CN110231540B - 一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其能满足伪双极直流输配电系统正常工作情况下的至少千伏级的直流线路电压测量，采用分时采样的方法，可以达到稳定输出、准确度较高的、可靠性较好的、能够自动校准的直流高电压测量的效果，保证了测量系统的长期准确度稳定性。同时，本发明在直流线路发生单极接地故障时，能够实现量程的自动切换，从而可以准确测量接地故障点到测量点处最多为百伏级的残余电压，并且进一步根据测量结果判断测量点之间有无分流支路，并在对应情况下定位接地故障点位置。

Description

一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统

技术领域

本发明属于电气工程、仪器科学与技术领域，具体是一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统。

背景技术

在直流输配电系统中，主要包括交流系统、换流站和直流输电线三个部分。其中根据换流站是直流输配电系统中最主要的部分，目前常见的直流换流站电气主接线方案主要包括双极对称接线方案和单极对称接线方案。双极对称接线又称真双极，由于其造价较高、接地极占地面积较大且换流变压器需要承受大小为直流极线电压一半的直流偏置，所以在现有的直流输配电系统中使用较少。单极对称接线又称伪双极，是目前直流输配电系统最常见的接线方案，采用6脉动桥结构，在交流侧或直流侧采用合适的接地装置钳制住中性点电位，正常工作情况时，两条直流极线的电位为对称的正负电位，两条直流极线负荷电流也为对称的正负电流；这种接线方案结构简单，在正常运行时换流变压器承受正常的交流电压，设备制造容易。

直流输配电系统的电能质量与线路电压的电压平衡、电压波动、电压暂降等有关，电能计费和系统的电流电压测量，因此尽可能准确测量直流输配电线路的电压和电流，对直流输配电系统的电能质量评价和用电计费至关重要。

直流输配电线路发生直流侧单极接地故障，接地方式会直接影响故障电路的特性。在伪双极接线的直流输配电系统中，这种接线方式需要一个接地点作为零电位，接地方式分为交流侧接地和直流侧接地两种，其中交流侧接地是利用阀侧换流变压器中性点经过电阻接地，或者通过星型电抗器后经电阻接地，直流侧接地是在直流侧用钳位电阻接地，伪双极一般采用交流侧接地。伪双极工作方式下，当直流侧线路发生单极接地故障并达到稳态后，这三种接地方式的共同特点是：故障电流没有对地回路，直流线路电流均值仍然为额定值，即与正常工作情况下一致；接地故障仅导致系统零电位点转移，由原接地点转移至故障点，因此发生单极接地故障的故障点电压变为0V，故障极对地电压绝对值大幅度减小，非接地极的对地电压变为原来的两倍，但两极之间的电压差不变。由此可见，伪双极直流输配电系统发生单极接地故障时，由于两极之间压差不变、极线上负荷电流不变，系统仍能正常地保持运行进行功率传输。但是，此时非接地极直流电压和换流站交流出口侧电压的迅速增大，长期运行会导致绝缘损坏并引发严重的极间短路；并且，在已经发生单点接地故障的情况下，如果再有第二点或多点接地，不论是否在故障极，都可能会造成直流系统保护、开关误动或拒动，严重时可能导致直流系统崩溃。因此，在直流输配电系统直流侧线路发生单极接地故障时，直流系统不允许长时间运行，需要快速找到故障点并排除单极接地故障。

综上所述，对直流输配电系统来说，尽可能准确测量直流输配电线路电压和电流，对评价直流输配电系统的电能质量和实现用电计费至关重要；同时，检测直流输配电线路单极接地故障的故障极并定位接地故障点，对避免故障影响的进一步扩大十分重要。根据伪双极直流输配电系统的正常运行情况下和单极接地故障发生时的电压电流特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其适合工程实际的、能够同时满足伪双极直流输配电系统直流侧输电线路电压电流测量精度和单极故障定位的精度要求。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，该系统由多个电压和电流测量系统构成，每个测量系统均包括直流电压测量前端、电流互感器、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、开关控制电路以及通讯显示电路；其中，

直流电压测量前端和电流互感器用于分别对直流线路上的电压、电流进行测量，且电压测量前端能够在不同测量情况下根据微处理器控制进行分档测量；信号调理电路用于将来自直流电压测量前端和电流互感器的信号调理为信号采集电路可识别信号；微处理器接收来自信号采集电路的信号，并对直流线路运行情况进行分析及输出开关控制信号，实现直流电压测量前端的自校准和直流线路的接地故障检测；通讯显示电路用于数据传输及组网；使用时，每间隔设定距离，直流线路上安装一套电压和电流测量系统，当正极、或者负极出现接地故障，利用直流线路中的大电流在导线上形成的电压，进而根据所测得的每极的对地电压和电流来精确定位单极接地故障的发生位置。

