CN110967595A - 一种便携式非接触配电网接地故障检测定位*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，包括信号发生器和信号探测器，所述信号发生器包括电源单元、交流信号发生单元和耦合单元；所述耦合单元可与电网故障相相耦合，用于将所述交流信号发生单元生成的交流信号注入所述故障相。解决了困扰几十年的老大难问题，将抢修时间由数十小时下降到40分钟。配电网接地故障定位仪的成功研制丰富配电管理人员的接地故障检测手段，提高配网线路运行人员的技术储备水平；可以在故障发生后帮助配网运行人员迅速准确定位故障点，快速隔离、迅速排除故障，回复正常供电，提高供电可靠性，同时大大减少故障巡线人员的劳动强度，提高工作效率，挽回经济损失。全面提升配网运行管理水平。

Description

一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***
技术领域
本发明涉及电网中配电网故障检测技术领域，涉及配电网的故障定位技术，具体涉及一种便携式非接触配电网接地故障检测定位装置。
背景技术
目前电网的输电线路故障定位技术已经取得重大进展，定位效果好，但是配电线路的故障定位技术还无法满足现场要求。原因在于配电线路结构与输电线路相比差异很大，特别是配电线路分支众多，往往存在多级分支，而且线路上安装有大量配电变压器，从而导致广泛应用于输电线路的阻抗法、行波法等定位技术在配电线路上难以应用。目前对单相接地故障的检测与定位，仍然没有行之有效的设备。有一些设备能够查找一些简单的低阻接地故障，然而由于操作复杂使用不方便不能实用化而难以推广，最根本的是无法有效地查找高阻接地故障而不能推广使用。而高阻接地故障之所以难以查找，主要是线路的分布电容产生了极大的干扰。随着国家电网对智能电网的大力推广，电网的快速自愈功能极为重要，而快速自愈的前提便是快速故障定位，而接地故障定位尤其是高阻接地故障定位技术是其中的研究重点。
对单相接地故障的研究，目前主要有以下集中理论：
阻抗法：阻抗法的故障测距原理是假定线路为均匀，在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点与故障点的距离。阻抗法具有投资少的优点，但是受路径阻抗、线路负荷和电源参数的影响大，对于带有多分枝的配电线路，阻抗法无法确定故障点，他只适用于结构比较简单的线路。
行波法：根据行波理论，无论是相间短路还是单相接地故障，都会产生向线路两端传播的行波信号，利用线路测量端扑捉到暂态行波信号可以实现各种类型短路故障的测距。行波法是通过测量故障产生的行波在故障点及母线之间往返一趟的时间或利用故障行波到达线路两端的时间差来计算故障距离。在输电线路行波测距技术获得成功应用的基础上，已经有科研人员对配电网络的故障行波测距开展研究，但由于配电网结构复杂，混合线路接头处，线路分支处和负荷处均为行波阻抗不连续点，行波在阻抗不连续点的折射和反射造成线路一端测得的行波波形特别复杂，很难正确识别出故障点的反射波，使得测距实现困难。而利用双端法行波实现故障测距，虽然解决了测距中速度不连续的问题，有一定的实用性，但他只是对双端行波故障测距做了简单仿真验证，对实际应用中面临的困难和关键技术问题考虑不足，实现还有一定距离。
S注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电流，通过检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位。在发生接地故障后，通过三相电压互感器的中性点向接地故障线路注入特定频率的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号巡迹原理即可实现故障选线并可确定故障点。不少电力部门要求在***出现单相接地时选出接地线路后立即停电，在停电状态下进行接地故障点定位。针对此种情况，有研究在基于注入信号电流定位法的基础上，提出了“直流开路，交流寻踪”的离线式故障定位新方法。考虑到线路停电后绝缘可能恢复，该方法首先通过外加直流高压使接地故障点保持击穿状态，然后注入交流检测信号，通过寻踪注入的交流信号找出故障的准确位置，S注入法最大的优点在于适合于线路上只安装两相电压互感器***。其缺点在于：注入信号强度受PT容量限制，接地电阻较大时线路上的分布电容会对信号分流，给选线和定点带来干扰；如果接地故障点存在间歇性电弧放电现象，注入信号在线路中将不连续给检测带来困难。
