一種不停運(yùn)配電網(wǎng)接地故障定位儀設(shè)計

楊仁桓，林中森，夏良標(biāo)，楊秀增

（1.暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632；2.玉林供電局，廣西 玉林 537000）

0 引 言

配電網(wǎng)接地故障是供電系統(tǒng)的常見現(xiàn)象，目前配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)非有效接地方式，即小電流接地方式，其優(yōu)點(diǎn)是短路電流小，保護(hù)裝置不需要立即動作跳閘。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)非故障相對地電壓升高為線電壓，若不及時處理，極易發(fā)展成兩相短路使故障擴(kuò)大，弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓[1]。由于配電線路分支眾多，定位接地故障點(diǎn)難，用戶對供電可靠性要求不斷提高，迫切需要解決在線配電網(wǎng)故障定位問題，即希望供電系統(tǒng)在不切斷線路情況下，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確故障定位。

經(jīng)過多年的努力，選線問題已經(jīng)有所突破[2-3]，但定位問題仍沒有得到很好解決。近年，國內(nèi)外學(xué)者在故障定位技術(shù)上做了很多有益的研究，采用不同方法進(jìn)行應(yīng)用，如Hizam H等[4]采用行波法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障定位，張利等[1]采用移動式比相法開展配電網(wǎng)接地故障定位技術(shù)研究，莊偉等[5]基于零序電流有功分量實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障定位，王世斌等[6]應(yīng)用近似熵算法研究單相接地故障定位，高鳴等[7]基于S注入法實(shí)現(xiàn)小電流接地故障定位。

綜上所述，配電網(wǎng)的故障定位方法可分為離線定位和在線定位兩大類。離線方法有行波法、直流法等，行波法通過行波傳輸特性來判斷故障位置，往往受到過渡電阻和分支數(shù)目的影響；直流法向線路注入直流信號，通過對直流信號的檢測來判斷故障位置，不受過渡電阻的影響，但需要登桿檢測，操作麻煩，這兩種離線方法都必須斷開故障線。在線常用定位方法有S注入法，S注入法通過電壓互感器注入交流220Hz電流信號，沿故障線路跟蹤尋找所注入信號的通路進(jìn)行故障定位；但S注入法也有不足，當(dāng)接地電阻＞1 kΩ時，220 Hz交流信號能夠通過線路對地電容形成回路，易受接地電阻和線路分布電容的影響，造成信號測試?yán)щy。

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障在線定位，克服探測測試信號困難，本文將從變壓器中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)給配電網(wǎng)注入異頻特征信號，通過手持式定向電荷遙感探測器同步探測分析測試信號，實(shí)現(xiàn)有接地故障塔桿的準(zhǔn)確定位。

1 測試方法

1.1 測試信號的加載方法

圖1給出了測試信號的加載方法，即通過外加一個電壓互感器（PT），從變壓器中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)加載測試信號。這種測量方式的優(yōu)點(diǎn)是測試人員不必考慮母線PT組的接線方式，在測量過程中也無需二次班組人員配合[7-8]。Tr為變壓器35 kV側(cè)繞組，或是10kV系統(tǒng)的接地變，O為變壓器中性點(diǎn)，Ca、Cb、Cc分別為三相對地電容，PT是外加的一個電壓互感器，AX，ax分別為PT的一、二次繞組。采用上述方法進(jìn)行電容電流測量時要外加一個PT，這是為了將高壓和低壓進(jìn)行安全隔離，保證試驗(yàn)人員及測試儀器的安全。

圖1 測試信號的加載方法

配網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，變壓器中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)對地電壓較低，一般只有幾十伏到幾百伏，但如果測量時系統(tǒng)發(fā)生單相接地，其對地電壓就上升為相電壓，對35kV和10kV系統(tǒng)而言，此時中性點(diǎn)的電壓分別為20.2 kV和5.8 kV。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，若不經(jīng)過PT而直接將儀器引線到中性點(diǎn)進(jìn)行測量，則會有很高的電壓加在儀器上，危及儀器和試驗(yàn)人員的安全。因此，基于安全性考慮，從變壓器中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)加載測試信號時采用PT隔離十分必要。這種測試信號加載方法實(shí)現(xiàn)了不停運(yùn)測試，避免登桿塔掛線的危險和麻煩。

1.2 測試信號的探測

主機(jī)根據(jù)接地故障類型輸出特征測試信號，并加載到配電網(wǎng)，同步觸發(fā)信號以無線電的方式傳送給手持探測器，手持端探測器通過定向電荷遙感探頭指向塔桿或指向架空線同步疊加探測測試信號。這種同步疊加探測方法可有效消除噪聲，增強(qiáng)探測信號，極大提高探測針對性，增強(qiáng)接地故障定位準(zhǔn)確性。如果沿桿塔方向有特征測試信號，即信號相關(guān)系數(shù)超閾值，則此桿塔有接地電流和接地故障。如果桿塔方向沒有特征測試信號而線路上有特征測試信號，則對特征測試信號進(jìn)行分析。如果同時有較大電阻電流和電容電流，則說明故障在下游；如果有較大電容電流和較小電阻電流，則說明接地故障在上游。手持探測器通過探測特征測試信號、分析信號、結(jié)合實(shí)際探視經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，給出探測結(jié)果或探測引導(dǎo)指示。