本发明进一步的改进在于，测量系统中的直流电压测量前端包括两个结构相同的电压测量前端，分别完成直流线路的正极和负极电压测量，每个直流电压测量前端由依次串联的高压臂电阻R_H和低压臂精密电阻R_N-1、R_N的电阻分压器，以及分别并联在高压臂电阻R_H和低压臂电阻R_N-1上的电子开关K_H和K_N-1组成。

本发明进一步的改进在于，测量系统中直流电压测量前端能够通过切换电子开关K_N-1的通断，分时对低压电阻臂电阻R_N上的输出电压采样以实现电阻分压器高压臂电阻阻值的自校正；该直流电压测量前端通过控制电子开关K_H的通断，在常规直流高电压测量时和单极故障接地故障定位时实现量程的自动切换。

本发明进一步的改进在于，测量系统中的直流电压测量前端的电子开关K_H和K_N-1满足漏电流小于1微安、响应时间小于0.1毫秒以及导通电阻小于1欧姆的要求；其中电子开关K_H耐受电压满足待测直流输配电系统的电压测量等级要求，或者是继电器或场效应管；电子开关K_N-1耐受电压在200V以上，或者是继电器和场效应管。

本发明进一步的改进在于，测量系统中直流电压测量前端的电阻分压器的高压臂电阻R_H、低压臂精密电阻R_N-1和精密电阻R_N的阻值由待测电压的电压等级以及待测输电线路的负荷电流大小决定，保证电阻分压器串联电路的电流为10微安至1毫安之间，以及伪双极直流输配电线路正常工作时和单极故障定位时低压臂R_N上的输出电压绝对值范围始终为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级确定，且优于0.01％，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

本发明进一步的改进在于，每个测量系统的信号调理电路包括能够完成分别来自两个电压测量前端和直流电流互感器的信号调理电路；信号采集电路至少具有同步采样4路信号的能力，且实际有效分辨率不低于12位；微处理器接收到信号采集电路同步采样的多路数据，根据各路数据判断直流输配电线路的工作状况，并进一步控制电压测量前端的电子开关K_H或K_N-1的通断，以实现电阻分压器的高压臂电阻阻值的校准、常规情况下的电压电流测量或者直流侧线路发生单极接地故障时的故障定位。

本发明进一步的改进在于，测量系统中直流电压测量前端的电阻分压器高压臂电阻的阻值自校正按如下方式进行，期间保持电子开关K_H断开；

(4)电子开关K_N-1关断时，由电阻分压原理得到低压臂输出电压V_N

式中，V_H表示高压臂电压值，k_N1表示电子开关K_N-1关断时的电阻分压器标称分压比；

(5)电子开关K_N-1导通时，由电阻分压原理得到低压臂输出电压V_N′

式中，k_N2表示电子开关K_N-1导通时的电阻分压器标称分压比；

(6)由式(1)和式(2)计算可得高压臂电压校准值R_H和待测直流高电压值V_H分别为

本发明进一步的改进在于，在常规测量电压电流测量时和单极接地故障定位时的量程自动切换按如下方式进行：

(5)直流输配电系统正常工作时，电子开关K_H关断，直流输配电线路电压和电流正常测量，测量范围均为额定值的2倍，在线路电压稳定时进行电压测量前端的电阻分压器高压臂阻值的自校正；

(6)伪双极直流输配电线路发生单极接地故障时，接地点由系统原接地点变为发生接地故障的故障点，当发生正极线路发生接地故障时，正极接地故障点的电压由V_Hp迅速降低为0或近似为0，负极电压由V_Hn迅速升高为2V_Hn，线路负荷电流不变，此时，测量点测得的正极线路对地电压大幅下降，当测量点测得的电压V_m满足关系

|V_m|≤|R_u×L×I_m| (5)

式中，R_u表示线路单位长度的直流电阻，在稳态时的直流系统中实际线路阻抗等于线路的直流电阻；L表示该测量点与其相邻两测量点之间距离最远值；I_m分别表示该测得的负荷电流值；

此时，位于该测量点的测量系统报告故障发生及故障极，并将测量系统中正极电压测量前端的高压臂电阻并联电子开关K_H接通，以减小正极电压测量电路的电阻，提高信噪比，然后测出此时的故障极即正极电压V_m′；

