CN112379219B - 基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统及方法 - Google Patents

基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统及方法，该系统包括信号发生装置、放电检测传感器、可选择性接地装置和故障定位装置；信号发生装置与配电变压器低压侧中性点n共地连接；配电变压器低压侧某一相与信号发生器输出端相连；放电检测传感器的A、B、C端口和可选择性接地装置的A、B、C端口并联，并分别对应接入配电变压器高压侧的A相、B相、C相；放电检测传感器包括相连接的信号采集模块和信号传输模块，用于将信号采集到传输至故障定位装置。本发明选线和测距过程所需设备少，步骤简单，极大地减轻了运维人员的负担，降低了操作门槛，缩短了故障排查时间，有效提升了电网供电可靠性和智能化水平。

Description

基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统及方法
技术领域
本发明属于单相接地故障检测及定位技术领域，具体涉及一种基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统及方法。
背景技术
配电网作为电力系统的重要组成部分，直接和用户相关联。配电网的安全关系着用户在电能安全、优质、经济等方面所提出的要求。随着我国配电网络的不断发展，用户对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求，一旦配电网络出现故障，应尽快找出故障发生的位置并提出应对策略恢复对用户的供电，尽量减少社会经济的损失。目前，10kV配网系统多采用辐射状网络，结构复杂，容易发生单相接地故障。
目前，配电网故障定位主要存在以下问题：①配电网接地选线装置故障判定的准确率不高；②故障指示器配置不科学，远程传输模式不可靠，利用重合断路器和故障指示器定位时，装置频繁误判、拒动，实际效果不明显。③在配网系统中，单相接地故障占配网故障总数的70％以上，如何提高单相接地故障定位的效率有待研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于配电变压器低压侧单相脉冲信号注入的线路单相接地故障定位系统及方法，该方法解决了现有技术中设备不便于携带、安装的问题，并且本方法稳定性高、功能易于实现、无需大量分析数据，无需设计复杂算法，具有较高的适用性和可操作性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统，包括：信号发生装置、放电检测传感器、可选择性接地装置和故障定位装置；
所述信号发生装置与配电变压器低压侧中性点n共地连接；配电变压器低压侧某相与信号发生器输出端相连；所述信号发生装置用于注入脉冲信号；
所述放电检测传感器的A、B、C端口和可选择性接地装置的A、B、C端口并联，并分别对应接入配电变压器高压侧的A相、B相、C相；
所述放电检测传感器包括相连接的信号采集模块和信号传输模块；信号采集模块用于采集脉冲信号；信号传输模块用于将信号采集模块采集到的信号传输至故障定位装置；
故障定位装置用于根据信号传输模块传来的信号进行分析，从而对故障进行定位。
进一步，优选的是，配电变压器选用Dyn11联结。
进一步，优选的是，信号传输模块用于将信号采集模块采集到的信号通过无线或者有线传输方式传输至故障定位装置。
本发明同时提供基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，采用上述基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统，包括以下步骤：
步骤（1），设置所述可选择性接地装置状态，任意使A相、B相、C相某一相直接接地；
步骤（2），所述信号发生装置按照一定的注入规则向配电变压器低压侧某相同时注入电压幅值为U 0的脉冲信号；
步骤（3），所述放电检测传感器检测配电变压器高压侧的电压信号，然后将采集到的信号传输给故障定位装置；
步骤（4），所述故障定位装置对放电检测传感器检测得到的信号进行分析，判断各相有无第二脉冲；
步骤（5），当所述可选择性接地装置状态为x相直接接地时，x=A、B或C，若各相波形无第二脉冲，则判断单相接地故障在x相；若有第二脉冲，则返回步骤（1），重新改变可选择性接地装置状态；
步骤（6），当判断单相接地故障在A相，操作可选择性接地装置使得B相或C相直接接地；当判断单相接地故障在C相，操作可选择性接地装置使得A相或B相直接接地；当判断单相接地故障在B相，操作可选择性接地装置使得A相或者C相直接接地；然后所述信号发生装置按照一定的注入规则向配电变压器低压侧某相注入电压幅值为U 0的脉冲信号；
步骤（7），检测故障相的信号特征，将第一脉冲幅值和第二脉冲幅值对应的时间分别记为和/>，利用时间差进行故障定位。