在大部山地林区，配网线路供电半径长、运行环境复杂恶略、分支众多、变压器、开关、避雷器、等结构错综复杂，尤其在雷雨恶劣天气接地故障频发，而相当多的接地故障尤其是隐形接地故障的查找往往需要几个小时甚至数十个小时才能找到故障点，如果较长时间不能恢复送电，就会受到电力客户的投诉，社会负面影响大，也直接影响经济效益。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于配电网接地故障定位不准、故障排查难度大、时间长等问题。
依据本发明的一个方面，提供一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，包括信号发生器和信号探测器，其特征在于，所述信号发生器包括电源单元、交流信号发生单元和耦合单元；
所述耦合单元可与电网故障相相耦合，用于将所述交流信号发生单元生成的交流信号注入所述故障相。
优选方案，所述信号探测器包括电源单元、手持天线单元和信号处理单元，所述手持天线单元与信号处理单元相连接，手持天线单元可接收空间电磁波并传输至信号处理单元，所述信号处理单元可接收、和/或放大、和/或滤波所述电磁波信号。
优选方案，所述信号发生器包括功率控制单元，所述功率控制单元控制信号发生器的信号以第一规则输出交流信号，所述第一规则包括过程：设备启动工作至t0时刻，输出电压U1，并在t0时刻后输出电压U2；其中U1>U2。
优选方案，所述4500V≤U1≤5500V。
优选方案，所述U2不大于3000V。
优选方案，所述信号发生器包括自适应能量调节单元，所述自适应能量调节单元根据耦合单元所接入的电抗值调节电压U2，以使所述交流信号电流不小于100mA。
优选方案，所述交流信号电流不大于200mA。
优选方案，所述交流信号的频率为60Hz。
优选方案，所述信号探测器的信号处理单元包括放大调节组件，所述信号调节组件可用于调节所述信号处理单元的信号放大系数。
优选方案，所述检测定位***测试工作过程，包括调节所述信号处理单元的信号放大系数，使所述信号发生器通过耦合单元注入电网的电流为100mA时，信号探测器的有效探测距离L不大于18米。
优选方案，12m≤L≤18m。
优选方案，所述检测定位***包括数据处理单元，所述数据处理单元依第二规则处理并获得数据间的关系，所述第二规则包括计算两组变量数据x和y之间的相关系数ρxy：
Figure BDA0002274552420000041
其中：σxy为变量x、y的协方差，
Figure BDA0002274552420000042
分别为变量x、y的均值，σx、σy分别为变量x、y的标准差。
本发明所提供的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，为了解决上述问题，配电网接地故障定位仪得到成功应用，解决了困扰几十年的老大难问题，将抢修时间由数十小时下降到40分钟。配电网接地故障定位仪的成功研制丰富配电管理人员的接地故障检测手段，提高配网线路运行人员的技术储备水平；可以在故障发生后帮助配网运行人员迅速准确定位故障点，快速隔离、迅速排除故障，回复正常供电，提高供电可靠性，同时大大减少故障巡线人员的劳动强度，提高工作效率，挽回经济损失。全面提升配网运行管理水平，具有很大的推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例的便携式非接触配电网接地故障检测定位***信号发生器原理图；
图2为本发明实施例的便携式非接触配电网接地故障检测定位***信号探测器原理图；
图3为本发明实施例的便携式非接触配电网接地故障检测定位***试验仿真检测信号模拟波形图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