(7)由于输电线路存在电阻，发生单极接地故障并达到稳态后，接地故障点的直流电压为0，故障极线路负荷电流流过输电线时将在接地故障点和测量点之间产生残余直流电压V_ci：

V_ci＝R_si×I_i (6)

式中，V_ci和I_i分别表示第i测量点测得的故障极残余直流电压和及其对应负荷电流，且式中均取绝对值计算，电流流向接地故障点时测量点测得的电压为正值，反之为负值；R_si表示接地故障点到第i测量点的线路电阻，在稳态时的直流系统中实际线路阻抗等于线路的直流电阻；

进一步，可得发生单极接地故障的故障点与第i测量点的距离s_i：

s_i＝R_si/R_u (7)

式中，R_u表示线路单位长度的直流电阻；

(8)当伪双极直流输配电系统直流侧线路上有多个测量系统时，根据多个测量点测量结果得到的直流线路发生单极接地故障时故障点与测量点的距离s₁、s₂、…、s_n，如果其中测得的电压绝对值最小的两个测量点分别为第a和第b个，b＝a+1，且这两个测量点测得的故障极线路负荷电流相等即I_a＝I_b，则可由测得的距离s_a和s_b，及已知的第a和第b个电压测量点之间的距离L_ab，那么按照式(8a)和式(8b)确定接地故障点的位置s′_a和s′_b

s′_a＝s_a×L_ab/(s_a+s_b) (8a)

s′_b＝s_b×L_ab/(s_a+s_b) (8b)

如果出现b>a+1，则说明第a和第b个测量点之间的其他测量点的测量系统可能已经失效，因此在排除单极接地故障时，对相应测量点的测量系统进行检修；

当第a和第b个测量点测得的故障极负荷电流不一致时，即I_a≠I_b时，可判断这两个测量点之间存在分流支路，此时按照式(6)、式(7)、式(8a)和式(8b)得到的接地故障点的位置将会偏离实际故障点，因此按照式(10a)和式(10b)估算故障点的位置范围s′_a和s′_b：

本发明至少具有以下有益的技术效果：

在伪双极直流输配电系统单极接地故障定位中，本发明在电压测量前端的分压器低压臂串联有精密电阻、并联有电子开关，可实现电阻分压器高压臂电阻阻值的自校正，减小在使用分压法测量电压时因分压电阻、绝缘材料等的参数变化以及外界环境因素等干扰引起的测量误差，保证了测量系统的长期准确度稳定性；本发明在电压测量前端的电阻分压器高压臂上并联有电子开关，能在不同量程下实现直流输配电线路电压的常规电压测量(kV级)和线路发生单极接地故障时的用于故障定位的残余电压测量(V级)，不同量程的切换使得系统在两种电压等级相差较大的情况下也能分别获得较高的测量精度；同时，结合本发明提出的测量系统，给出了伪双极直流输配电线路在无分流支路和有分流支路两种情况下的单极接地故障定位方法。本发明提供了一种稳定的、适合工程实际的、具有较高准确度等级的用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统。

附图说明

图1为伪双极直流输配电系统接地方式，图1(a)为交流侧利用阀侧换流变压器中性点经过大电阻接地；图1(b)为交流侧通过星型电抗器后经电阻接地；图1(c)为直流侧用钳位电阻接地。

图2为伪双极直流输配电系统单极接地故障示意图(正极故障)。

图3为正极线路发生单极接地故障后线路示意图，图3(a)为无分流支路；图3(b)为有分流支路。

图4用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位的测量系统安装方式及其结构示意图。

图5基于直流电阻分压器的电压测量前端结构示意图。

具体实施方式

本发明将结合附图和实施例进一步说明和论述。

本发明提出一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统。该系统构成的测量系统结构示意图及其在直流线路中的安装方式如图4所示，每套测量系统包括两个直流电压测量前端、直流电流互感器、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、开关控制电路以及通讯显示电路。其中，直流电压测量前端和电流互感器对直流线路上的电压、电流进行测量，其中电压测量前端可在不同测量情况下根据微处理器控制进行分档测量；信号调理电路将来自直流电压测量前端和电流互感器的信号调理为信号采集电路可识别信号；微处理器接收来自信号采集电路的信号，并对直流线路运行情况进行分析及输出开关控制信号，实现直流电压测量前端的自校准和直流线路的接地故障检测。通讯电路用于数据传输及组网。使用时。每间隔设定距离，线路上安装一套这样的测量系统，当正极、或者负极出现接地故障时，利用线路中的大电流在导线上形成的电压，根据所测得的极地之间的电压和电流来精确确定单极接地故障的发生位置。

