CN112595927A - 接地故障监测装置及基于混合法的接地故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地故障监测装置，包括至少2个分别设置于输电线路第一位置和第二位置的采集模块，以及，与其分别通讯的信息集中采集模块，采集模块包括至少3个用于分别采集输电线路的每一相电源参数的信息采集单元，信息采集单元将采集的参数发送至信息集中采集模块；信息集中采集模块基于第一位置和第二位置的电压和电流相位差突变判断是否发生接地故障，同时基于第一位置的电流和第二位置的电流差判断是否发生接地故障，并显示电流参数和接地故障信息，本发明还公开了一种基于混合法的接地故障监测方法，基于电压和电流相位差的突变和电流矢量和判断是否发生接地故障，通过电流值判断是否发生相间短路故障，保证了配电网及输电线路安全。

Description

接地故障监测装置及基于混合法的接地故障监测方法

技术领域

本发明涉及一种配电网接地故障定位领域，尤其是一种接地故障监测装置 及基于混合法的接地故障监测方法。

背景技术

配电网发生接地故障时会造成全线大范围、长时间停电，对电力系统的安 全、稳定运行造成重大影响，配电网接地故障定位的难点在于中性点经消弧线 圈接地系统，由于消弧线圈的引入，在系统中增加了补偿电流，使系统中各处 零序电流之间的关系更为复杂，依靠各处零序电流之间的对比实现中性点经消 弧线圈接地系统的接地故障定位的方法难度增大，国内虽然提出采用残留增量 法、短路故障指示器法、信号注入法和首半波法等，但这些方法都对高过渡电 阻接地故障效果不好，接地故障定位的成功率不高，无法对接地故障进行准确 实时的监测。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，为此本发明提供了一种接地故障监测装 置，通过对电压相位、电流相位和电流值的采集，实现对接地故障和相间短路 故障的监测。

本发明的第二个目的还提出了一种基于接地故障监测装置的基于混合法的 接地故障在线监测方法，该方法根据利用电压和电流相位差法、以及电流矢量 和两种方法判断输电线路是否发生接地故障，以及基于电路值和预设阈值判断 是否相间短路故障，实现接地故障的准确判断和故障定位，该方法实用性强， 即可监测接地短路故障也可监测相间短路故障，判断可靠，对于保证配电网及 输电线路安全、稳定运行具有重要意义。

为了实现本发明的第一个目的，本发明提出的一种接地故障监测装置，包 括至少2个分别设置于输电线路第一位置和第二位置的采集模块，以及，与其 分别通讯的信息集中采集模块，所述采集模块包括至少3个用于分别采集输电 线路的每一相电源参数的信息采集单元，所述信息采集单元将采集的参数发送 至信息集中采集模块；

所述信息采集单元至少包括用于采集电压相位的电压相位采集单元，用于 采集电流相位和电流有效值的电流采集单元、与电压相位采集单元和电流采集 单元输出端耦接的信号处理单元，与信号处理单元的输出端耦接的微处理器单 元，以及与微处理单元的通讯端耦接的无线通讯单元，所述信号处理单元基于 采集的电流相位和电压相位得到电压和电流相位差；所述信息集中采集模块基 于第一位置和第二位置的电压和电流相位差突变判断是否发生接地故障，同时 基于第一位置的电流和第二位置的电流差判断是否发生接地故障，并显示电流 参数和接地故障信息。

进一步的，电压相位采集单元包括设置输电线路周围金属电极、电阻R、电 感L、放电管D、稳压管D1、D2，电阻R的一端耦接金属电极和放电管D的一端， 电阻R的另一端和电感L的一端耦接，电感L的一端耦接稳压管D1的阴极，稳 压管D1的阳极耦接稳压管D2的阳极，稳压管D2的阴极和放电管D的另一端耦 接地。

用金属导体放置在输电线路周围，这样金属导体与输电线路之间可以形成 杂散电容，同时金属导体与大地之间也会形成一杂散电容，在双向稳压管两端 就可以获得与输电线路电压同频的电压相位方波信号，金属电极外部均要去除 尖角，防止靠近高压输电线路时引起尖端放电。

