（电力系统及其自动化专业论文）小电流接地故障定位信号发生装置的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 际需求，具有一定的理论意义和较高的应用价值。 关键词：小电流接地系统；单相接地故障；信号注入法；信号发生装置；注入方 式。 山东大学项士学位论文 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , t h en o n e f f e c t i v e l ye a r t h e dn e u t r a lm o d eu s e dm o s t l yi n 6 。3 5k vm e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka d o p t st h en e u t r a lp o i n tu n e a r t h e d m o d eo rn e u t r a lp o i n te a r t h e dv i ap e t e r s o nc o i l t h en e u t r a lp o i n th i g hr e s i s t a n c e g r o u n d i n gm o d ei sa l s ou s e do c c a s i o n a l l y i nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h em a i nf a u l t sa r e t h es i n g l ep h a s e - t o - g r o u n d i n gf a u l t s ，w h i c ha c c o u n tf o rm o r et h a n7 0 o ft h et o t a l f a u l t s w h e nt h es i n g l ep h a s e t o - g r o u n d i n gf a u l to c c u r si nt h en o n - e f f e c t i v e l ye a r t h e d n e u t r a ls y s t e m ，t h es h o r tc i r c u i tc u r r e n tw o n tb et o oh i g ha n dt h et h r e e - p h a s el i n e v o l t a g ei ss t i l ls y m m e t r i c a l ，s ot h es y s t e mc a l lw o r kn o r m a l l yf o rs o m et i m e h o w e v e r , f o l l o w i n gt h ef a u l t ，t h en o n - f a u l tp h a s ev o l t a g ew i l li n c r e a s ea n di tw i l lc a u s ea r c i n g f a u l t i ft h ep o w e rl i n e sw o r ku n d e rt h ea r eo v e r - v o l t a g ef o ral o n gt i m e ，t h el i n e i n s u l a t i o nw i l lf a i la n ds e r i o u sp h a s e - t o - p h a s ef a u l t sw i l lf o l l o w s ow h e nt h es i n g l e p h a s e - t o g r o u n d i n gf a u l t so c c u r , t h ef a u l tl i n ea n df a u l tp o i n tm u s tb ef o u n do u ta n d c l e a r e di m m e d i a t e l y t h e r ea r el o t so ff a u l tl i n es e l e c t i o nm e t h o d sf o rs i n g l ep h a s eg r o u n d i n gi n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ei n f o r m a t i o no ft h e s i g n a lt oc h o o s et h ef a u l tl i n ea n dt h ef a u l tl o c a t i o ni sa p p l i c a b l et ot h en o n - e f f e c t i v e l y e a r t h e dn e u t r a ls y s t e m so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e s i t sp e