小電流接地系統單相接地選線裝置設計與實現

周 鵬，周玉國，張景景，于婷婷

（青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266033）

在我國6～66 kV中低壓供電電網中，一般采用的是中性點不接地、經消弧線圈接地或高阻接地的方式。這些接地方式在發生單相接地故障時，由于故障電壓仍然對稱，故不必立即切斷電源，提高了供電的可靠性。但是在發生故障時，非故障相相電壓升高到線電壓幅值，長時間帶故障運行就可能造成輸電線路的絕緣擊穿或是發生相間短路等電力事故，所以這類接地故障需要在一定時間內進行解決，一般規定設備可以在此類故障下運行2 h[1]。

中性點不接地、經消弧線圈接地或高阻接地的配電系統發生單相接地故障時，故障點會產生比較小的零序電流，三相電壓對稱性沒被破壞，設備運行正常，所以這類故障十分隱蔽，為檢測帶來一定困難?；诠收锨昂箅娏髋c電壓的變化關系，本文設計了一種具有實時性、可靠性與便于操作性的實時小電流檢測系統。

1 小電流選線方案分析

目前，對于小電流選線的方法主要分為基于暫態分量的選線方案與基于穩態分量的選線方案兩種[2]。其中基于暫態分量的選線方案，主要包括小波變換法、首半波法及最大基波法等。基于穩態分量的選線方案，主要包括零序電流比幅法、群體比幅比相法等。此外，還有注入基波法，S注入法等選線方法[3]。

雖然基于暫態分量的選線方法對于線路的瞬間接地尤其是間歇性電弧接地故障判斷實時性強，但是由于該選線方法存在較大的理論缺陷，目前沒有使用經驗[4]，故本系統沒有采用暫態分量選線方案。注入信號方法需要在電網中注入所需要頻率的信號，這不僅提高了傳感器精度的要求，而且對于電能質量產生影響，故本選線系統也不采用。為了開發切實可靠的小電流選線系統，而且考慮到暫態分量檢測對于電弧接地等一些瞬時性接地，在電弧消失后，系統能夠恢復正常，故本文采用的選線方案主要是基于穩態分量的方案。

小電流接地系統在故障發生時，變化量最明顯的是電路中相電壓升高到線電壓幅值，故本系統首先是對于輸電線路的電壓值進行檢測。在小電流接地故障發生后，電路產生的零序電流值變大，系統可以進一步對電路的零序電流進行檢測，以提高檢測的可靠性。對于中性點經消弧線圈接地的系統，在過補償方式下，故障線路的穩態零序電流為過補償時產生的過剩電感電流，其方向與非故障線路相同。所以這種情況下，對于零序電流的檢測方法可能會失效。在系統中采用了零序補償導納法[5]進行最后的判別。

2 小電流選線方案設計

采用零序補償導納法對小電流接地系統進行選線，通過判斷輸電線路的導納的夾角所在坐標軸區域來確定輸電線路是否發生故障。由于涉及到電流的方向及相位角的檢測，本系統采用的是直接檢測零序導納模值的方法來判斷電路是否為故障線路[6-7]。

正常運行線路基波零序電流可以表示為：

式中，Idi0為故障情況下第i條非故障條件下的零序電流；Ud0為故障情況下中性點的零序電壓；Ci=CiA+CiB+CiC，為第i條非故障線路對地的總電容。

由式（1）可得：

式中，Ydi0為故障情況下測得的第i條非故障線路的零序導納。

線路發生單相接地故障時，對于中性點不接地系統與中性點接地系統的零序導納分別討論。

（1）中性點不接地系統的單相接地

故障線路的零序電流為：

可以得到故障線路的零序導納為：

（2）中性點經消弧線圈系統的單相接地

可得到故障線路的零序導納為：

由于中性點不接地系統沒有消弧線圈的補償，如果該種電路發生小電流接地故障，通過檢測電路中的零序電流與零序電壓的變化即可判斷出接地故障。因此，本文主要討論中性點經消弧線圈接地系統的補償導納法判斷接地故障。根據上述公式，非故障線路的零序導納為：

中性點經消弧線圈接地線路故障時的零序導納：

由于輸電線路敷設環境復雜，對于相位角的測量難度較大，很難完成對于線路相位角的精確測量。在本系統中對于零序導納的角度不做處理，通過對零序導納模值的比較判斷是否是小電流接地故障。則根據式（9）可得非故障線路的零序導納的模值為：