伪双极直流输配电系统按照图1所示采用交流侧或直流侧接地方式接地，正常工作时两极线路电压大小相等、方向相反，线路负荷电流大小相等、方向相反；此时需要尽可能准确的进行线路电压、电流的测量，以实现电能计费和电能直流监测。当直流输配电线路发生单极接地故障时，例如发生如图2所示的正极接地故障时，线路负荷电流在短时波动后稳定在正常工作情况下的电流水平，线路发生接地故障的一极对地大幅变化趋近于地电位，接地故障点的直流电压变为0，非接地极对地电压变为原来的两倍。此时虽然直流输配电系统能够继续运行，但是由于非接地极直流电压和换流站交流出口侧电压的迅速增大，长期运行会导致绝缘损坏并引发严重的极间短路；并且，在已经发生单点接地故障的情况下，如果再有第二点或多点接地，不论是否在故障极，都可能会造成直流系统保护、开关误动或拒动，严重时可能导致直流系统崩溃。因此需要快速找到并排除单极接地故障。

根据上述说明可知，测量系统中的电流测量前端的电流测量范围在直流输配电线路的额定值附近即可，因此可以是任何满足电流测量准确度等级要求的直流电流互感器。直流电压测量前端需要完成直流输配电系统正常工作情况下的至少千伏级的直流线路电压测量，以及直流侧线路发生单极接地故障时，用于接地故障点定位的故障极测量点处最多为百伏级的残余电压测量，为满足两种情况下的测量精度要求，本发明中采用如图5所示的基于电阻分压器的电压测量前端，以实现不同情况下的量程自动切换。另外，在高压情况下的高压臂电晕放电、电阻分压器绝缘泄漏，环境参数(如温度、湿度、测量系统附近的物体)等，都会引起电阻分压器的高压臂阻值变化，图5所示的基于电阻分压器的电压测量前端能够对高压臂电阻的阻值进行校正，从而实现输出稳定、准确度高和可靠性好的直流高电压测量。

如图4所示的两个直流电压测量前端结构相同，分别完成直流输配电线路的正极和负极电压测量。单个电压测量前端结构如图5所示，由串联了高压臂电阻R_H和低压臂精密电阻R_N-1、R_N的电阻分压器以及分别并联在高压臂电阻R_H和低压臂电阻R_N-1上的电子开关K_H和K_N-1组成。电阻分压器的高压臂电阻R_H、低压臂精密电阻R_N-1和精密电阻R_N的阻值由待测电压的电压等级以及待测输电线路的负荷电流大小决定，尽可能保证电阻分压器串联电路的电流在10微安至1毫安之间，以及伪双级直流输配电线路正常工作时和单极故障定位时低压臂R_N上的输出电压绝对值范围始终为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级确定，要优于0.01％，电阻均为低温漂电阻，要求温度漂移小于1ppm/℃。

该电压测量前端可通过切换电子开关K_N-1的通断，分时对低压电阻臂电阻R_N上的输出电压采样以实现电阻分压器高压臂电阻阻值的自校正。该电压测量前端通过控制电子开关K_H的通断，在常规直流高电压测量时和单极故障接地故障定位时实现量程的自动切换。电压测量前端的电子开关K_H和K_N-1须满足漏电流小于1微安、响应时间小于0.1毫秒、导通电阻小于1欧姆的要求。根据不同安装位置，电子开关K_H耐受电压须满足待测直流输配电系统的电压测量等级要求，可以是继电器或场效应管；电子开关K_N-1耐受电压须在200V以上，可以是继电器和场效应管。

图4所示的信号调理电路包括多个模块，能够完成分别来自两个直流电压测量前端和直流电流互感器的信号调理。同样，信号采集电路必须至少具有同步采样4路信号的能力，且实际有效分辨率不低于12位。相应微处理器能接收到信号采集电路同步采样的多路数据，根据各路数据判断直流输配电线路的工作状况，并进一步控制电压测量前端的电子开关K_H或K_N-1的通断，以实现电阻分压器的高压臂电阻阻值的校准或者常规情况电压电流测量和单极接地故障定位测量时的量程切换；因此微处理器须具有一定的处理和响应速度，满足测量系统响应时间要求且与信号采集元件速度匹配；微处理器可以是单片机、DSP、嵌入式系统或者普通工控机等。