r f o r m a n c ei si n d e p e n d e n to ft h e z e r os e q u e n c ec u r r e n t t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o di s d e t e r m i n e db yt h es i g n a l sq u a l i t y t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，i t s n e c e s s a r yt od e s i g nt h es i g n a lg e n e r a t o rm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t sa n da n a l y z et h e i n f l u e n c eo fs i g n a l sf r e q u e n c ya n di n j e c t i o nm o d eo nt h ea c c u r a c yo ff a u l tl i n e s e l e c t i o n i nt h i sp a p e r , a l la n a l y s i so ft h es i g n a l ss e l e c t i o np r i n c i p l ea n dd e t e c t i o nm e t h o d i sm a d eo nt h eb a s eo ft h et h e o r yo ft h es i g n a li n j e c t i o nm e t h o d t h r e ec o m m o ns i g n a l d e t e c t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e da n dt h ei n f l u e n c eo ft r a n s i t i o nr e s i s t a n c ei sa n a l y z e d b yc i r c u i te q u i v a l e n ta n dm a t h e m a t i c a lm e t h o d i nv i e wo ft h el o wp o w e ro u t p u t ，t h e i i i 山东大学硕士学位论文 l o ws t a b l e ，t h eb a da n t i - ja m m i n ga b i l i t ya n dt h ei m p e r f e c tp r o t e c t i o nm e a s u r e so ft h e c o m m o ns i g n a lg e n e r a t o r , an e w t y p eo fs i g n a lg e n e r a t o rw i t hp e r f e c tp e r f o r m a n c ei s s t u d i e da n dd e v e l o p e d h i g hs t e a d yp o w e rs o u r c ea n dp w mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y a r ei n t r o d u c e di n t h i ss i g n a lg e n e r a t o rt oi m p r o v et h eo u t p u t ，t h es t a b l ea n dt h e a n t i - j a m m i n ga b i l i t y t h es p e c i a ld e s i g n e df i l t r a t i o na n db l o c kc i r c u i tp r o v i d e sg o o d p r o t e c t i o n t h ea d m i n i s t r a t i o nm o d u l ew i t hp p s d 3 3 3 4 da ti t s c o r ei sd e s i g n e dt o a c h i e v ev o l t a g ed e t e c t i o n ，g e n e r a t o rs t a r t u pa n ds i g n a ls w i t c h i n gi n t e g r a t i o n i ta l s o c a nd e t e r m i n et h ef a u l tp h a s ea n ds w i t c ht h es i g n a la u t o m a t i c a l l yo rm a n u a l l y s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed o n eo nt h