故障線路的零序導納模值為：

如果各輸電線路的外部環境是相同的，則有：

則零序導納的變化量為：

對于中性點經消弧線圈補償的小電流接地系統，在過補償的情況下電路呈現感性，有：

在國內的小電流接地電力系統中，頻率均為50Hz，則：

對于輸電線路的對地電容，可根據參考文獻[8]進行計算，在此不做詳述。

本系統對于補償零序導納的判斷是根據這個測量零序導納與設定的零序導納的偏差進行監測。對于輸電線電壓升高，線路中產生的零序電流明顯增大或是補償導納偏差增大的線路，即可判定為是故障線路。采用零序補償導納方法進行對于輸電線的監測，既增加了檢測系統的可靠性，又沒有造成硬件上的太大改變。采用零序補償導納法配合零序電壓與零序電流方法監測小電流接地電路理論上比較合理，現實中也易于實現，方案可行。

3 軟硬件系統設計與實現

3.1 硬件系統的設計

系統的硬件結構圖如圖1所示。硬件系統主要包括零序電流和零序電壓的采樣、濾波及信號調理、觸摸屏輸入輸出、時鐘、電源以及中央處理單元S3C2440。小電流監測系統的主要功能有：

（1）對于線路的零序電壓的實時檢測。當電路的零序電壓大于設定值時，啟動零序電流以及零序導納檢測任務。系統如果發現故障，啟動報警程序。

（2）觸摸屏是系統最主要的人機交互通道。系統中各種門限值參數的設定以及系統內部的輸出信息，主要是通過觸摸屏來實現的。

（3）對于系統的外加時鐘，采用獨立鋰電池供電確保時鐘信號的準確性。系統在一次校正時鐘以后，不必再校正。

（4）系統的實時性。系統實時檢測的電路信息，在顯示器上都會有顯示。如出現問題時，故障信息也能夠正確清晰顯示。

圖1 小電流監測系統硬件組成

3.2 軟件系統的設計

小電流監測系統的主要任務流程如圖2所示。

軟件系統的主要任務有零序電壓監測任務、零序電流監測任務、補償導納監測任務、時間任務、按鍵任務以及顯示任務。其中的主要流程如下：

（1）為提高系統的實時性能，系統首先對于輸電線路的零序電壓進行實時監測。當零序電壓的測量值超過設定的門限值時，啟動零序電流監測任務與補償導納監測任務。

（2）零序監測任務的檢測值超過設定電流或是補償導納發生變化，系統將啟動報警程序。

（3）系統時鐘采用電池單獨供電，確保時鐘的正常運行，增加系統的可靠性。

圖2 小電流監測系統主程序框圖

（4）系統的人機交互主要采用觸摸屏實現。觸摸屏負責對小電流接地系統信息的顯示以及對于系統內部參數的設置。

對于零序補償導納法，系統通過檢測零序電流與零序電壓的相位角來進行判別。線路正常運行時，零序電流超前零序電壓90°；線路出現故障時，零序電流滯后零序電壓90°。根據零序電流與零序電壓的方向關系，判斷線路是否發生故障。

當有線路發生接地故障時，故障線路的零序電流與其余線路的零序電流符號相反。零序導納產生差值，系統就會獲取相位角變送器的信號求出零序導納的偏移角，通過比較測量偏移角與設定偏移角的關系，來判定是否發生小電流接地故障。為提高選線的準確度，系統連續兩次采樣相位角變送器信號，如果兩次采樣的信號與設定值的比較結果一致，則系統就會輸出診斷結果；如果采樣結果不一致，則會第三次讀取相位角變送器信號，并比較后兩次的結果。如果一次連續比較中的對相位角變送器信號的讀取次數等于5次，則認為該線路發生故障，輸出故障信息并啟動故障報警裝置。

本系統的數據信息處理單元采用的是ARM處理器S3C2440，該處理器內核采用的是RISC體系結構，減小了開發難度。同時采用的是5級流水線，進一步增大了系統的執行速度，最高指令執行速度可達500 MIPS。對于嵌入式系統的選擇上，充分考慮到實時性能的要求，采用實時性最好的μC/OS-II操作系統，這樣在軟件上也提高了系統的實時性能。

針對小電流接地故障難發現、難確定的現狀，本文設計了一個基于零序電流、零序電壓的選線方法，提出并利用了基于導線對地電容的選線判據。對于影響選線正確性的因素進行了分析，提出解決措施。采用實時性與可靠性俱佳的嵌入式操作系統，大大提高了選線的實時性與準確性。在小電流接地的供電網中，本系統能夠準確發現線路中的接地故障。

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