所述测量系统中直流电压测量前端的电阻分压器高压臂电阻的阻值自校正按如下方式进行，期间始终保持电子开关K_H断开：

(1)电子开关K_N-1关断时，由电阻分压原理得到低压臂输出电压V_N

式中，V_H表示高压臂电压值，k_N1表示电子开关K_N-1关断时的电阻分压器标称分压比。

(2)电子开关K_N-1导通时，由电阻分压原理得到低压臂输出电压V_N′

式中，k_N2表示电子开关K_N-1导通时的电阻分压器标称分压比。

(3)由式(1)和式(2)计算可得高压臂电压校准值R_H和待测直流高电压值V_H分别为

本发明提出的用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，在常规直流电压电流测量时和单极接地故障定位时的量程自动切换与定位计算，按如下方式进行：

(1)直流输配电系统正常工作时，电子开关K_H关断，直流输配电线路上的电压和电流正常测量，可测量范围均为额定值2倍，并可按照前述方式在线路电压稳定时进行电压测量前端的电阻分压器高压臂阻值的自校正。

(2)伪双极直流输配电线路发生单极接地故障时，接地点由系统原接地点变为发生接地故障的故障点，例如正极线路发生接地故障，正极接地故障点电压由V_Hp迅速降低为0或近似为0，负极电压由V_Hn迅速变为2V_Hn，线路负荷电流不变，此时，测量点测得的正极线路对地电压大幅下降，当测量点测得的电压V_m满足关系

|V_m|≤|R_u×L×I_m| (5)

式中，R_u表示线路单位长度的直流电阻，在稳态时的直流系统中实际线路阻抗等于线路的直流电阻；L表示该测量点与其相邻两测量点之间距离最远值；I_m分别表示该测得的负荷电流值。

此时，位于该测量点的测量系统报告故障发生及故障极，并将测量系统中正极电压测量前端的高压臂电阻并联电子开关K_H接通，以减小正极电压测量电路的电阻，提高信噪比，然后测出此时故障极(正极)电压V_m′。

(3)由于输电线路存在电阻，发生单极接地故障且达到稳态后，接地故障点的直流电压为0，故障极线路负荷电流流过输电线路时将在故障点和测量点之间产生残余直流电压V_ci(V级)：

V_ci＝R_si×I_i (6)

式中，V_ci和I_i分别表示第i测量点测得的故障极残余直流电压和及其对应负荷电流(式中均取绝对值计算)，电流流向接地故障点时测量点测得的电压为正值，反之为负值；R_si表示接地故障点到第i测量点的线路电阻，在稳态时的直流系统中实际线路阻抗等于线路的直流电阻。

进一步，可得发生单极接地故障的故障点与第i个测量点的距离s_i：

s_i＝R_si/R_u (7)

式中，R_u表示线路单位长度的直流电阻；

(4)当伪双级直流输配电系统直流侧线路上有多个本发明中提出的测量系统时，根据多个测量点测量结果得到的线路发生单极接地故障时故障点与测量点的距离s₁、s₂、…、s_n，如果其中测得的电压绝对值最小的两个测量点分别为第a和第b个(且b＝a+1)，且这两个测量点测得的故障极线路电流相等(即I_a＝I_b)，则可由测得的距离分别为s_a和s_b；及已知的第a和第b个电压监测点之间的距离L_ab，按式(8a)和式(8b)确定接地故障点的位置：

s′_a＝s_a×L_ab/(s_a+s_b) (8a)

s′_b＝s_b×L_ab/(s_a+s_b) (8b)

如果出现b>a+1，则说明第a和第b个测量点之间的其他测量点可能已经失效，因此在排除单极接地故障时，需对相应测量点的测量系统进行检修。

当第a和第b个测量点测得的故障极负荷电流不一致时，即I_a≠I_b，可判断这两个测量点之间存在分流支路，此时按照式(6)、式(7)、式(8a)和式(8b)得到的接地故障点的位置将会偏离实际故障点。因此，在检测到I_a≠I_b，可按如下方式重新定位故障点：

①若已知两测量点与故障点之间的分流支路分别为X和Y个，设第a个测量点与故障点之间的第x条分流支路为LA_x，第b个测量点与故障点之间的第y条分流支路为LB_y，式(6)和式(7)重新表示为式(9a)和式(9b)所示

式中，V_ca、V_cb和I_a、I_b分别表示第a和第b个测量点测得的故障极残余直流电压和及其对应负荷电流(式中均取绝对值计算)，当I_a>I_b时，式(9a)取加号，式(9b)取减号，；R_u表示稳态时线路单位长度的直流电阻；s_a和s_b分别表示第a和第b个测量点与接地故障点之间的距离；I_LAx和s_LAx分别表示第a个测量点与故障点之间的第x条(x＝1,2,…,X)分流支路的电流和该分流点到测量点之间的距离；I_LBy和s_LBy分别表示第b个测量点与故障点之间的第y条(y＝1,2,…,Y)分流支路的电流和该分流点到测量点之间的距离。

