CN106093714A - 小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法 - Google Patents

Abstract

一种小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，属于电力线缆故障在线监测领域。包括小电流接地方式的同一母线下的多条电缆，其特征在于：通过高速采集的方法，监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各条电缆出线金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，通过识别暂态电流信号的波头方向，选择故障线路。本方法对比所有电缆的接地线电流行波的波头方向，区分故障电缆与非故障电缆，与现有其他的小电流接地选线方法相比，选线准确性高，并且能有效避免多选或漏报的情况。

Description

小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法

技术领域

本发明属于电力线缆故障在线监测领域，具体说是一种小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法。

背景技术

我国大多数配电网均采用中性点不直接接地系统(NUGS)，即小电流接地系统，它包括中性点不接地系统(NUS)和中性点经消弧线圈接地系统(NES，也称谐振接地系统)。故障时，由于三个线电压仍然对称，特别是NES，流过接地点的电流很小，不影响对负荷连续供电，仍可继续运行0.5～2h。但小电流接地系统在单相接地时，非故障相电压会升为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接地，形成两点接地故障，引起系统过电压，影响系统的安全。

我国早期生产的故障选线装置基本都是利用稳态信号的，因此从原理上就存在灵敏度与可靠性没有保证的问题。在我国，小电流接地故障的选线是公认的老大难问题，大部分变电站选线装置动作的正确率不到50％。

在实际应用中，针对电力电缆单相接地故障的特点，常采用以下几种方法实现电缆故障选线：零序无功功率法、中电阻法、五次谐波法、小波法、s注入法等几种方法，都有各自的优缺点和适用的具体情况。下面就几种方法做一简介：

零序无功功率法

零序无功功率法的原理与实现方式都比较简单，但只能用于不接地系统中。

中国专利01145539.X公开了一种电力系统小电流接地故障选线、分段方法，通过各种在线监测装置进行故障选线并确定故障区段，其特征在于：同时利用故障产生的暂态零序电压和暂态零序电流有关信息作为故障选线、分段依据，以故障产生的暂态零序电压、暂态零序电流中具有容性约束关系的分量作为判断依据，根据暂态信号中无功功率及方向确定故障线路和区段，本方法可以适用于中性点不接地、消弧线圈接地、高阻接地系统，不受闪弧故障的影响，且故障选线时不需要其他线路故障信息，具有自具特点。

其存在的不足是，1、采集数据精度低，需要大量计算，处理数据繁琐；2、采集零序电流计算无功功率确定故障线路，但是无法确定故障线缆；3、确定故障线路后，无法故障点测距。

中电阻法

中电阻法能够克服消弧线圈的影响，原理比较简单，但需要在变电站安装中电阻及其投切设备，适合在变电站安装消弧线圈时一并选用。此外，中电阻法还存在电阻发热烧毁、接地电流增大带来的安全隐患；如采用短时投电阻的方法，还存在无法选择瞬时性故障线路的问题。

五次谐波法

电力系统由于变压器、线路设备等的非线性影响,线路电流中存在着谐波分量,其中五次谐波含量最大,发生单相接地故障时,谐波分量还会有一定程度增加。从过渡电阻的非线性可知故障点本身就是一个谐波源(金属性接地是经电阻接地发展而来的),且以基波和奇次谐波为主。NES中的消弧线圈是按照基波整定的，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，零序电流五次谐波分量在NES中有着与NUS中零序电流基波相同的特点,即可解决小电流接地系统的选线问题。但负荷中的五次谐波源、CT不平衡电流和过渡电阻大小,均会影响选线精度。

五次谐波法的一个严重不足是故障电流中五次谐波含量仅占基波的10％左右,在经过渡电阻接地的情况下数值就会更小,易造成误判。

小波法

小波分析可对信号进行精确分析,特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感,能可靠地提取出故障特征。根据小波变换的模极大值理论可知,出现故障和噪声会导致信号奇异,而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点,由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减,所以经过适当的尺度分解后,即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号。小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和,利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，构造出利用暂态信号的选线判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的,可能出现暂态分量小于稳态分量的情况,这时就应对母线零序电压和各出线零序电流进行基波的小波系数提取,然后类似地构造选线判据。