进一步的，信号处理单元至少包括一个与非门芯片或者电能计量芯片。

信号处理单元可以采用与非门电路组合，也可直接采用电能计量芯片完成 电压与电流相位差信号的获取。

进一步的，电流采集单元至少包括一只开口式电流互感器。

开口式电流互感器检测的输入电流经过处理后输出至信号处理单元,采用 高精度，角度小的开口式电流互感器可完成对电流有效值和矢量角的测量,还可 承受400kV绝缘性能，满足10-35kV的高压输电线路的耐压需求。

进一步的，信息集中采集模块包括远传通信单元、信息集中采集微处理器 单元、无线发送单元和显示单元，所述远传通信单元和无线发送单元的输入端 耦接信息集中采集微处理器单元的通讯端，显示单元的输入端耦接信息集中采 集微处理器单元的输出端，其中远传通信单元和无线发送单元至少包括具有授 时功能的GPS无线发送模块。

进一步的，显示单元至少包括一个屏幕，用于至少显示第一位置和第二位 置区间电流的矢量和、每相电流的有效值，相间短路阈值以及输电线路位置信 息。

显示单元至的彩色触摸屏，可以用于监测第一位置和第二位置的输电线路 的电源信息，并提示接地故障和相间短路故障。

进一步的，远传通信单元和无线发送单元至少包括具有授时功能的GPS无 线发送模块。

为了实现本发明的第二个目的，本发明提出的一种基于混合法的接地故障 监测方法，包括，S1,分别测量输电线路第一位置和第二位置的电压相位、电 流相位及电流有效值；S2,基于电压、电流相位的变化判断输电线路是否发生接 地故障，以及，第一位置和第二位置的电流矢量和判断是否发生接地故障；S3, 基于预设阈值和电流值判断是否发生相间短路故障。

进一步的，步骤S2具体包括，若两种方法判断结果一致均为发生接地故障， 则判断发生接地故障，否则，则判断未发生接地故障。

进一步的，步骤S3具体包括，若采集的电流值超过预设阈值，则判断第一 位置和第二位置这段监测区域发生相间短路故障，否则未发生接地故障。

本发明的有益效果是：

1、利用金属导体放置在输电线路周围，基于电场耦合获得电压基准，并 据此获得电压和电流的相位差。

2、基于电压和电流相位差的突变和电流矢量和两种判断方法判断是否发 生接地故障，保证了接地故障判断的配电网及输电线路安全。

3、采用高精度，角差小的开口式电流互感器，本身可以承受400kV绝缘性 能测试，满足10-35kV输电线路的耐压需求。

4、可根据检测的电流有效值及预设的相间短路阈值判断是否发生相间短路 故障。

附图说明

图1为本发明实施例的接地故障监测装置的模块组成和连接关系示意图；

图2为本发明实施例的信息采集单元的组成和连接关系示意图；

图3为本发明实施例的电压相位采集单元的电路原理示意图；

图4为本发明实施例的信号处理单元的电路原理示意图；

图5为相位差信号采集原理；

图6为本发明实施例的信息集中采集模块的组成和连接关系示意图；

图7为本发明实施例的基于混合法的接地故障监测方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本 发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，为接地故障监测装置的原理示意图，包括2个设置于输电线 路第一位置和第二位置的采集模块、以及，与其分别通讯的信息集中采集模块。

所述采集模块包括至少3个用于分别采集输电线路的每一相的电流相位、 电压相位及电流值的信息采集单元，所述信息采集单元将采集的参数发送至信 息集中采集模块；信息集中采集模块基于第一位置和第二位置的电压和电流相 位差突变判断是否发生接地故障，同时基于第一位置的电流和第二位置的电流 差判断是否发生接地故障，并显示电流参数和接地故障信息。

如图2所示，信息采集单元包括用于采集电压相位的电压相位采集单元、 用于采集电流相位和电流有效值的电流采集单元，与电压相位采集单元和电流 采集单元输出端耦接的信号处理单元，与信号处理单元的输出端耦接的微处理 器单元，以及与微处理单元的通讯端耦接的无线通讯单元。

其中，进线电流采集单元至少包括一只开口式电流互感器，实现输电线路 第一位置电流的准确测量，主要完成电流有效值和矢量角的测量，开口式电流 互感器检测的输入电流经过处理后输出至信号处理单元,采用高精度，角度小的 开口式电流互感器可完成对电流有效值和矢量角的测量,还可承受400kV绝缘性 能，满足10-35kV的高压输电线路的耐压需求。