es i m u l a t i o nt e s tp o w e rs y s t e mw h i c hw a ss e t u pb a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o nt ot e s tt h ei n j e c t e ds i g n a la n dt h ed e t e c t i o ne f f e c to f t h es i g n a lu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do nb yp o t e n t i a l t r a n s f o r m e ri n j e c t i o nm o d ea n d p a r a l l e lc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rn e u t r a lp o i n t i n j e c t i o nm o d e t h ed e d i c a t e dd i g i t a ld e t e c t o rw a su s e dt od e t e c tt h es i g n a l t h e d a t aw a sp i l e du pa n dt h ea n a l y s i so ft h ed e t e c t i o ne f f e c tw a sm a d e t h ec o n t e n t c o m b i n e st h ea c t u a ln e e d so ft h ep o w e rs y s t e mc l o s e l ya n dh a st h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：n o n - s o l i d l ye a r t h e dn e t w o r k ；s i n g l ep h a s eg r o u n df a u l t ；s i g n a l i n j e c t i o nm e t h o d ；s i g n a lg e n e r a t o r ；i n j e c t i o nm o d e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翟孕雄 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：愿脚币签名：| ! 丕歪女 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 配电网作为连接输电系统和电力用户的中间环节，对供电质量有着决定性的 影响。各个国家配电网中性点处理方式不尽相刚1 2 】，我国6 - - 3 5 k v 中压配电网 主要采用中性点不接地和经消弧线圈接地方式，少数采用经高电阻接地方式【3 】。 采用这些接地方式的系统称为非有效接地系统，又称小电流接地系统。 由于小电流接地系统发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生 很小的故障电流，三相线电压依然对称，不影响对负载的供电，系统可带接地故 障继续运行1 - - 2 小时，这样能够提高供电的持续性和可靠性。但是，系统带单 相接地故障运行时，接地相对地电压降为零( 金属性接地短路) ，非接地相对地电 压升高为线电压，若长期运行，将使非接地相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两 相接地短路事故，因此必须及时找出故障区段，尽快排除故障。 小电流接地系统单相接地故障选线，就是在系统出现单相接地时，自动地指 示出接地线路。由于接地电流量值较小，可用的故障信息不够明显，所以选线技 术一直是配电网运行管理中的重要技术难题。在已经提出的选线原理中，可分为 基于故障信息的选线方法 4 , 5 1 和基于外加信号的选线方法【6 以0 1 两大类。基于故障信 息的选线方法由于受到故障信息较弱、网络运行方式变化的影响而达不到满意的 选线效果。然而基于外加信号注入法则是通过对注入信号寻踪进行选线、定位， 能够准确的选出故障线路，因此获得了广泛的应用。 外加信号注入法选线系统由信号发生装置、检测装置、通信部分和上位机控 制等部分组成。注入法选线的可靠性与准确性与信号发生装置的可靠性以及注入 信号的形式( 幅值与频率) 密切相关。信号发生装置的可靠稳定工作，能够为选 线系统提供高质量的注入信号，有利于检测装置对注入信号进行准确地寻踪，保 证故障选线和定位的可靠性与准确性。 当前所采用的信号发生装置的输出信号质量不高，抗干扰能力差。装置的过 压保护措施不完善，经常因系统过电压冲击而损坏。针对以上问题，本文设计了 专用的信号发生装置，能够发出频率可调、功率较大的输出信号，且具有很强的 山东大学硕士学位论文 抗干扰能力。设计了专用的保护电路来防止系统过电压对装置的冲击。