CN102288872A - 基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法，单相接地故障发生后，通过电压互感器二次侧向故障相短时注入一个恒频正弦电流信号，该电流会在故障线路上产生相应的压降，采用线路的分布参数模型，基于长线方程可写出线路首端注入信号电压、电流与故障点处注入信号电压、电流之间的关系式。另外，还可以写出故障点处注入信号电压、电流与过渡电阻的关系表达式。令过渡电阻虚部为0，求解复数方程，便可求得故障距离。本发明的优点在于：采用注入信号测距，不受***结构、运行方式和消弧线圈的影响，采用线路的分布参数模型，不受分布电容的影响，测距结果具有较高的精度，且具有良好的抗过渡电阻能力。

Description

基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法

技术领域

本发明涉及电力***故障测距方法，尤其是一种基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法。

背景技术

我国6-35kV配电***普遍采用小电流接地的运行方式，该运行方式的优点是当发生单相接地故障时，由于***线电压仍然对称，可以带故障继续运行2小时，因此具有较高的供电可靠性。该运行方式的缺点是单相接地故障特征不明显，给故障线路选择和故障测距带来较大困难。目前对小电流接地***单相接地故障选线原理和技术的研究较多，也提出了多种选线方法，其中基于信号注入原理的单相接地故障选线方法由于具有不受***运行方式和消弧线圈影响、选线准确率高等优点，获得了较为普遍的应用。但对于单相接地故障测距技术研究的不够深入，由于受***结构、运行方式、过渡电阻、故障特征不明显等因素的影响，故障测距精度有待提高。

中国专利申请200510016286.3公开了一种小电流接地***输电线路单相接地故障的测距方法，该方法采用由数据采集器采集到的零序信号大于门槛值时，启动故障测距算法；对采集到的故障电压数据或故障电流数据进行高通滤波处理，滤除工频及以下低频谐波分量；计算经过滤波处理后的故障点的距离。该发明难以解决中性点经消弧线圈接地***的单相接地故障测距问题，测距精度受距离系数的影响较大。

中国专利申请200810229756.8公开了一种小电流接地***双回线单相接地故障测距方法，该方法将不同位置的双回线进行编号并预置在接地转移装置的微机中；由微机实时采集、计算变电站母线上的相、线电压及零序电压和各线路零序电流，判别***有无接地及接地的相别，当***发生单相接地故障时，由微机给出接地相的分相开关合闸指令，同时给出录波指令；录波完成后，微机结合双回线的编号通过测量的零序电压和零序电流进行选线操作；然后，通过微机按测量双回线第一线接地电流分流值方程、测量双回线第二线接地电流分流值方程、测量流入故障点接地电流值方程和测量线路末端到故障点之间的距离方程进行计算，求得双回线某一点接地时接地点的所在位置，即线路末端到故障点之间的距离。本发明通过故障发生后控制中性点短时接地的方式人为增大零序电流，从而达到正确选线和测距的目的，过大的零序电流会给***设备的正常运行带来不利影响，且需要增加相应的一次设备。

中国专利申请201010135675.9公开了一种输电线路单相接地故障电流行波三基色表示的故障测距方法，本发明将交流输电线路的故障电流方向行波用三基色表示，在三基色色彩模式下实现单端故障测距，在保证故障测距准确性的同时，使得测距更加直观。本发明主要针对输电***单相接地故障的测距问题，对采样频率的要求很高，且适用于线路长度较长、中间无分支等情况，配电***线路长度较大，线路中间分支众多，故障行波的折反射过程复杂，在配电***中采用该方法存在一定的局限性。

发明内容

为提高小电流接地***单相接地故障测距的精度，本发明提供一种基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法。当发生单相接地故障后，首先向故障相注入一个频率恒定的正弦电流信号，根据比较各条出线中注入信号电流幅值的大小，选出故障线路，然后基于线路的分布参数模型，列出故障线路首端注入信号电压、电流与故障距离及过渡电阻之间关系的数学表达式，根据过渡电阻呈阻性的特点，可以通过解方程求出故障距离，从而达到故障测距的目的。