进一步，优选的是，步骤（2）、（7）中，所述的注入规则为：。可选择性接地装置状态为A相直接接地时，配电变压器低压侧B相注入；可选择性接地装置状态为B相直接接地时，配电变压器低压侧C相注入；可选择性接地装置状态为C相直接接地时，配电变压器低压侧A相注入。
进一步，优选的是，所述第二脉冲的判别方法如下所述：
利用可选择性接地装置未接地的两相进行计算判断：对未接地的两相波形乘以系数-1；然后再判断乘以系数-1后两相波形不相重合的部分，第一个不重合的部分对应的时间段则为故障相第二脉冲对应的时间段，判断此时间段故障相上的脉冲为第二脉冲。
进一步，优选的是，若线路无分支，则根据第一脉冲和第二脉冲时间差直接定位；若线路有一条及其以上的分支，则需要根据排除方法进行故障支路的确定；
所述排除方法利用的是第二脉冲、第三脉冲幅值的时间差来计算得到的架空线长度为和故障点所在支路有公共支点的旁支的长度；根据旁支长度特征排除其他与第一、第二脉冲幅值时间差计算出的长度等长的线路。
本发明中无脉冲通常是指：幅值小于其他相同时段脉冲幅值的1/2视为无脉冲。
本发明中所述第一脉冲为测得信号的第一个脉冲，即低压侧注入后耦合到高压侧的信号。所述第二脉冲则为故障相上的行波遇到单相接地故障后由故障点反射回来的信号。
本发明对于第二脉冲、第三脉冲的判断方法进行举例说明，例如可选择性接地装置未接地相为B相、C相，则对B相或者C相波形乘以系数-1，记为B’和C’；然后再判断B’和C’不相重合的部分，第一个不重合的部分对应的时间段上的脉冲则为第二脉冲。第2个不重合的小区段对应的时间段上的脉冲为第三脉冲。
本发明从Dyn11配电变压器低压侧的某相注入脉冲信号，同时对配电变压器高压侧各相设置可选择性的直接接地。利用配电变压器的电磁传变特性，注入的脉冲信号耦合到高压侧的三相并被放大，设置高压侧不同的相接地，可以进一步使高压侧检测到的对地信号特征凸显。放大后的脉冲信号在线路上传播，遇到故障点时将发生折反射，故障信号传递回配电变压器后，又对三相波形产生影响。通过放电检测传感器在配电变压器高压侧测量各相信号，根据检测到的各相信号波形特征，可以完成故障线路选线。根据故障相的第一脉冲信号和第二脉冲信号时间差，可以实现故障距离的测量，从而实现单相接地故障定位。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本发明以Dyn11配电变压器的电磁传变特性为基础，从低压侧的某相注入脉冲信号耦合到高压侧，对高压侧各相进行可选择性的直接接地，既可以对信号进行放大提高信号可检测度，又可以利用高压侧信号波形特征进行故障选相。选相后以高压侧故障相检测到的脉冲信号时间差为依据进行故障距离测算，不涉及人工测距。整个选线和测距过程所需设备少，步骤简单，极大地减轻了运维人员的负担，缩短了故障排查时间，有效提升了电网供电可靠性和智能化水平。
本发明方法解决了传统注入法定位所需高压电源的不便携带的问题，充分利用了现有配电网当中的Dyn11配电变压器，有利于成本的降低。并且本方法功能易于实现、无需大量分析数据，无需设计复杂算法，因此又进一步节省了成本和降低了操作门槛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统接线结构示意图；
图2为本发明基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法流程图；
图3为10kV配电架空线路系统单相接地故障定位的仿真示意图；
图4为仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统，包括：信号发生装置、放电检测传感器、可选择性接地装置和故障定位装置；
所述信号发生装置所处位置为记为2，与位置1处的配电变压器低压侧中性点n共地连接；配电变压器低压侧某相与信号发生器输出端相连；所述信号发生装置用于注入脉冲信号；
所述放电检测传感器的A、B、C端口和可选择性接地装置的A、B、C端口并联，并分别对应接入配电变压器高压侧的A相、B相、C相，记接入点为位置3；
所述放电检测传感器包括相连接的信号采集模块和信号传输模块；信号采集模块用于采集脉冲信号；信号传输模块用于将信号采集模块采集到的信号传输至位于位置4故障定位装置；
故障定位装置用于根据信号传输模块传来的信号进行分析，从而对故障进行定位。
参见图2，为本发明基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法流程图；由图2可知，本实施例提供了一种基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，所述方法包括：
根据图1标注的位置，在配电变压器高压侧安装放电检测传感器和可选择性接地装置；
将可选择性接地装置任意设置为某一相直接接地；
在配电变压器低压侧按照一定的注入规则，往配电变压器低压侧某相注入幅值为U 0的脉冲信号；具体的，可选择性接地装置状态为A相直接接地时，配电变压器低压侧B相注入；可选择性接地装置状态为B相直接接地时，配电变压器低压侧C相注入；可选择性接地装置状态为C相直接接地时，配电变压器低压侧A相注入；脉冲信号发生装置所处位置如图1所示；