按照式(9a)和式(9b)可以准确求出第a和第b个测量点与接地故障点之间的距离s_a和s_b，进一步根据式(8a)和式(8b)可以确定故障点的位置。但是实际中，在每个分支点安装电流互感器成本较大，且故障点的与测量点之间各自的分流支路具体数目X和Y并不能确定，因此式(9a)和式(9b)不具有可操作性。

②若①中要求的分流支路相关信息不知，可结合式(6)～(9)进一步得到故障点的位置范围s′_a和s′_b估算式(10a)和式(10b)所示

式(10a)和式(10b)相比式(9a)和式(9b)需要查找的范围更大，但是在存在分流支路的情况下，成本更低些，且更具可操作性，因而按照式(10a)和式(10b)估算接地故障点范围即可。

实施例：

本实施例结合图2的直流输配电线路单极接地故障示意图、图4的测量系统结构示意图和图5的电压测量前端结构图简要说明实施过程。

假设测量系统所在直流输配电线路正常运行的正负极对地电压分别为+/-10kV，即极间电压差为0～20kV，为保证电阻分压器串联电路的电流在10微安至1毫安之间，以及伪双级直流输配电线路正常工作时和单极故障定位时低压臂R_N上的输出电压绝对值范围始终为0～10V，则选择高压臂电阻R_H的阻值为200MΩ，低压臂精密电阻R_N-1的阻值为2MΩ，电阻R_N的阻值为60kΩ，电阻分压器准确度等级要求为0.1级，要求的测量系统测量准确度等级为0.2级，直流输配电线路的单位电阻为0.12Ω/km，负荷电流200A。

测量系统中选择16位真双极输入范围为±10V的模数转换器，则最小分辨电压约为305μV。由此，在直流输配电系统正常工作情况下，直流侧线路测量点可得到两极低压臂电阻R_N的电压值分别约为±2.969V，此时电子开关K_H和K_N-1断开，由根据电阻分压原理，可由式

分别得到两极的线路对地电压V_Hp和V_Hn分别约为±9.998kV。

当需要校正电压测量前端的电阻分压器高压臂电阻阻值时，保持电子开关K_H断开，动作相应极的电子开关K_N-1，获得该极高压臂电阻校准值R_H，从而保证测量系统的长期测量稳定性。

在直流输配电线路有多个本发明提出的测量系统，当线路发生单极接地故障时，如图2及图3所示为正极接地故障，距离单极接地故障点最近的测量点为A、B，已知两测量点相邻且两点间的距离L_AB＝10km，且线路的单位直流电阻为0.12Ω/km。针对单个测量点，如测量点A，当该点测得的负荷电流始终保持约为I_A＝200A，根据式(5)此时若测得的正极电压值小于240V，测得的负极电压值约为原来的2倍左右，则可判定测量点A附近发生单极接地故障；此时，该测量点向直流输电线路系统报告有单极接地故障发生和故障极，且该测量点的微处理器控制开关控制电路使得测量系统的正极电压测量前端的电子开关K_H闭合，切换量程至单极接地故障定位范围；此时电压测量前端的输入阻抗为R_N＝60kΩ或R_N-1＝2MΩ(根据残余电压大小动作电子开关K_N-1)远大于线路电阻和故障点的过渡电阻，因此测量系统直流电压测量前端的电阻分压器阻值的改变对正极残余电压测量产生的影响可以忽略。

根据整个直流输电线路上多个测量点的测量结果，已经知道测得电压绝对值最小的两个测量点分别为A、B两点，且两测量点相邻，则可知故障点F在测量点A、B之间。根据测量点之间有无分流支路，可按如下两种情况考虑：

(1)若已经测得A、B两测量点的负荷电流一致I_A＝I_B＝200A，即A、B之间无分流支路，如图3(a)所示。测量点A、B测得的残余直流电压绝对值分别为V_A＝71.997V，V_B＝167.993V，则根据式(6)～(8)可得故障点与测量点之间距离s_a＝2.9998km和s_b＝6.9997km，进一步有s′_a＝3km和s′_b＝7km。