本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法，包括以下步骤：

第一步：小电流接地***发生单相接地故障后，根据相电压和零序电压的变化情况确定故障相别，启动信号源由电压互感器二次侧向配电***注入频率恒定的正弦电流信号；

第二步：通过各线路的零序电流互感器测量得到流过每条线路的注入信号电流，对这些电流幅值进行比较，最大值对应的线路即为故障线路；

第三步：通过电压互感器测量得到注入电流在故障线路形成的电压降，通过故障线路的零序电流互感器测量得到注入到故障线路中的电流幅值；设电压测量点到故障点之间的距离即故障距离为l，基于线路的分布参数模型和长线方程，列出测量点处注入信号电压、电流与故障点处注入信号电压、电流的关系表达式；注入电流在故障点处产生的电压还等于流过该点的注入电流与过渡电阻的乘积，由此得到过渡电阻与测量点的注入信号电压电流以及故障距离l之间的关系表达式；

第四步：上述表达式为复数方程，因为过渡电阻呈现阻性，故其虚部为0，据此求解复数方程得到故障距离l。

所述的第一步中的单相接地故障发生后，故障相电压降低，小于额定电压的60％，而非故障相电压和零序电压会升高，据此可以找出故障相别。确定故障相别后，控制注入信号源通过电压互感器二次侧向***故障相注入正弦电流信号，以便进行故障选线和故障测距。为了便于检测，注入信号的频率必须与电力***固有信号的频率相区分，信号源的输出信号频率f_s不能为50Hz或50Hz的整倍数，即n×50Hz＜f_s＜(n+1)×50Hz，n＝1，2，3...。

所述的第二步中的注入信号测量自零序电流互感器。注入到各配电线路中的电流信号必然会流经零序电流互感器，因此可用零序电流互感器对注入的电流信号进行测量，但零序电流互感器同时还会反应50Hz的工频电流信号和50Hz整倍数次频率的谐波电流信号，因此必须采用模拟滤波器和数字滤波器才能可靠、准确的将注入信号提取出来。接在同一条母线上的所有线路中均会有注入电流信号流入，但流入故障线路中的注入信号最大，比较流入各条配电线路中的注入电流的大小，最大电流对应的线路即为故障线路。

所述的第三步中的线路分布参数模型如图1所示。在已知测量点注入信号电压、电流的基础上，设故障点与测量点之间的距离为l，通过长线方程写出测量点电压、电流与故障点电压电流之间的关系表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1\\ {\stackrel{\·}{I}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \mathrm{\γl}& Z_c\sinh {\mathrm{\γ}}_l\\ \frac{\sinh \mathrm{\γl}}{Z_c}& \cosh \mathrm{\γl}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_F\\ {\stackrel{\·}{I}}_F\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，

为线路首端测量点处的注入信号电压和电流相量，

为线路的特征阻抗，

为线路的传播系数，z₁、y₁为线路单位长度阻抗和导纳，

为故障点处的注入信号电压和电流相量。

设过渡电阻为R_g，配电线路总长度为L，注入信号在整条线路中的分布情况以及故障点处注入信号电压、电流的关系如图2所示，可以写出故障点处注入信号电压、电流的关系表达式：

${\stackrel{\·}{U}}_F={\stackrel{\·}{I}}_g\·R_g=({\stackrel{\·}{I}}_F-{\stackrel{\·}{I}}_Y)\·R_g---\left(2\right)$

其中，为流经过渡电阻R_g的注入电流，

为故障点到线路末端的等效导纳电流，该值为：

${\stackrel{\·}{I}}_Y={\stackrel{\·}{U}}_F\·Y_E={\stackrel{\·}{U}}_F\·[y_1\·(L-l)]---\left(3\right)$

其中，Y_E为故障点到线路末端的等效导纳，L为配电线路的总长度。

由公式(1)～(3)可以整理出过渡电阻R_g的表达式为：

$R_g=\frac{Z_c}{-\frac{\sinh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{U}}_1-Z_c\cosh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{I}}_1}{\cosh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{U}}_1-Z_c\sinh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{I}}_1}-\mathrm{\γ}(L-l)}---\left(4\right)$

上式为复数方程，而过渡电阻R_g呈阻性，因此其虚部为0。根据该条件求解式(4)，即可求出故障距离l。

本发明在基于信号注入原理完成单相接地故障选线的基础上，通过分析注入信号在故障线路中的分布规律，可以得到描述注入信号电压、电流与线路参数之间数学关系的方程表达式，通过求解方程就能够计算出故障距离，从而完成线路单相接地故障测距功能。