如图3所示，电压相位采集单元包括设置输电线路周围金属电极、电阻R、 电感L、放电管D、稳压管D1、D2，电阻R的一端耦接金属电极和放电管D的一 端，电阻R的另一端和电感L的一端耦接，电感L的一端耦接稳压管D1的阴极， 稳压管D1的阳极耦接稳压管D2的阳极，稳压管D2的阴极和放电管D的另一端 耦接地。

电压相位采集单元包括的金属电极外部均要去除尖角，防止靠近高压输电 线路时引起尖端放电。电压相位的获取采用电场耦合原理，金属导体放置在输 电线路周围，这样金属导体与输电线路之间可以形成杂散电容，同时金属导体 与大地之间也会形成一杂散电容，在两个串联连接的杂散电容之间再串联一个 两个稳压管组成的双向稳压电路或者是直接串联一个双向稳压管，则在双向稳 压管两端就可以获得与输电线路电压同频的电压相位方波信号。

信号处理单元可以采用如图4所示与非门组合电路而成，也可直接采用电 能计量芯片，例如IDT90E36完成电压与电流相位差信号的获取。相位差信号采 集原理如图5所示，信号A和信号B是相位差为Φ的两个同频信号，将其中一 个信号反向，例如将信号A反向得到信号

信号

再与信号B进行与操作则得 到相位差信号。在图4所示的与非门组合电路中，

A端输入电压相位信号，B端输入电流信号，经过与非门的组合电路，在位 置C处输出电流和电压的相位差信号。具体的，与非门采用芯片CD40107，电阻 R1、R4、R5为100KΩ，电容C1为0.1uf。

具体的，进线端微处理器单元采用STM32微处理器。

需要说明的是，信息采集单元还包括电源单元，电源单元的输出端与微处 理器单元对应的电源接口连接，为其提供工作电能，电源单元采用蓄电池+太阳 能供电；信息采集单元安装时靠近高压输电线路。

如图6所示的，信息集中采集模块包括远传通信单元、信息集中采集微处 理器单元、无线发送单元和显示单元，所述远传通信单元和无线发送单元的输 入端耦接信息集中采集微处理器单元的通讯端，显示单元的输入端耦接信息集 中采集微处理器单元的输出端，其中远传通信单元和无线发送单元至少包括具 有授时功能的GPS无线发送模块。在本实施例中，显示单元为彩色触摸屏幕， 用于至少显示第一位置和第二位置区间电流的矢量和、每相电流的有效值，相 间短路阈值、输电线路位置信息。

显示单元至的彩色触摸屏，可以用于监测第一位置和第二位置的输电线路 的电源信息，并提示接地故障和相间短路故障。

下面结合具体实施例对本发明接地故障监测装置进行进一步详细说明。

对架空的某一段额定容量为630A的输电线路接地故障进行监测，第一位置 和第二位置附近分别安装3个信息采集单元，用于采集高压输电线路第一位置 和第二位置的A相、B相和C相的电压相位、电流相位和电流有效值，并经过信 号处理单元得到电压和电流相位差，信息集中采集模块通过无线发送单元接收 到电压和电流相位差，以及，电流值。并将接收到的参数显示在显示单元，即 彩色触摸屏上。监测的参数包括第一位置和第二位置的地段信息、流进和流出 区间的矢量和，每相电流有效值，相间短路阈值等，其中预设相间短路阈值为 1000A时。信息集中采集微处理器单元基于相位差及电流差判断是否发生接地故 障，根据监测的电流值大于1000A则判断输电线路是否发生相间短路故障。因 为发生相间短路故障时电路会瞬时增加，根据设定的阈值判断是否发生相间短 路故障。如果高压输电线路发生接地故障时，各相电流迅速增大，电压变小， 电流相角由滞后于电压相角变为超前电压相角，所以，基于通过判断电流迅速 变大并且电流与电压相位差为正，来确定发生了接地故障。并且为了防止误判， 还对监测区域流进该区域的三相电流和流出该区域的三相电流矢量和大小进行 判断，若电流矢量和大小趋于零，则该区域未发生接地故障，若电流矢量和大 小不为零，超过设定的阈值，则判断该区域发生接地故障。只有判断结果一致， 就认为发生接地故障，若不一致或都没有监测到发生接地故障信息，则认为没 有发生接地故障；若电路迅速增大，且大于设定的阈值，则判断发生了相间短 路故障。如图7所示，为本发明提出的一种基于混合法的接地故障监测方法的 实施例流程图，