(2)若已经测得A、B两测量点的负荷电流不一致I_A＝200A，I_B＝170A，即A、B之间有分流支路，如图3(b)所示，假设两个分流支路L₁和L₂在故障点两侧且分流电流I_L1＝20A和I_L2＝10A，分别距离A、B两点S_AL1＝2km和S_BL2＝3km，则测量点A、B测得的残余直流电压绝对值分别为V_A＝147.599V，V_B＝69.593V。若已知I_L1、I_L2、S_AL1和S_AL2，可由式(9a)和式(9b)得到故障点的准确位置；但实际中这几个值均可能有未知的或并不能确定故障点和分流支路的相对位置，因此按照式(9a)和式(9b)来计算单极接地故障点的位置是不现实的。故，可按照式(10a)和式(10b)来估算故障点与测量点之间的距离，估算得到故障点位置在s′_a＝2.8611km和s′_b＝6.4321km之间，因此只需要在此较小的区间内查找故障点即可。

若测量点A、B不相邻，则说明两测量点之间有测量系统失效，在排除单极接地故障时，需要对该点的测量系统检修。

显然，经过上述实施例说明，本发明所述的用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，能满足伪双极直流输配电系统正常工作情况下的至少千伏级的直流线路电压测量，采用分时采样的方法，可以达到稳定输出、准确度较高的、可靠性较好的、能够自动校准的直流高电压测量的效果，对常规电阻分压器受电阻值变化、高压电晕的干扰、分压器绝缘泄漏和环境因素等的影响所引起的分压法测量准确度发生变化的情况有了很大的改进，保证了测量系统的长期准确度稳定性。同时，本发明在直流线路发生单极接地故障时，能够实现量程的自动切换，从而可以准确测量接地故障点到测量点处最多为百伏级的残余电压，并且进一步根据测量结果判断测量点之间有无分流支路，并在对应情况下定位接地故障点位置。

以上内容是结合具体实施方案对本发明的进一步详细说明。需要特别说明的是，本发明的具体实施方案不仅仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的推演和扩展，但都应当视为本发明所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其特征在于，该系统由多个电压和电流测量系统构成，每个测量系统均包括直流电压测量前端、电流互感器、信号调理电路、信号采集电路、微处理器、开关控制电路以及通讯显示电路；其中，

直流电压测量前端和电流互感器用于分别对直流线路上的电压、电流进行测量，且电压测量前端能够在不同测量情况下根据微处理器控制进行分档测量；信号调理电路用于将来自直流电压测量前端和电流互感器的信号调理为信号采集电路可识别信号；微处理器接收来自信号采集电路的信号，并对直流线路运行情况进行分析及输出开关控制信号，实现直流电压测量前端的自校准和直流线路的接地故障检测；通讯显示电路用于数据传输及组网；使用时，每间隔设定距离，直流线路上安装一套电压和电流测量系统，当正极、或者负极出现接地故障，利用直流线路中的大电流在导线上形成的电压，进而根据所测得的每极的对地电压和电流来精确定位单极接地故障的发生位置；

测量系统中的直流电压测量前端包括两个结构相同的电压测量前端，分别完成直流线路的正极和负极电压测量，每个直流电压测量前端由依次串联的高压臂电阻R_H和低压臂精密电阻R_N-1、R_N的电阻分压器，以及分别并联在高压臂电阻R_H和低压臂电阻R_N-1上的电子开关K_H和K_N-1组成；

测量系统中直流电压测量前端的电阻分压器高压臂电阻的阻值自校正按如下方式进行，期间保持电子开关K_H断开；

(1)电子开关K_N-1关断时，由电阻分压原理得到低压臂输出电压V_N

式中，V_H表示高压臂电压值，k_N1表示电子开关K_N-1关断时的电阻分压器标称分压比；

(2)电子开关K_N-1导通时，由电阻分压原理得到低压臂输出电压V_N′

式中，k_N2表示电子开关K_N-1导通时的电阻分压器标称分压比；

(3)由式(1)和式(2)计算可得高压臂电压校准值R_H和待测直流高电压值V_H分别为

2.根据权利要求1所述的一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其特征在于，测量系统中直流电压测量前端能够通过切换电子开关K_N-1的通断，分时对低压电阻臂电阻R_N上的输出电压采样以实现电阻分压器高压臂电阻阻值的自校正；该直流电压测量前端通过控制电子开关K_H的通断，在常规直流高电压测量时和单极故障接地故障定位时实现量程的自动切换。

3.根据权利要求1所述的一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其特征在于，测量系统中的直流电压测量前端的电子开关K_H和K_N-1满足漏电流小于1微安、响应时间小于0.1毫秒以及导通电阻小于1欧姆的要求；其中电子开关K_H耐受电压满足待测直流输配电系统的电压测量等级要求，或者是继电器或场效应管；电子开关K_N-1耐受电压在200V以上，或者是继电器和场效应管。