此外装置 还融合了以妒s d 3 3 3 4 d 为核心的管理模块实现了电压检测、故障相判断和注入信 号自动投切的一体化设计。 1 2 信号注入接地定位法与信号发生装置的研究现状 1 信号注入接地定位法的研究现状 目前信号注入法在小电流接地故障选线定位中的应用可以概括为以下两类： 第一类是将信号注入法与其他的方法和技术相结合，形成一种综合性的选线定位 方法，主要有与行波法结合、无线通信结合和与小波变换结合。 ( 1 ) 信号注入法与行波法结合【1 1 , 1 2 1 该种相结合的选线方法是在离线的条件下，从母线始端注入二个高压脉冲信 号，再由采集卡采集反射回来的波形和记录数据，经过对波形的分析和对数据的 处理，来计算出一个大概的距离，然后经p t - - 次侧向系统注入特定频率的交流 信号电流，在p t 一次侧处必然会感应到电流。在通过上述方法得出大概距离的 情况下，沿已知的这一段线路对注入信号电流进行寻踪，注入信号电流的消失点 就是接地故障点。该方法的优点是行波法原理简单，计算快；信号注入法定位准 确，通用性好，接线简单。这两种方法结合可以提高选线定位的准确性。缺点是 行波法的应用受到系统结构的影响，对于多分支和多配电变压器的线路，行波法 准确性会降低。另外当线路较长时，行波的衰减也会对选线的准确性产生影响。 ( 2 ) 信号注入法与无线通信结合【l 纠 信号注入法与无线通信结合是在城镇和农村配电网中配电网自动化系统并 不完善的情况下提出的，这种结合采用了不依赖配电网自动化而又便于实现的无 线通信模式来实现基于注入信号法的配电网单相接地故障自动定位。信号注入法 接地定位系统中，注入信号主机与监测主机的相互联络，以及信号探测器探测结 果向监测主机的上传，都可通过无线通信方式方便的实现。这种结合方式的优点 是信息上传速度快，而且不依赖于配网自动化通信，很好地完成了通信措施不完 善或不便与配电自动化系统共享通信信道的情况下的单相接地故障选线定位。缺 点是该种结合需要建立新的通信信道，需要额外的投资，对监测主机和探测器需 要添加相应的信息收发装置。 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 信号注入法与小波变换结合【1 4 , 1 5 】 这种方法的应用原理是小电流接地系统发生永久性单相接地故障时，通过电 压互感器向故障相母线注入高频信号，同时检测各线路波阻抗不连续节点的反射 行波，利用行波小波变换模极大值位置信息( 突变点的变换方向) 确定注入信号引 起电压行波突变的时刻及此行波在故障点的第一个反射波到达测量点的时刻，而 确定故障点到测距装置( 线路始端) 的电气距离。该方法的优点是有效地解决了过 渡电阻对传统测距方法的限制问题，可以在线反复多次注入信号、分析特征、定 位故障。由于按照行波定位法的分类，这种方法还是属于行波故障定位法，因此， 多支路、多变压器以及信号的衰减都会影响到定位的准确性。 第二类是采用不同性质的注入信号，来提高选线定位的准确性，主要的方法 有注入基波电流信号、注入低频电流信号和注入变频电流信号。 ( 1 ) 注入基波电流信号【1 6 】 该方法是通过消弧线圈的副绕组向系统注入已设定幅值的基波电流( 感性电 流) ，补偿回路中的零序电流，与现有的分布在各回路的零序过流保护配合实现 接地选线。这种方法由于人为增大了接地零序电流，使零序过流保护能够准确地 判别出故障线路。这种方法的缺点是注入基波电流的幅值与持续时间必须按零序 过流保护来设定，另外由于受注入方式的影响，这种方法只能适用于经消弧线圈 接地的系统。 ( 2 ) 注入低频电流信号【1 7 】 注入低频电流信号主要是针对小电流接地系统发生高阻接地时，信号注入法 受到对地电容的影响导致选线定位困难而提出的。将注入信号的频率降低，增大 对地容抗，降低其分流的能力，提高探测的准确度。它能够有效地解决小电流接 地系统中的单相接地故障定位高阻接地问题。降低注入信号频率的缺点是频率过 低与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的信号电流，而且随着 频率降低，系统中配电变压器的分流作用也会相应地增大，增加了选线定位的干 扰因素。 ( 3 ) 注入变频电流信号【1 8 , 1 9 】 该方法是通过消弧线圈副边或者故障相电压互感器向系统注入可变频率的 恒流信号，测量注入信号产生的零序电压及在各回路出线上产生的零序电流，计 山东大学硕士学位论文 算出线相对于测量频率信号的阻尼率。线路发生高阻接地故障时，线路对地电阻 会明显下降，阻尼率明显上升。可以通过比较各线路的阻尼率大小，进行故障选 线。这种方法选线精度高，抗高阻接地能力强，且易与馈线保护结合为一体，置 于开关柜上，实现就地保护与控制。由于注入的是变频信号，因此在检测出线上 产生的零序电流时会有一定的困难。 2 信号发生装置的研究现状 信号发生装置在信号注入法选线定位系统占有非常重要的地位，它是完成选 线定位的基础，因此已经提出了很多专门应用于信号注入法的信号发生装置的设 计思想，其中大部分是针对普通信号发生装置做的各种改进，主要有以下几个方 面： ( 1 ) 采用直接数字频率合成技术d d f s 2 0 1 直接数字频率合成技术由相位累加器、正弦波形查找表、数字模拟转换器 和低通滤波器4 个部分组成，其中相位累加器和正弦波形查找表是d d f s 的核心， 被称为数控振荡，通过改变数控振荡中不同的频率控制字来得到不同的频率输 出。 ( 2 ) 加入闭环直流p i d 控制【2 l 】 在系统负载剧烈变化时，通过整流环节将采集到的交流信号变为直流信号， 该信号将和电流整定值进行比较，所得差值通过p i d 调节器调节正弦信号发生 器，从而达到稳定正弦信号输出的目的。 ( 3 ) 对输出信号进行编码 2 2 , 2 3 】 当系统发生故障时，故障信息中含有各种频率的杂波。对输出信号进行编码 主要是防止故障信息中频率与输出信号频率相同的杂波对信号探测装置的影响。 通过对输出信号进行编码，降低了同频故障信号对输出信号的干扰。 在信号注入法选线定位系统中，需要较大幅值的注入信号，以上几方面的改 进都没有从根本上提高注入信号的幅值。另外，针对信号发生装置的应用环境， 这些措施也没有提高信号注入装置的保护措施，尽管第( 3 ) 种方式提高了信号的 抗干扰性，但这种方式必须在探测器处加装解码装置，同样增加了解码的不准确 性，降低了输出信号的利用率。因此本文根据信号发生装置在信号注入法选线定 位系统中的实际应用情况，结合电压检测、故障相判断、信号模块启动和注入信 4 山东大学硕士学位论文 号自动投切一体化的设计思想，研制了符合要求的信号发生装置，并在实验室条 件下验证了装置的实用性。 1 3 本文的主要工作 本论文研究对象是应用于信号注入法的信号发生装置的研制，本文在深入分 析了小电流接地系统发生单相接地故障时，应用信号注入法进行选线定位的基础 上主要做了以下工作： ( 1 ) 基于信号注入法的原理，从频率和功率两方面介绍了注入信号的选取原 则；然后分别介绍了信号的三种注入方式和三种检测方式，并简要介绍了它们各 自的适用环境及特点；最后通过电路的等效及数学关系分析了过渡电阻对信号注 入法的影响。 ( 2 ) 针对普通信号装置输出功率低，保护措施不到位等不利因素，设计了专 用的信号发生装置。采用了电压检测和注入信号自动投切体化的设计思想，实 现了故障状态指示和信号自动投切的结合。通过数据采集模块获得系统的电压 量，由管理模块判断出故障相，通过开关量来触发信号发生模块和信号投切模块 实现了信号的自动注入。判断故障切除后，管理模块通过开关量来关断信号发生 模块和投切模块，实现了信号的自动切除。 ( 3 ) 装置以s g 3 5 2 5 p w m 控制器为核心，通过控制高频开关管的丌通与关断， 提高信号的抗干扰性；利用了一种高性能的高压开关电源，提高装置的输出功率、 稳定性和响应速度；通过引入特殊的滤波阻波电路，抑制了电力系统的电压冲击， 提高了装置的安全性；装置还融合了以肛p s d 3 3 3 4 d 为核心的管理模块，实现了系 统电压量的采集、处理、a d 转换以及故障相的判断，并拥有良好的人机交互部 分。 ( 4 ) 根据现场情况在实验室条件下构建了模拟系统，采用了两种不同的注入 方式，对信号发生装置产生的信号和对注入信号的探测效果进行了验证，并对试 验结果进行了分析。 5 山东大学硕士学位论文 第二章基于信号注入法的自动选线定位原理 小电流接地系统的单相接地故障定位技术，是多年来电力系统领域中备受关 注的研究方向之一。基于信号注入法的接地定位方法不以接地故障产生的零序电 流、电压为检测信号，而是利用对注入信号的寻踪进行选线、定位，其性能与是 否能够取出零序电流、零序电流的大小和方向等都没有关系，所以它具有广泛的 适应性，适合于不同接线的小电流接地系统。基于信号注入法的原理，沿故障线 路配置信号探测器，在系统发生单相接地故障时各探测器能够检测到注入电流信 号并将探测结果自动传送至主站，主站根据网络拓扑结构信息和探测器的检测结 果信息就可以自动定位故障区段【2 引。 2 1 信号注入法的基本原理 图2 1 为一典型辐射式配电网系统，t l 为电源变压器，t v 为电压互感器。系 统正常运行时，三相对称，系统中没有零序分量，a 、b 、c 三相电压均为正常相 电压，零序电压为零，电压互感器二次侧电压分别为：百1 0 0 矿， v ) = o v 。当系统发生单相接地故障时，假设图2 一l 中n 群线路的c 相发生单相接 地故障，故障相c 相对地电压降为零，两非故障相电压升高为线电压，零序电压 升高为相电压，此时t v 二次侧的各相电压分别为= u b n = i o o v ，= o v ，开 口三角上测得的零序电压为u 舭= i o o v 。可见，t v 的c 相一次绕组被短接，c 相 的二次绕组中也无感应电压，使p t 的故障相在单相接地故障存在期间处于“闲 置”状态。j 下是利用这一特点，可以通过t v 的故障相将信号电流注入到故障一 次系统中。 6 山东大学项士学位论文 习陡：l 琵萤c ， t 。 。； - ，r 叫i 石i 、- ，_ 叫l 石l l 一 f 王卫工ic ： l - l 藤v 。 i 1 n 舅若 l m ， 酗士 。土 旷镧 k 一 工 c n j 图2 1 信号注入法选线定位原理示意图 l 撑 2 撑 根据上述零序电压的变化可以判断出系统发生了接地故障i 根据各相电压的 变化可以判断出接地故障相，且接地相t v 的一次绕组被短接，二次绕组中没有 感应电压。