小波法的缺点是暂态分量只在接地后的首半波出现,无法重现,而且受过渡电阻的影响较大。

S注入法

S注入法选线原理是小电流接地系统单相接地选线问题的一个突破，它没有利用小电流接地系统单相接地的故障量，而是利用单相接地时原边被短接，暂时处于不工作状态的接地相PT人为向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理即通过检测、跟踪该信号电流的通路来实现接地故障选线。

S注入法的特点如下：通过接地时暂时处于空闲的接地相PT注入信号，毋需增加任何一次设备，不会对运行设备产生任何不良影响；注入信号具有不同于系统中任何一种固有信号的特征，对它的检测不受系统运行情况影响；注入的信号电流仅在接地线路接地相流通，不会流向系统其它部位；采用S注入法原理制成的装置接线简单，只接5根线，拉1条电缆即可，而用零序电流法的选线保护，要每1条出线加1只电流互感器(CT)和拉1条电缆。

如果各出线对地电容相差很大，注入的信号与故障线路的信号可能相差无几。如在无人值班变电所采用自动选线的方案，由于各线路信号探测器的灵敏度并不一致，将会给正确选线带来困难。因此安装信号注入装置不是很方便。

综上所述，对于小电流系统的电力电缆单相接地故障，现有的选线方法都有各自的局限性。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种方法，实现小电流系统中电缆发生单相接地故障时的故障线路准确选线。

本方法的解决方案是：小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，包括小电流接地方式的同一母线下的多条电缆，其特征在于：通过高速采集的方法，监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各条电缆出线金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，通过识别暂态电流信号的波头方向，选择故障线路。

小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，与现有的小电流故障选线方法相比，将有效的提高小电流接地选线准确性，避免多选或漏报。

其中优选方案是：

所述的监测和记录方法，是利用若干个高速小电流接地选线装置的电流传感器，对变电站本段母线下的每条电缆出线的金属屏蔽层接地线的接地电流信号进行实时在线采集和记录。

所述的识别暂态电流信号的波头方向，选择故障线路，是指小电流接地系统单相接地故障发生时，流经故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向与非故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向相反，通过在若干接地电流信号波形中选择其中一个波形与其他波形相反的接地电流信号，从而确定该相反的接地电流信号所在的线路为故障线路。

所述的监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各条电缆出线金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，是指通过时间同步的方法来提取同一时间点的各个高速小电流接地选线装置采集和存储的暂态电流信号。

所述的高速小电流接地选线装置包括电路连接的电流传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、时钟解码、FPGA、动态存储器和处理器，处理器的通讯端通过以太网芯片连接上位机，多台高速小电流接地选线装置的电流传感器同名端一致，安装方法一致。

所述的对变电站本段母线下的每条电缆出线的金属屏蔽层接地线的接地电流信号进行实时在线采集，采集的截止频率不低于1MHz。

所述的时间同步的同步精确度为≤10ns。

所述的时间同步的方法为上位机时钟同步。根据需要，也可以是卫星时钟同步。

本发明小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法所具有的有益效果是：经研究和实验发现，在电力电缆发生单相接地故障时，故障电缆接地线电流方向与非故障电缆的接地线电流方向相反，从而利用高速采集和利用时间同步方法，对发生故障时刻故障线所在的母线段下的所有电缆回路，进行接地线电流暂态行波的采集，并利用上述原理对故障线路进行选线。本方法对比所有电缆的接地线电流行波的波头方向，区分故障电缆与非故障电缆，方法准确可靠。具体上：

1、相较于其他故障选线方法只有50-60％的准确率，本发明可以提高的90％的准确率；

2、不受电网中设备投切、电缆投合闸操作等非故障线路影响，应用工况好；

3、安装方便，不接入电网，无干扰；

4、分布式安装，容易改变位置，配置灵活；

5、上位机后台存储历史数据，可以优化后续增设的前端采样装置参数。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为本发明的高速小电流接地选线装置的原理方框图；

图3为本发明的高速小电流接地选线装置实测波形图；

图4为本发明的实测三支路上位机选线界面波形图；

图5为本发明的实测多支路上位机选线界面波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，小电流接地方式的同一母线下的多条电缆，通过利用若干个高速小电流接地选线装置高速采集的方法，监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各个回路金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，通过识别暂态电流信号的波头方向，来自动选择故障线路。

小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，与现有的小电流故障选线方法相比，将有效的提高小电流接地选线准确性，避免多选或漏报。