4.根据权利要求1所述的一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其特征在于，测量系统中直流电压测量前端的电阻分压器的高压臂电阻R_H、低压臂精密电阻R_N-1和精密电阻R_N的阻值由待测电压的电压等级以及待测输电线路的负荷电流大小决定，保证电阻分压器串联电路的电流为10微安至1毫安之间，以及伪双极直流输配电线路正常工作时和单极故障定位时低压臂R_N上的输出电压绝对值范围始终为0～10V；电阻值精密度由测量准确度等级确定，且优于0.01％，电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。

5.根据权利要求1所述的一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其特征在于，每个测量系统的信号调理电路包括能够完成分别来自两个电压测量前端和直流电流互感器的信号调理电路；信号采集电路至少具有同步采样4路信号的能力，且实际有效分辨率不低于12位；微处理器接收到信号采集电路同步采样的多路数据，根据各路数据判断直流输配电线路的工作状况，并进一步控制电压测量前端的电子开关K_H或K_N-1的通断，以实现电阻分压器的高压臂电阻阻值的校准、常规情况下的电压电流测量或者直流侧线路发生单极接地故障时的故障定位。

6.根据权利要求1所述的一种用于伪双极直流输配电线路单极接地故障定位系统，其特征在于，在常规测量电压电流测量时和单极接地故障定位时的量程自动切换按如下方式进行：

(1)直流输配电系统正常工作时，电子开关K_H关断，直流输配电线路电压和电流正常测量，测量范围均为额定值的2倍，并按照权利要求1所述方式，在线路电压稳定时进行电压测量前端的电阻分压器高压臂阻值的自校正；

(2)伪双极直流输配电线路发生单极接地故障时，接地点由系统原接地点变为发生接地故障的故障点，当发生正极线路发生接地故障时，正极接地故障点的电压由V_Hp迅速降低为0或近似为0，负极电压由V_Hn迅速升高为2V_Hn，线路负荷电流不变，此时，测量点测得的正极线路对地电压大幅下降，当测量点测得的电压V_m满足关系

|V_m|≤|R_u×L×I_m| (5)

式中，R_u表示线路单位长度的直流电阻，在稳态时的直流系统中实际线路阻抗等于线路的直流电阻；L表示该测量点与其相邻两测量点之间距离最远值；I_m分别表示该测得的负荷电流值；

此时，位于该测量点的测量系统报告故障发生及故障极，并将测量系统中正极电压测量前端的高压臂电阻并联电子开关K_H接通，以减小正极电压测量电路的电阻，提高信噪比，然后测出此时的故障极即正极电压V_m′；

(3)由于输电线路存在电阻，发生单极接地故障并达到稳态后，接地故障点的直流电压为0，故障极线路负荷电流流过输电线时将在接地故障点和测量点之间产生残余直流电压V_ci：

V_ci＝R_si×I_i (6)

式中，V_ci和I_i分别表示第i测量点测得的故障极残余直流电压和及其对应负荷电流，且式中均取绝对值计算，电流流向接地故障点时测量点测得的电压为正值，反之为负值；R_si表示接地故障点到第i测量点的线路电阻，在稳态时的直流系统中实际线路阻抗等于线路的直流电阻；

进一步，可得发生单极接地故障的故障点与第i测量点的距离s_i：

s_i＝R_si/R_u (7)

式中，R_u表示线路单位长度的直流电阻；

(4)当伪双极直流输配电系统直流侧线路上有多个测量系统时，根据多个测量点测量结果得到的直流线路发生单极接地故障时故障点与测量点的距离s₁、s₂、…、s_n，如果其中测得的电压绝对值最小的两个测量点分别为第a和第b个，b＝a+1，且这两个测量点测得的故障极线路负荷电流相等即I_a＝I_b，则可由测得的距离s_a和s_b，及已知的第a和第b个电压测量点之间的距离L_ab，那么按照式(8a)和式(8b)确定接地故障点的位置s′_a和s′_b

s′_a＝s_a×L_ab/(s_a+s_b) (8a)

s′_b＝s_b×L_ab/(s_a+s_b) (8b)

如果出现b>a+1，则说明第a和第b个测量点之间的其他测量点的测量系统可能已经失效，因此在排除单极接地故障时，对相应测量点的测量系统进行检修；

当第a和第b个测量点测得的故障极负荷电流不一致时，即I_a≠I_b时，可判断这两个测量点之间存在分流支路，此时按照式(6)、式(7)、式(8a)和式(8b)得到的接地故障点的位置将会偏离实际故障点，因此按照式(10a)和式(10b)估算故障点的位置范围s′_a和s′_b：

Images