因此，在接地相t v 的二次绕组和地之间加一信号源，该信号源在t v 二次绕组中产生信号电流，如图2 1 虚线所示。由于故障相t v 一次绕组处于短 路状态，二次绕组中的信号电流必然会感应到一次系统，其流通回路如图2 1 中 虚线所示，在t v 一次的中性接地点、沿故障线路故障相，经接地故障点和大 地返回t v 一次侧的中性接地点。 如图2 1 所示，信号源加在t v 二次侧故障相c 相上，相当于从c n 处向系 统加了一不对称三相电源 j = 0 = 0 ( 2 1 ) 【= 由对称分量法可得信号源的序分量 1 。= ：= 。= ( 2 - 2 ) j 该信号源作用下的故障序网如图2 2 所示，图中各参数为信号源作用下的参 数，墨。、鬈：、墨。分别为系统正序、负序、零序电抗；磊、磊、戤分别为 线路正序、负序、零序阻抗； 墨。为系统分布电容容抗；咚为故障过渡电阻。 由于系统和线路的正负序阻抗和零序阻抗相比小得多，可忽略不计。这样， 7 山东大学项士学位论文 正负序分量。、：被系统阻抗短接，只有零序分量作用于故障系统。 以t 蜀 图2 2 信号源作用下的故障序网 可见，信号注入法实质上是人为增加了故障系统的零序电流。根据叠加原理， 系统正序电源提供的电流不变，但系统中实际流动的电流为两个电源提供的电流 之和。从信号源看进去，系统总阻抗与中性点直接接地电力系统发生单相接地故 障时的总接地阻抗相当。这样，信号源的端电压不需很高就能为故障系统提供较 理想的零序电流，供故障检测用。注入信号电流的大小根据检测该电流所需强度 而定。 注入信号电流在配电网一次系统的流通回路有如下特点： ( 1 ) 信号电流仅在故障线路中流通； ( 2 ) 信号电流仅在故障线路的故障相中流通； ( 3 ) 信号电流在故障相经接地故障点返回到t v 一次的中性接地点。 根据特点( 1 ) ，配电系统发生单相接地故障时，信号电流仅在接地线路中流 通，非接地线路中没有信号电流。这样，只要检测出各出线中有无信号电流，就 可以方便地找出故障线路，这就是基于注入信号电流的单相接地故障选线原理。 根据特点( 2 ) 和( 3 ) ，系统发生单相接地故障时，信号电流仅在变电站和故障 点之间的一段线路中流通，越过故障点后，信号电流将不再存在。在变电站与接 地点之间存在分支的情况下，信号电流也不会流入无接地故障的分支中。利用这 一特点，可以查找出接地分支和接地点的确切位置，这就是基于信号电流的单相 接地故障定位原理。 8 山东大学硕士学位论文 2 2 信号注入法选线定位系统的构成 信号注入法选线定位系统总体思路是沿故障线路配置注入信号探测器，系统 发生单相接地故障时各探测器能够自动检测注入信号并将探测结果自动传送至 主站，主站根据网络拓扑信息和探测器的探测结果信息就可以自动定位故障区 段。整个系统由如下六个部分组成： ( 1 ) 启动部分。启动部分的任务由选线定位主机完成，它通过对t v 二次侧 三相电压和零序电压的采集计算，判断是否发生了单相接地故障，在出现单相接 地的情况下，找出故障相，同时启动系统其它部分进入故障定位程序。 ( 2 ) 注入信号源。系统发生故障后注入信号源自动投入，找到故障出线和故 障点后自动退出。注入信号源实为一特制的交流信号发生器，当发生单相接地故 障时，将该信号加在故障相t v 的二次侧。 ( 3 ) 接地选线部分。在变电站的各馈线出口处装设信号探测装置。接地故障 发生后，通过采集、测量注入信号电流的大小，并将检测的结果送回选线定位主 机，在主机中通过比较各信号的大小判断出发生接地故障的线路，完成接地选线 功能。 ( 4 ) 故障定位部分。确定故障线路后，收集故障馈线上各探测器安装处注入 信号电流的探测结果并将该结果发送至监控主机，监控主机的自动定位软件根据 各探测处注入信号电流的有无或强弱自动判别故障区段。 ( 5 ) 监控主机。监控主机为能够执行自动选线和定位功能的p c 机，安装于 主控制室内。正常运行时监控主机的主界面为所监视系统的一次接线图。当接地 故障发生后，可通过声音、图像、数据表格等方式为运行和检修人员提供故障信 息。 ( 6 ) 通信系统。通信系统主要负责将选线定位主机和信号探测器的相关信息 发送到主站监控主机上。 系统的整体结构如图2 3 所示： 9 ：耋查兰：圭芏兰竺圭 图2 - 3 信号注 法选线定位系统结构圉 匮噩玉五e 匾 当系统发生单相接地故障时，利用注入信号进行故障检测和定位，都不应影 响电力系统的正常运行，也不能影响信号耦合设备的正常运行因此，信号发生 装置应满足一些特殊要求。在信号的频率方面，其必须与电力系统的固有频率完 全不同。在信号的功率方面，由于信号耦合设备容量的限制，加之本身受技术、 经济性的制约，信号的功率不可能做的很大，信号的强度以便于检测而定。 ( 1 ) 信号的功率及其类型 信号功率容量的选择应以精确性、可靠性、方便性、经济性为目标；在注入 及调节方便、功耗小的原则下来选定信号；以线路发生最不理想故障( 高阻接地 及衰减度最大) 的情况下，能够保证可靠检测出信号电流为原则来确定信号的功 率。 信号源可选用信号恒流源和信号恒压源。