本发明采用恒频正弦交流信号对小电流接地***单相接地故障进行测距，与现有同类技术相比具有如下优点：

1.与采用工频信号进行故障测距的方法相比，采用注入信号进行测距具有不受***结构、运行方式和消弧线圈的影响的特点，具有较好的适用性。此外，注入信号只在单相接地故障发生后才出现，在正常运行及其它故障条件下都不会出现，能够确保故障测距的精度；

2.与采用线路集中参数模型的测距方法相比，采用分布参数模型能够较好的克服分布电容的影响，从线路模型上保证了测距的精度；

3.充分考虑了经过渡电阻接地时故障点到线路末端之间分布电容的分流作用，进一步提高了故障测距的精度；

4.利用过渡电阻呈阻性、虚部为0的特征求解故障距离方程，具有运算量小、计算速度快、不存在伪根等优点。

附图说明

图1是线路分布参数模型示意图；

图2是故障点处注入信号电压、电流关系示意图；

图3是基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距***构成示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

1.单相接地故障测距***的构成

小电流接地***单相接地故障测距***构成如图3所示。该***包括注入信号源、电压互感器、零序电流互感器和单相接地故障测距装置。注入信号源能够产生一个频率与电力***固有频率不同的正弦电流信号，幅值约为5A，注入信号源仅在发生单相接地故障时短时接至电压互感器二次侧的故障相别上，向故障线路注入可供检测的信号，故障消失后停止注入信号；电压互感器一方面用来测量***各相、零序电压和注入信号电压，另一方面将注入信号由二次侧耦合到一次***中；零序电流互感器用来测量流入到本条线路中的注入信号电流；单相接地故障测距装置通过测量母线处的注入信号电压和故障线路首端的注入信号电流，计算出单相接地故障距离，为快速发现并排除故障提供依据。

2.单相接地故障检测及故障选线

小电流接地***发生单相金属性接地故障时，故障相电压为0，非故障相电压升高为线电压，由零序电压互感器二次侧得到的零序电压约为100V，根据上述电压的变化规律，可以找出故障相别。然后将能产生恒频正弦交流信号的电流源接至故障相电压互感器的二次侧，通过电压互感器将注入信号耦合到一次***。由于故障线路存在接地点，因此会流过较大的注入信号，而非故障线路上没有接地点，只会流过很小的分布电容电流。无论哪一相发生故障，注入信号都会流经线路的零序电流互感器，因此从各出线的零序电流互感器二次侧可以检测到注入信号。通过对流过各条线路的注入电流幅值进行比较，最大值对应的线路即为故障线路，这样就可以确定出故障线路。

3.单相接地故障测距

在选出故障线路的基础上，通过电压互感器可以测得故障线路首端的注入信号电压，通过故障线路上的零序电流互感器可以测得流过注入线路首端的注入信号电流。假设故障点与线路首端之间的距离为l，基于图1所示的分布线路参数模型，采用长线方程可以通过首端电压、电流得到故障点处的电压和电流，如公式(1)所示

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1\\ {\stackrel{\·}{I}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \mathrm{\γl}& Z_c\sinh {\mathrm{\γ}}_l\\ \frac{\sinh \mathrm{\γl}}{Z_c}& \cosh \mathrm{\γl}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_F\\ {\stackrel{\·}{I}}_F\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，

为线路首端测量点处的注入信号电压和电流相量，为线路的特征阻抗，

为线路的传播系数，z₁、y₁为线路单位长度阻抗和导纳，为故障点处的注入信号电压和电流相量。

注入信号电流在故障线路中的分布如图2所示。

为线路首端的注入信号电压和电流相量，

为基于线路分布参数模型得到的故障点处的注入信号电压和电流相量，其中故障距离l为未知数。流入故障点的注入信号电流没有全部流经过渡电阻，还有一部分被故障点到线路末端这段线路的分布电容所分流。考虑到分流主要由分布电容引起，且分布电容较大，为简化分析计算，故障点到线路末端的分布电容可以用一个具有集中参数特性的导纳来代替，如图2中的Y_e所示。则等效电容对注入信号的分流为：

${\stackrel{\·}{I}}_Y={\stackrel{\·}{U}}_F\·Y_e---\left(5\right)$

流经过渡电阻的注入电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_g={\stackrel{\·}{I}}_F-{\stackrel{\·}{I}}_Y={\stackrel{\·}{I}}_F-({\stackrel{\·}{U}}_F\·Y_e)---\left(6\right)$