判断各相放电检测传感器检测到的脉冲信号的第一脉冲和第二脉冲的峰值以及对应的区间；具体的，第一脉冲为测得信号的第一个脉冲，即低压侧注入后耦合到高压侧的信号。所述第二脉冲则为故障相上的行波遇到单相接地故障后由故障点反射回来的信号；所述第二脉冲的判别方法需要利用可选择性接地装置未接地的两相进行计算判断：例如可选择性接地装置未接地相为B相、C相，则对B相或者C相波形乘以系数-1，记为B’和C’；然后再判断B’和C’不相重合的部分，第一个不重合的部分对应的时间段则为故障相第二脉冲对应的时间段，判断此时间段故障相上的脉冲为第二脉冲。
若没有第二脉冲，则直接判断可选择性接地装置直接接地相为故障相；
若有第二脉冲，则直接判断可选择性接地装置未接地相为故障相，并更换可选择性直接接地装置直接接地相，直至可选择性接地装置未接地相无第二脉冲，并判断此时的可选择性接地装置接地相为故障相；
确定好故障相后，改变可选择性接地装置直接接地相；
再次按照一定的注入规则，注入幅值为U 0的脉冲信号；具体的，可选择性接地装置状态为A相直接接地时，配电变压器低压侧B相注入；可选择性接地装置状态为B相直接接地时，配电变压器低压侧C相注入；可选择性接地装置状态为C相直接接地时，配电变压器低压侧A相注入；脉冲信号发生装置所处位置如图1所示；
判断各相放电检测传感器检测到的脉冲信号的第一脉冲和第二脉冲的峰值以及对应的区间；具体的，第一脉冲为测得信号的第一个脉冲，即低压侧注入后耦合到高压侧的信号。所述第二脉冲则为故障相上的行波遇到单相接地故障后由故障点反射回来的信号；所述第二脉冲的判别方法需要利用可选择性接地装置未接地的两相进行计算判断：例如可选择性接地装置未接地相为B相、C相，则对B相或者C相波形乘以系数-1，记为B’和C’；然后再判断B’和C’不相重合的部分，第一个不重合的部分对应的时间段则为故障相第二脉冲对应的时间段，判断此时间段故障相上的脉冲为第二脉冲；
读取故障相信号特征，利用第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲时间差来进行定位；具体的，若线路简单无分支，则可以根据第一脉冲和第二脉冲时间差直接定位；若线路复杂有一条及其以上分支，则需要根据排除方法进行故障支路的确定；排除方法利用的是第二脉冲、第三脉冲幅值的时间差；第三脉冲判断方法同第二脉冲所述，只是第三脉冲为B’和C’（以可选择性接地装置未接地相为B、C为例）不相重合部分中的第2个不重合的小区段；第二脉冲、第三脉冲幅值的时间差计算得到的架空线长度为和故障点所在支路有公共支点的旁支的长度。根据旁支长度特征可排除其他与第一、第二脉冲幅值时间差计算出的长度等长的线路。
利用时间差来定位的具体计算公式为：
其中，L为线路故障点距配电变压器距离，c为光速，第一脉冲幅值和第二脉冲幅值对应的时间为t 1和t 2。
仿真实例：
在10kV配电架空线路系统中利用本发明所提方法来进行单相接地故障定位的仿真实例如图3所示。其中选择幅值为400V的矩形信号仿真电路作为电压源，对应实际中的在位置2处的信号发生装置；配电变压器P_transf对应实际中位置1处的Dyn11配电变压器；配电变压器P_transf高压侧接长度为5km的TLine_1后再分为两支线路：100km长的TLine_2和3.5km长的TLine_3，TLine_2上距分支点2km的单相接地故障（图中经1欧姆电阻接地）将TLine_2分为TLine_11和TLine_12，仿真中模拟B相故障；仿真中配电变压器高压侧测得的对地电压E A、E B和E C，分别对应实际中位置3处的放电检测传感器检测到的配电变压器高压侧的电压信号。仿真中以直接接地表示可选择性接地装置的状态，仿真中C相直接接地代表实际中可选择性接地装置状态为C相直接接地。按照所述的一定的注入规则，将配电变压器P_transf低压侧A相接入矩形信号仿真电路代表的电压源，仿真结果如图4所示。
根据仿真结果以及所述基于配电变压器低压侧脉冲信号注入的单相接地故障定位方法：按照所述第一脉冲和第二脉冲判定方法，判定各相有第二脉冲，则判断故障在B或者A相；然后改变可选择性接地装置状态为B相接地，按照所述一定的注入规则注入信号，发现仿真结果中无第二脉冲，则判断故障相在B相；之后进行步骤（6），在这里选择可选择性接地装置为C相接地，可沿用初始仿真结果图4。接下来根据图4进行步骤（7），读取故障相B相的信号特征，其第一脉冲幅值和第二脉冲幅值对应的时间分别为t1=11.01μs和t2=57.55μs，带入时间差定位计算公式计算可得L=6.981km，误差为0.019km；由于线路复杂有分支，则还需要进一步根据排除方法进行故障支路的确定，根据第三脉冲的判别方法判断第三脉冲读取其信息，第三脉冲幅值对应的时间为t3=80.96μs；第二脉冲、第三脉冲幅值的时间差计算得到的旁支长度为L’=3.512km，和实际的TLine_3长度3.5km接近，因此判断TLine_3为旁支，所以故障在TLine_2上。最终确定了在TLine_2上距离变压器6.981km，误差为0.019km的故障点。