在保证线路上电流一致的情况下， 使用恒流源注入时其输出功率小于采用恒压源方式，这样功率便于调节，装置也 易于实现且从经济上( 功耗及制造成本) 考虑，使用恒流源较为优越。 在6 k v 或1 0 k v 系统发生单相接地故障时，以从i v - 次侧注入信号电流为例。 r 句t v - - - 次侧注入5 a 、2 0 0 w 的电流便可保证可靠检测出信号电流。 c 2 ) 信号的频率选择 山东大学硕士学位论文 首先，方便信号的提取和检测是注入信号频率选择的主要考虑因素。由于注 入的信号的强度要比电力系统中的任何固有信号( 基波和各次谐波) 都弱很多， 所以为了使注入信号不被电力系统的固有信号所淹没，应使注入信号与电力系统 的任何固有信号具有不同的特征。可以选用基波频率厶介于工频z 第n 次与n + 1 次( n 为自然数) 谐波之间的电流信号： 石 厶 ( + 1 ) 彳 ( 2 _ 3 ) 理论上，n 可取任意值。实际上，若n 取值较小，信号频率与工频相近，低 频电流磁场弱，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的注入信号电流，而且 随着频率降低，配电变压器的分流作用增大。若n 取值较大，一方面，系统分布 电容容抗墨= 1 n c o c ，由于信号频率高而变小，分布电容对信号电流的分流增 大，故障线路上流动的信号电流就变小，不利于信号电流的检测。另一方面，线 路感抗= n c o l ，由于信号频率高而增大，不能再忽略不计，也使故障线路上 流动的信号电流变小，增加了注入信号的检测难度。 另外，频率的选择还要考虑便于信号处理和分析。对于注入信号的分析和计 算而言，工频及各次谐波信号均为干扰信号，在进行运算时应设法滤去，为了方 便地用数字的方法滤除这些分量，应使信号处理系统的采样频率为工频频率的整 数倍，即： z = p z ( 2 - 4 ) 或 正= p 五 ( 2 5 ) p 为正整数，一般为偶数。 同时为了便于对注入信号进行处理和运算，希望对注入信号每个基波周期的 采样点数也为整数，即： z = q 。厶 ( 2 - 6 ) 或 q 为正整数，一般也取为偶数。 t 喀= q c ( 2 - 7 ) 山东大学硕士学位论文 所以综合上述分析，注入信号的基波频率应该取为： i 石 厶 ( + 1 ) 彳 k 知 q 。8 在许多文献和实际应用中，有人提出了可以应用6 0 h z t 2 5 1 、7 5 h z t 2 6 1 、8 3 3 h z 2 7 1 、 2 2 0 h z 2 8 】等频率，选用6 0 h z 主要是为了减小对地电容对注入交流信号的分流，但 该频率离工频5 0 h z 太近，不易于信号的提取与检测；选用7 5 h z 和8 3 3 h z 主要是 为了方便信号的运算与处理，也会遇到检测困难的问题；选取2 2 0 h z 可同时满足 信号的提取、检测以及运算的要求。本文以下的内容，信号频率的选择都是以 2 2 0 h z 为例的。 2 4 信号的注入方式 信号电流要想注入到一次系统中，考虑到信号装置的安全性，需要经过一个 隔离装置，一般为电压互感器或者是变压器等，还要利用到其中的中性点来接入 信号装置。现在的注入方式有以下三种注入方式：( 1 ) 通过接地相的电压互感器 注入，( 2 ) 利用星形接线的三相补偿电容形成中性点向系统注入信号，( 3 ) 利用 消弧线圈的副圈向系统注入信号。 1 通过接地相的电压互感器注入【2 9 。l 】 小电流接地系统发生金属性单相接地故障时，电网接地相的对地电压变为 零，相当于该相电压互感器的一次绕组被短接，暂时处于不工作的“闲置”状态。 这时，可以利用它将外加的信号注入到电力系统，详细见2 2 注入信号法的基本 原理。这种利用单相接地时暂时处于“闲置”状态的接地相t v 注入信号的方法， 无须增加任何一次设备，不会对运行设备产生任何不良的影响，注入信号仅仅流 向接地线路接地相，注入效率较高，信号发生设备与一次强电系统之间通过t v 电磁耦合，没有直接电的联系，不必考虑其绝缘问题，使控制和信号发生设备都 比较简单，装置的接线也十分方便。 利用t v 注入信号的缺点是，t v 的容量有限，注入信号时容易烧毁二次保险； 虽然是从处于“空闲”状态的接地相注入信号，且注入信号电压的幅度也较小， 但由于计量等测量相间电压，注入信号的存在不可避免地会对t v 的输出产生一 1 2 山东大学项士学位论文 定的影响，从而影响计量、检测和保护的精度。 2 利用星形接线的三相补偿电容形成中性点向系统注入信号 为了补偿负载所吸收感性无功功率，减小无功功率传输引起的网络损耗和电 压降落，提高电网运行的功率因数，中低压配电变电站一般都有由并联电容器构 成的无功补偿装置。在三相系统中，并联电容器有星形联结和三角形联结两种接 线方式，在星形连接的情况下一般是中性点悬空。 为了能够向系统注入信号电流，将星形接线的中性点对地之间加装一个高短 路阻抗的接地变压器，并在变压器二次侧接入注入信号装置。系统正常运行时三 相对地电压对称，中性点对地电压为零，这时信号装置不工作，当系统发生单相 接地故障后，中性点电压升高，注入信号装置投入，向系统中注入信号电流。对 各出线处进行检测，信号电流较大的线路即为接地线路。 