1.3 特征測試信號的提取

測試特征信號頻率，通過窄帶濾波器提取出特征測試信號，求出檢測信號與標(biāo)準(zhǔn)信號的相關(guān)系數(shù)。根據(jù)測試電流相量計算出等效的電阻電流和電容電流，從而獲得同步疊加探測特征測試信號。由于需要測試電流相量，故測試信號頻率不能過高，主機(jī)和手持探測器的同步必須準(zhǔn)確。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試信號加載主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

圖2給出測試信號加載主機(jī)系統(tǒng)框圖，測試信號加載主機(jī)由220V市電供電，由操作按鍵、DSP控制處理器、驅(qū)動模塊、整流模塊、高頻逆變PWM、高頻變壓器、整流及保護(hù)、監(jiān)測保護(hù)模塊、無線同步模塊、LCD液晶顯示器組成。220 V市電經(jīng)過整流模塊變成300 V直流電，高頻逆變PWM在驅(qū)動模塊控制下，經(jīng)整流濾波產(chǎn)生特征測試信號。監(jiān)測保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)對儀器輸出電壓、電流的監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常立即動作斷電保護(hù)。特征測試信號經(jīng)高頻升壓變壓器升壓至合適電壓后，經(jīng)測試PT接至故障線路。操作按鍵和LCD液晶顯示器提供簡便用戶交互。

2.2 便攜式手持探測器系統(tǒng)設(shè)計

圖3為便攜式手持探測器系統(tǒng)框圖，由定向電荷遙感探頭、電荷感應(yīng)放大器、模擬濾波電路、全差分程控放大電路、全差分14位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、無線同步模塊、嵌入式ARM7處理器和觸摸屏組成。定向電荷遙感探頭是半邊平板電容凹面陣列，可定向遙感指向帶電體的電荷信號；電荷感應(yīng)放大器實(shí)現(xiàn)電荷信號的高靈敏低噪聲放大，電路原理如圖4所示；模擬濾波電路是一個窄帶濾波器，用于提取特征測試信號；全差分程控放大電路實(shí)現(xiàn)低噪聲低零漂高增益放大，把特征測試信號調(diào)理至合適的幅度范圍；全差分14位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8667，采用全差分型電路設(shè)計和千分之一準(zhǔn)確度基準(zhǔn)參考電壓源。無線同步模塊實(shí)現(xiàn)與主機(jī)配合同步疊加探測特征測試信號；ARM7處理分析特征測試信號，結(jié)合實(shí)際探視經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后給出探測結(jié)果或探測引導(dǎo)指示；觸摸屏設(shè)計提供人機(jī)交互界面，顯示報告探測結(jié)果或探測引導(dǎo)指示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5給出儀器軟件流程圖，圖5（a）為信號加載主機(jī)軟件流程，通過程控電路設(shè)計和儀器軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)主機(jī)自動測試故障類型自動加載特征測試信號。圖5（b）為手持探測定位器軟件流程，根據(jù)測試塔或是線路自動分析特征測試信號，結(jié)合實(shí)際探視經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，給出探測結(jié)果或探測引導(dǎo)指示。

圖2 測試信號加載主機(jī)系統(tǒng)框圖

圖3 便攜式手持探測器系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證本接地故障定位儀可行性，實(shí)驗(yàn)?zāi)M電阻性接地、弧光間歇接地、樹枝接地等3種接地故障進(jìn)行驗(yàn)證，表1給出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：電阻性接地和樹枝接地故障的檢出率較高，弧光間歇接地故障檢出率相對低一些，檢出率均在84%以上，假陽率均為0，平均定位誤差最大為8.3m，能準(zhǔn)確、快速進(jìn)行故障定位，設(shè)計方案可行。

3.2 討 論

圖4 定向電荷遙感探頭電路圖

若加載高頻測試信號，由于趨膚效應(yīng)，測試信號將在發(fā)射端向空間輻射，沿線路的信號很弱，又受到沿空間輻射的同源電磁波干擾，造成接地故障探測困難；若加載低頻測試信號，則線路信號很強(qiáng)，而線路測試信號向空間輻射電磁波能量很小，造成用天線探測線路的特征測試信號困難。本文通過定向電荷感應(yīng)放大方法，能有效解決低頻測試中探測信號困難的問題。

圖5 儀器軟件流程圖

表1 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一種不停運(yùn)配電網(wǎng)接地故障定位儀，測試主機(jī)從變壓器中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)給配電網(wǎng)注入異頻特征信號，通過手持式定向電荷遙感探測器同步疊加探測分析測試信號，實(shí)現(xiàn)接地故障的準(zhǔn)確定位。該方法對提高接地故障巡檢排除速度，提高檢修效率，提高供電可靠性，減少售電損失具有重要意義。

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