而：

${\stackrel{\·}{U}}_F={\stackrel{\·}{I}}_g\·R_g=[{\stackrel{\·}{I}}_F-({\stackrel{\·}{U}}_F\·Y_e)]\·R_g---\left(7\right)$

所以：

$R_g=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_F}{{\stackrel{\·}{I}}_F-({\stackrel{\·}{U}}_F-Y_e)}---\left(8\right)$

将式(1)代入到上式中，可以得到式(4)。式(4)包含两个未知数，分别是R_g和l。由于过渡电阻R_g呈阻性，因此只有实部，虚部为0。利用这个特点，可以通过式(4)求解出未知数l，即故障距离。

Claims (4)

1.一种基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：小电流接地***发生单相接地故障后，根据相电压和零序电压的变化情况确定故障相别，启动信号源由电压互感器二次侧向***注入频率恒定的正弦电流信号；

第二步：通过各线路的零序电流互感器测量得到流过每条线路的注入信号电流，对这些电流幅值进行比较，最大值对应的线路即为故障线路；

第三步：通过电压互感器测得注入电流在故障线路形成的电压降，通过故障线路的零序电流互感器测量得到注入到故障线路中的电流；设测量点到故障点之间的距离即故障距离为l，基于线路的分布参数模型和长线方程，列出测量点处注入信号电压、电流与故障点处注入信号电压、电流的关系表达式：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1\\ {\stackrel{\·}{I}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cosh \mathrm{\γl}& Z_c\sinh {\mathrm{\γ}}_l\\ \frac{\sinh \mathrm{\γl}}{Z_c}& \cosh \mathrm{\γl}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_F\\ {\stackrel{\·}{I}}_F\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，

为线路首端测量点处的注入信号电压和电流相量，

为线路的特征阻抗，为线路的传播系数，z₁、y₁为线路单位长度阻抗和导纳，

为故障点处的注入信号电压和电流相量；

设过渡电阻为R_g，配电线路总长度为L，故障点处注入信号电压

电流

的关系表达式：

${\stackrel{\·}{U}}_F={\stackrel{\·}{I}}_g\·R_g=({\stackrel{\·}{I}}_F-{\stackrel{\·}{I}}_Y)\·R_g---\left(2\right)$

其中，为流经过渡电阻R_g的注入电流，为故障点到线路末端的等效导纳电流，该值为：

${\stackrel{\·}{I}}_Y={\stackrel{\·}{U}}_F\·Y_E={\stackrel{\·}{U}}_F\·[y_1\·(L-l)]---\left(3\right)$

其中，Y_E为故障点到线路末端的等效导纳，L为配电线路的总长度；

注入电流在故障点处产生的电压还等于过渡电阻与流经过渡电阻的注入电流的乘积，由此得到过渡电阻与测量点的注入信号电压、电流以及故障距离l之间的关系表达式，即由公式(1)～(3)整理出过渡电阻R_g的表达式为：

$R_g=\frac{Z_c}{-\frac{\sinh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{U}}_1-Z_c\cosh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{I}}_1}{\cosh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{U}}_1-Z_c\sinh \mathrm{\γl}{\stackrel{\·}{I}}_1}-\mathrm{\γ}(L-l)}---\left(4\right)$

第四步：上述表达式(4)为复数方程，该复数方程中包含过渡电阻和故障距离两个未知数，但由于过渡电阻呈阻性，故其虚部为0，据此求解复数方程得到故障距离l。

2.根据权利要求1所述的基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法，其特征在于：所述的第一步中的信号源是频率恒定的交流正弦电流源，为了便于检测，注入信号的频率必须与电力***固有信号的频率相区分，信号源的输出信号频率f_s不能为50Hz或50Hz的整倍数，即n×50Hz＜f_s＜(n+1)×50Hz，n为正整数。

3.根据权利要求1所述的基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法，其特征在于：所述的第二步中的对注入信号电流的测量通过零序电流互感器完成；注入到线路中的电流信号必然会流经零序电流互感器，单相接地故障发生后，零序电流互感器的二次侧输出不仅包含50Hz工频信号及谐波信号，还包含注入信号，采用模拟滤波器和数字滤波器将注入信号分离出来。

4.根据权利要求1所述的基于信号注入法的小电流接地***单相接地故障测距方法，其特征在于：所述的第三步中线路采用的是分布参数模型，模型本身已经考虑了分布电容的影响，因此具有较高的精度。

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