述可调电阻另一端接地；所述电压比较器输出端通过一个上拉电阻与所述电压比较器的电源正输入端连接。

6.根据权利要求5所述的35kV配网单相接地故障类型判断装置，其特征在于，所述计数器最高位输出端和次高位输出端分别接入与非门的两个输入端，所述与非门的输出端与三极管的基极连接，所述三极管的集电极接电源，所述三极管的发射极通过一个电阻接地；所述计数器的计数控制端接入所述三极管的发射极与所述电阻之间。