从实例可以看出，本发明所提方法得到的故障定位效果很好，定位误差较小，误差约为0.27%，在可接受的范围内。并且可以充分利用配电网中的Dyn11配电变压器，用较小的脉冲注入电压得到较大的可检测故障电压信号，避免了高压电源的设计和携带。根据所提方法，接地故障信号易识别和判断，无需设计复杂算法，具很强的实用价值，可节约成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，其特征在于，采用基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统；
所述的基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位系统，包括：信号发生装置、放电检测传感器、可选择性接地装置和故障定位装置；
所述信号发生装置与配电变压器低压侧中性点n共地连接；配电变压器低压侧某相与信号发生器输出端相连；所述信号发生装置用于注入脉冲信号；
所述放电检测传感器的A、B、C端口和可选择性接地装置的A、B、C端口并联，并分别对应接入配电变压器高压侧的A相、B相、C相；
所述放电检测传感器包括相连接的信号采集模块和信号传输模块；信号采集模块用于采集脉冲信号；信号传输模块用于将信号采集模块采集到的信号传输至故障定位装置；
故障定位装置用于根据信号传输模块传来的信号进行分析，从而对故障进行定位；
所述的基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，包括以下步骤：
步骤（1），设置所述可选择性接地装置状态，任意使A相、B相、C相某一相直接接地；
步骤（2），所述信号发生装置按照一定的注入规则向配电变压器低压侧某相同时注入电压幅值为U 0的脉冲信号；
步骤（3），所述放电检测传感器检测配电变压器高压侧的电压信号，然后将采集到的信号传输给故障定位装置；
步骤（4），所述故障定位装置对放电检测传感器检测得到的信号进行分析，判断各相有无第二脉冲；
步骤（5），当所述可选择性接地装置状态为x相直接接地时，x=A、B或C，若各相波形无第二脉冲，则判断单相接地故障在x相；若有第二脉冲，则返回步骤（1），重新改变可选择性接地装置状态；
步骤（6），当判断单相接地故障在A相，操作可选择性接地装置使得B相或C相直接接地；当判断单相接地故障在C相，操作可选择性接地装置使得A相或B相直接接地；当判断单相接地故障在B相，操作可选择性接地装置使得A相或者C相直接接地；然后所述信号发生装置按照一定的注入规则向配电变压器低压侧某相注入电压幅值为U 0的脉冲信号；
步骤（7），检测故障相的信号特征，将第一脉冲幅值和第二脉冲幅值对应的时间分别记为和/>，利用时间差进行故障定位；
所述第二脉冲的判别方法如下所述：
利用可选择性接地装置未接地的两相进行计算判断：对未接地的两相波形乘以系数-1；然后再判断乘以系数-1后两相波形不相重合的部分，第一个不重合的部分对应的时间段则为故障相第二脉冲对应的时间段，判断此时间段故障相上的脉冲为第二脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，其特征在于，配电变压器选用Dyn11联结。
3.根据权利要求1所述的基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，其特征在于，信号传输模块用于将信号采集模块采集到的信号通过无线或者有线传输方式传输至故障定位装置。
4.根据权利要求1所述的基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，其特征在于，步骤（2）、（6）中，所述的注入规则为：可选择性接地装置状态为A相直接接地时，配电变压器低压侧B相注入；可选择性接地装置状态为B相直接接地时，配电变压器低压侧C相注入；可选择性接地装置状态为C相直接接地时，配电变压器低压侧A相注入。
5.根据权利要求1所述的基于配电变压器单相注入脉冲的接地故障定位方法，其特征在于，若线路无分支，则根据第一脉冲和第二脉冲时间差直接定位；若线路有一条及其以上的分支，则需要根据排除方法进行故障支路的确定；
所述排除方法利用的是第二脉冲、第三脉冲幅值的时间差来计算得到的架空线长度为和故障点所在支路有公共支点的旁支的长度；根据旁支长度特征排除其他与第一、第二脉冲幅值时间差计算出的长度等长的线路；
所述第三脉冲的判别方法如下所述：利用可选择性接地装置未接地的两相进行计算判断：对未接地的两相波形乘以系数-1；然后再判断乘以系数-1后两相波形不相重合的部分，第二个不重合的部分对应的时间段则为故障相第三脉冲对应的时间段，判断此时间段故障相上的脉冲为第三脉冲。
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