这种注入信号方法的优点是不会对计量精度产生影响，允许注入信号的强度 也较大，有利于提高检测的灵敏度；其缺点是必须加装一个专门的接地变压器， 一次投资较大，管理不便。 3 利用消弧线圈的副圈向系统注入信号 3 2 , 3 3 信号注入回路接至消弧线圈的副圈，在系统不接地的条件下，信号注入装置 定检测到某一相电压有较大变化时，通过消弧线圈的副圈向系统注入电流信号。 信号电压通过母线电压互感器开口三角检测，信号电流通过消弧线圈接地处的零 序电流互感器检测。其整个工作原理图如下图2 4 所示： 图2 4 利用消弧线圈的副圈注入信号工作原理图 山东大学项士学位论文 利用消弧线圈的副圈能注入幅值较大的电流，精度高、抗干扰能力强，保证 选线的精度；缺点是要求注入信号的频率需躲开系统的谐振频率，另外有的系统 消弧线圈并没有副圈，因此需专门加装消弧线圈副边。 2 5 信号的检测方法 信号电流注入到电力系统后，就会在系统的中性点与接地故障点之间形成通 路，在各出线处对其进行检测和处理，然后根据预定的算法就能够判断出接地的 线路。由于信号电流与故障电流、负荷电流相比小得多，同时故障电流和负荷电 流均由工频及其各次谐波构成，为此必须采取适当的措施检测该信号，并使检测 装置对注入信号的频率有非常高的灵敏度。 信号检测的方法主要有利用出线零序电流互感器检测、利用出线三相电流互 感器检测和利用专用信号探测器检测等几种不同的检测方式【3 制，分别讨论如下： 1 利用出线零序电流互感器检测 利用出线零序电流互感器检测注入信号的方式，适合于装设了零序电流互感 器的出线系统。利用零序电流互感器检测注入信号，有两种基本的接线方式，一 种为集中式接线，另一种为分散式接线。集中式接线将所有出线零序电流互感器 的输出均通过二次电缆接到一个集中安装的检测装置处，由该装置实现对各互感 器输出电流的采集和检测，并按预定的算法自动指示出接地线路。分散式接线在 每一个开关柜上都装设一个检测装置，对零序电流互感器输出的电流进行采集和 计算，并将计算的结果通过变电站通信网络传送到检测主机处，由主机根据算法 判断出接地的线路。 集中式的优点是接地选线功能由独立的装置完成、实现，所以数据采集、处 理、算法协调等都比较方便；缺点是需要将所有零序电流互感器输出用二次电缆 接到一个装置，需要较长的二次电缆。分散式在每一个开关柜上都装一个检测装 置，其优点是不需要很长的二次电缆、受干扰较小、检测装置可以集成到出线的 监控保护单元之中、基本不需要增加硬件；缺点是软件分散，协调较为困难。 2 利用出线三相电流互感器检测 利用出线三相电流互感器检测注入信号的方式适用于装设了三相电流互感 器的架空或电缆线路。若电缆线路还同时装有零序电流互感器，则优先考虑采用 1 4 山东大学硕士学位论文 上述的第一种检测方式。由于不平衡电流的影响，工频及谐波的干扰可能比电缆 出线要大，各出线电流互感器的变比通常要大于零序电流互感器的变比，从而使 输出的信号电流小于零序t a 输出的信号电流。此外，同一个变电站零序t a 的 变比通常是一致的，而相电流互感器的变比则可能因负荷差异较大而有较大的不 同，在进行接地判断时必须予以考虑。 3 利用专用信号探测器检测 专用信号探测器是一种能够无线接收注入信号电流所产生的磁场的探测装 置，它装设在各开关柜或穿墙套管处，以非接触的形式探测各出线中的信号电流。 由于它以检测导体周围磁场的形式探测注入信号，所以它的应用与是否有零序 t a 或三相t a 以及t a 的接线形式等都没有关系。 首先简要介绍一下专用信号探测器的理论基础【3 5 】。根据电磁感应原理，导 体中通过电流时，会在导体周围产生磁场。因此，通过测量配电线路周围的磁场 可以检测到注入信号。配电线路周围的磁场比较复杂，有工频电流产生的磁场， 有注入信号电流产生的磁场，也有电台等产生的高频磁场。对工频电流和注入信 号电流来说，线路周围的磁场是三相各自磁场的合成，而不是真正独立的零序电 流所产生。在线路下方测量注入信号产生的磁场得到的注入信号为零序量。设导 线位置为( d ，h ) ，测量点位置为p ( x ，y ) ，导线产生的磁场为 召( z ，y ) ：掣 ( 2 9 ) 三h p 式中，i 为导线的电流；p 为导线到测量点的距离：t o = 4 万x l o - 7 为自由空 间的导磁率。 磁场b ( x ，y ) 与以导线为圆心以p 为半径的圆相切。将其分解为水平分量和 垂直分量色、曰。，则 色= 筹。f 矿y - 万h 珂 ( 2 1 0 ) b = 筹f 矿x - 万d 可 ( 2 - 1 1 ) 三相的合成磁场强度水平分量和垂直分量为： 圈 黟迥 1 6 山东大学项士学位论文 初级信号放大部分信号调理部分 m s p 4 3 0 数字处理芯片 信号接收模块滤波单元 图2 6 数字探测器构成原理图 ( 2 ) 初级信号放大器部分 因为线路上负荷电流强度比较大，所以由线圈接收到的信号强度在1 v 左右。 而滤波单元使用的集成模拟滤波器芯片要求模拟输入量差模电压范围在士1 0 v 之 间滤波效果最好，所以由线圈接收来的信号需要经过信号放大，并且初级放大器 的放大倍数在1 0 倍左右即可以满足要求。探测器选择差动放大的放大器运行方 式。当接收线圈两端的输入信号有差