小電流接地故障狀態監測技術研究

摘 要：本文詳細介紹了小電流接地電路在故障狀態下的信號頻域特征，并基于故障狀態信號無功功率分析進行了故障線路選擇技術介紹，在這些技術解決的基礎上，本文自行發明了XJ-105小電流接地故障監測系統，該系統結構合理，功能齊全，能很好地滿足電站綜合自動化，以及智能化建設，通過其自動監測與智能診斷功能，能大幅提高電站運行的穩定性，本文研究結論具有重要的理論意義與實際應用價值。

關鍵詞：小電流接地；接地；故障狀態；信號頻域

1.引言

在小電流接地回路系統中，由于電流微弱、電弧不穩定等原因，一旦其回路系統出現故障，就難以對其進行檢測和處理，目前常用的檢測方法是基于電路處于穩定狀態下的DGF法進行故障檢測，但檢測效果較差，有待改進。

小電流接地故障發生的瞬間會產生一個較大的暫態電流，通常該暫態電流要比穩態電流大5～6倍，目前，微電子技術的發展趨勢就是引入模糊理論等數學分析方法，對該微小信號進行有效提取，本文將介紹與小電流接地故障信號特征提取的最新研究成果，在此基礎上研究XJ-105型小電流接地故障選線及檢測系統的關鍵技術。

2.小電流接地回路故障狀態下信號特征

小電流接地回路故障狀態下產生的信號頻率范圍分布極廣，從數百赫茲甚至到幾千赫茲，利用其短暫的故障狀態來進行電路檢測的前提是回路接地母線所有的線路電抗、電阻近似相等，即可用一個相等的電容來進行等效表示，不然，在正常狀態下，小電流接地活路部分成電容特性，一部分又成電感特性，難以確定電流分布規律。

根據電氣學基本理論，在正常小電流接地回路中，其電流網絡是末端開發的傳輸線，其母線的輸入阻抗特性隨著電流頻率的變化呈電感性與電容性交替更改，同時，消弧線圈的電流可以與電容電流正負抵消，影響小電流接地回路故障狀態下的信號檢測，在實際電網回路中，其回路電量頻率超過250Hz時，故障線路電流要遠大于正?；芈冯娏?，在極短的周期內，消弧圈電流的抵消影響較小，可以不予以考慮。

3.基于故障狀態信號特征無功功率方向選線方法

在正常小電流接地回路中，對母線處進行功率檢測，儀器所顯示的主要是由等效電容吸收的無功功率，所以我們考慮測量輸出狀態為無功功率和瞬時無功功率的回路為故障狀態下的小電流接地回路。

對于故障狀態信號的檢測，可根據電氣學原理，假設無功功率作為電壓限號與電流信號共同作用產生的平均功率，其在數值上等于瞬時無功功率與電流無功分量的乘積，選擇無功功率電路作為故障電路。

4.XJ-105小電流接地故障狀態監測系統

4.1 XJ-105系統結構

XJ-105系統采用了串聯回路系統，其電器配件主要為由后臺分析主機以及多臺前置數據采集裝置，加上網卡、繼電器節點、串行口等組成，由串聯方式組成自動監測與遠程通信傳輸回路系統。

其中，前置機與母線相連接，對母線電壓以及各輸出電路電流信號進行在線實時監測，如果回路中發生故障，可自動進行數據采集，并向后臺分析主機傳輸相關監測故障數據。

后臺機主要負責運行XJ-105小電流接地故障分析系統軟件，其主要任務是故障數據的讀取、存儲、接收、分析、輸出、并將分析結果向上匯報，發出報警指令等等。前置機與后置機通過串行口進行數據傳輸。

通過通訊系統的聯系，XJ-105可以作為電站綜合系統的一部分，可將回路中故障信息即時上報，從而實現小電流接地回路狀況的實時監測以及故障狀態的遠程傳輸、上報，本系統中通信協議采用DNP5.0。

4.2 XJ-105主要功能

本文自行發明的XJ-105小電流接地故障監測系統具有以下特點：

①對小電流接地回路系統進行實時監測；②故障數據、信息及時傳輸、上報；③故障自動選線，故障分析；④利用瞬時性故障對線路提出預警；⑤運行數據定時自動保存，以及歷史數據實時調用；⑥遠程事故診斷以及應對指令發送。

5.XJ-105小電流接地故障狀態監測系統關鍵技術分析

5.1 故障選線技術

本系統詳細介紹了基于故障狀態信號特征無功功率方向選線方法，可靈活地根據小電流接地回路中的信號情況進行故障線路選擇。

5.2 特征頻段的實用化確定技術

根據電器學原理，將消弧線圈接地電路特征下限選為205Hz，對于小電流非接地電路，其頻率下限為直流分量。根據文獻[7]研究結論，小電流接地回路故障狀態下的主諧振動頻率在特征頻段內，因此，其特征頻段的上限可以在主振頻率的基礎上加上一定安全值，一般來說，其上限頻率應保證在2000～3000Hz的范圍內。

5.3 故障狀態電壓電流信號特征分量的檢測

使用IIR濾波器，對小電流接地回路電流電壓先進行濾波處理，再提取其特征分量。同時需要注意的是，盡管IIR濾波器的幅頻特性良好，但在檢測過程中會引起信號相性位移，導致故障狀態信號失真，因此，必須在正向濾波后重新進行反向濾波，以保證濾波后的信號在所有頻率下不會存在相性位移。

5.4 數據采集與存儲

在小電流接地回路中，由于出現故障狀態時，回路信號頻率較高，通常對同一前置機需要監測的信號可達十幾路、甚至幾十路，因此必須設置高速信號收集并立即存儲，這對硬盤空間、CPU處理能力以及信號傳輸能力要求極高。

5.5 故障類型識別技術

由于小電流接地系統較為復雜，因此故障產生原因也眾多，本文自行發明的XJ-105小電流接地故障監測系統能自動進行檢測該次故障是瞬時性接地故障還是永久的接地性故障，并且可根據所分析的故障類型與原因，得到相應的故障選線結果，但瞬時性的故障系統只做記錄與存儲，只有系統中發生永久性的故障本系統才會將監測結果上報，以節約CPU分析工作量，提高系統運行效率與運行穩定性。

5.6相電壓過零故障

一般情況下，我們認為，在故障狀態下對小電流接地系統選線的困難在于過零故障不會有區別與正常狀態下的暫態信號。根據文獻[2]分析結論，在大部分事故導致的小電流接地電路破壞時，都會產生明顯的電勢差，其故障狀態的峰值電流也能輕松通過相關檢測儀器進行捕捉。

參考文獻：

[1]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理北京[J]：中國電力出版社

[2]薛永端，張德龍.基于暫態特征信息的配電網單相接地故障檢測研究[J].西安：西安交通大學，2005

[3]陳羽，柯振宇.連的需利用暫態信息的小電流接地電網接地故障選線系統的研制[J]北京：清華大學，2012

[4]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

作者簡介：

仇激文（1975.11—），男，江蘇揚州，大學本科，絕緣監督、電氣試驗，工程師，揚州供電公司。