S1，分别测量输电线路第一位置和第二位置的电压相位、电流相位及电流 有效值。

高压输电线路在有接地故障和没有接地故障时由于输电线路本身存在分布 电容，导致输电线路发生接地故障后电压和电流的相位会发生突变，即利用电 压和电流相位差法判断输电线路是否发生接地故障。

S2,基于电压、电流相位的变化判断输电线路是否发生接地故障以及第一 位置和第二位置的电流矢量和判断是否发生接地故障。若两种方法判断结果一 致均为发生接地故障，则判断发生接地故障，否则，则判断未发生接地故障。

S3，基于预设阈值和电流值判断是否发生相间短路故障。

若电流值超过预设阈值，则判断第一位置和第二位置这段监测区域发生相 间短路故障，否则未发生相间短路故障。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指 出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还 可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的 保护范围内。

Claims (10)

1.一种接地故障监测装置，其特征在于，包括至少2个分别设置于输电线路第一位置和第二位置的采集模块，以及，与其分别通讯的信息集中采集模块，所述采集模块包括至少3个用于分别采集输电线路的每一相电源参数的信息采集单元，所述信息采集单元将采集的参数发送至信息集中采集模块；

所述信息采集单元至少包括用于采集电压相位的电压相位采集单元，用于采集电流相位和电流有效值的电流采集单元、与电压相位采集单元和电流采集单元输出端耦接的信号处理单元，与信号处理单元的输出端耦接的微处理器单元，以及与微处理单元的通讯端耦接的无线通讯单元，所述信号处理单元基于采集的电流相位和电压相位得到电压和电流相位差；

所述信息集中采集模块基于第一位置和第二位置的电压和电流相位差突变判断是否发生接地故障，同时基于第一位置和第二位置的电流矢量和判断是否发生接地故障，并显示电流参数和接地故障信息。

2.根据权利要求1所述的接地故障监测装置，其特征在于，所述电压相位采集单元包括设置输电线路周围金属电极、电阻R、电感L、放电管D、稳压管D1、D2，电阻R的一端耦接金属电极和放电管D的一端，电阻R的另一端和电感L的一端耦接，电感L的一端耦接稳压管D1的阴极，稳压管D1的阳极耦接稳压管D2的阳极，稳压管D2的阴极和放电管D的另一端耦接地。

3.根据权利要求1所述的接地故障监测装置，其特征在于，所述信号处理单元至少包括一个与非门芯片或者电能计量芯片。

4.根据权利要求1所述的接地故障监测装置，其特征在于，电流采集单元至少包括一只开口式电流互感器。

5.根据权利要求1所述的接地故障监测装置，其特征在于，所述信息集中采集模块包括远传通信单元、信息集中采集微处理器单元、无线发送单元和显示单元，所述远传通信单元和无线发送单元的输入端耦接信息集中采集微处理器单元的通讯端，显示单元的输入端耦接信息集中采集微处理器单元的输出端。

6.根据权利要求5所述的接地故障监测装置，其特征在于，所述显示单元至少包括一个屏幕，用于至少显示第一位置和第二位置区间电流的矢量和、每相电流的有效值，相间短路阈值以及输电线路位置信息。

7.根据权利要求5所述的接地故障监测装置，其特征在于，远传通信单元和无线发送单元至少包括具有授时功能的GPS无线发送模块。

8.一种基于权利要求1-7任一所述的接地故障监测装置的基于混合法的接地故障监测方法，其特征在于，包括：

S1,分别测量输电线路第一位置和第二位置的电压相位、电流相位及电流有效值；

S2,基于电压、电流相位的变化判断输电线路是否发生接地故障，以及，第一位置和第二位置的电流矢量和判断是否发生接地故障；

S3,基于预设阈值和电流值判断是否发生相间短路故障。

9.根据权利要求8所述的接地故障监测方法，其特征在于，步骤S2具体包括，若两种方法判断结果一致均为发生接地故障，则判断发生接地故障，否则，则判断未发生接地故障。

10.根据权利要求8所述的接地故障监测方法，其特征在于，步骤S3具体包括，若电流值超过预设阈值，则判断第一位置和第二位置这段监测区域发生相间短路故障，否则未发生相间短路故障。

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