监测和记录方法，是利用若干个高速小电流接地选线装置的电流传感器，对变电站本段母线下的每条电缆出线的金属屏蔽层接地线的接地电流信号进行实时在线采集和记录。

识别暂态电流信号的波头方向，选择故障线路，是指小电流接地系统单相接地故障发生时，流经故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向与非故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向相反，通过在若干接地电流信号波形中选择其中一个波形与其他波形相反的接地电流信号，从而确定该相反的接地电流信号所在的线路为故障线路。

监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各条电缆出线金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，是指通过时间同步的方法来提取同一时间点的各个高速小电流接地选线装置采集和存储的暂态电流信号。

如图2所示，高速小电流接地选线装置包括电路连接的电流传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、时钟解码、FPGA、动态存储器和处理器，处理器的通讯端通过以太网芯片连接上位机，多台高速小电流接地选线装置的电流传感器同名端一致，安装方法一致。

对变电站本段母线下的每条电缆出线的金属屏蔽层接地线的接地电流信号进行实时在线采集，采集的截止频率不低于1MHz。

时间同步的同步精确度为≤10ns。

时间同步的方法为上位机时钟同步。通过上位机发出上传数据命令，各个高速小电流接地选线装置根据上位机发出的命令，上传同一时间段或者同一时刻的数据。

实施例2：

在实施例1的基础上，时间同步的方法为卫星时钟同步。适用于多个无线连接的高速小电流接地选线装置。在多层级多条母线多条出线的情况下，组成复杂监测网络，通过若干无线装置连接一个上位机，利用卫星时钟同步方式采集各个高速小电流接地选线装置同一时间段或者同一时刻的数据。

实施例3：

在实施例1的基础上，采用卫星时钟同步方法，上位机对接收到的故障线路的波形与相邻正常线路的波形进行比对，测量反射波，实现故障点测距。

实验表明，如图3所示，高速小电流接地选线装置实测波形图。采集的暂态电流信号是叠加在工频信号上的一个很短时间的信号。通过上位机对其中的暂态毛刺部分展开处理以后能分析波形方向。

如图4所示，对暂态电流信号处理后，同一母线下的3条电缆，明显产生负增益的波形为高速小电流接地选线装置所在的故障电缆，对应找到该故障电缆。

如图5所示，对暂态电流信号处理后，同一母线下的11条电缆，明显产生负增益的波形为高速小电流接地选线装置所在的故障电缆，对应找到该故障电缆。

Claims (9)

1.小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，包括小电流接地方式的同一母线下的多条电缆，其特征在于：通过高速采集的方法，监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各条电缆出线金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，通过识别暂态电流信号的波头方向，选择故障线路。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的监测和记录方法，是利用若干个高速小电流接地选线装置的电流传感器，对变电站本段母线下的每条电缆出线的金属屏蔽层接地线的接地电流信号进行实时在线采集和记录。

3.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的识别暂态电流信号的波头方向，选择故障线路，是指小电流接地系统单相接地故障发生时，流经故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向与非故障电缆金属屏蔽层的接地电流信号方向相反，通过在若干接地电流信号波形中选择其中一个波形与其他波形相反的接地电流信号，从而确定该相反的接地电流信号所在的线路为故障线路。

4.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的监测和记录小电流接地系统单相接地故障发生时故障回路产生的流经各条电缆出线金属屏蔽层接地线的暂态电流信号，是指通过时间同步的方法来提取同一时间点的各个高速小电流接地选线装置采集和存储的暂态电流信号。

5.根据权利要求2或4所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的高速小电流接地选线装置包括电路连接的电流传感器、信号调理器、高速A/D转换器、高速比较器、时钟解码、FPGA、动态存储器和处理器，处理器的通讯端通过以太网芯片连接上位机，多台高速小电流接地选线装置的电流传感器同名端一致，安装方法一致。

6.根据权利要求2所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的对变电站本段母线下的每条电缆出线的金属屏蔽层接地线的接地电流信号进行实时在线采集，采集的截止频率不低于1MHz。

7.根据权利要求4所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的时间同步的同步精确度为≤10ns。

8.根据权利要求7所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的时间同步的方法为上位机时钟同步。

9.根据权利要求7所述的小电流接地系统单相接地故障线路的选线方法，其特征在于：所述的时间同步的方法为卫星时钟同步。