如图1、图2及图3所示，本发明一可选实施例中，提供了一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，包括信号发生器和信号探测器，所述信号发生器包括电源单元、交流信号发生单元和耦合单元；
所述耦合单元可与电网故障相相耦合，用于将所述交流信号发生单元生成的交流信号注入所述故障相。
优选实施例方案，所述信号探测器包括电源单元、手持天线单元和信号处理单元，所述手持天线单元与信号处理单元相连接，手持天线单元可接收空间电磁波并传输至信号处理单元，所述信号处理单元可接收、和/或放大、和/或滤波所述电磁波信号。
优选实施例方案，所述信号发生器包括功率控制单元，所述功率控制单元控制信号发生器的信号以第一规则输出交流信号，所述第一规则包括过程：设备启动工作至t0时刻，输出电压U1，并在t0时刻后输出电压U2；其中U1>U2。
优选实施例方案，所述4500V≤U1≤5500V。
优选实施例方案，所述U2不大于3000V。
优选实施例方案，所述信号发生器包括自适应能量调节单元，所述自适应能量调节单元根据耦合单元所接入的电抗值调节电压U2，以使所述交流信号电流不小于100mA。
优选实施例方案，所述交流信号电流不大于200mA。
优选实施例方案，所述交流信号的频率为60Hz。
优选实施例方案，所述信号探测器的信号处理单元包括放大调节组件，所述信号调节组件可用于调节所述信号处理单元的信号放大系数。
优选实施例方案，所述检测定位***测试工作过程，包括调节所述信号处理单元的信号放大系数，使所述信号发生器通过耦合单元注入电网的电流为100mA时，信号探测器的有效探测距离L不大于18米。优选为，12m≤L≤18m。
所述检测定位***包括数据处理单元，所述数据处理单元依第二规则处理并获得数据间的关系，所述第二规则包括计算两组变量数据x和y之间的相关系数ρxy：
Figure BDA0002274552420000061
其中：σxy为变量x、y的协方差，
Figure BDA0002274552420000064
分别为变量x、y的均值，σx、σy分别为变量x、y的标准差。
根据柯西-许瓦兹不等式：
Figure BDA0002274552420000062
可以知道|ρxy|≤1。当ρxy＝1时，表明x、y两变量是理想的线性相关；当pxy＝-1时，也是理想的线性相关，只是直线的斜率为负；当ρxy＝0时，表明两变量之间完全无关。
高阻接地故障难以查找的主要原因是线路分布电容对查找有很大的干扰。如何消除分布电容的干扰是本技术重点研究的问题。电容的容抗是随着交流信号的频率而改变的，而电阻则不然。本设备利用这一特性，能够区分出阻性电流和容性电流，使得查找故障变得容易。
基本理论公式：在正弦交变电路中
阻抗
Figure BDA0002274552420000063
容抗Xc＝1/(ω×C)＝1/(2×π×f×C)；电容器对于频率高的交流电的阻碍作用就减小，即容抗小，反之电容器对频率低的交流电产生的容抗大。对于同一频率的交流电电。电容器的容量越大，容抗就越小，容量越小,容抗就越大。
本实施例的根据这个方法，当使用信号发生装置向10KV故障线路调频注入一特定的信号，探测器能够运用相关函数法准确地分析出线路不同的物理位置上流过的信号电流的特点，从而准确区分故障电流与分布电容电流。更能精准的检测定位故障点。
研究步骤如下：
(一)、低频交流信号源注入原理的研究，低频交流故障定位方法是向故障线路注入60HZ的交流信号，电流为100mA,然后手持探测器利用二分法对线路进行地面探测，当线路有电流时说明故障点在下游，若无电流，说明故障点在上游。在故障点的前后探测器的信号采集计算的相关系数会有大幅度变化，以此来确定故障点。
交流信号发生器设计：1、能有效击穿故障点，使故障重现，形成故障回路，生成故障电流。这样要求信号源设计必须要达到输出一定的电压和功率。2、便于携带安全是设备实用化的前提，在这个前提下把输出电压和功率做到最大，这样有利于野外作业的抢修工作开展。3、操作简便，一键式操作，智能化控制，全自动调节输出电压。提高抢修效率。
具体参数设计：1、频率60HZ，选择既能与电力***50HZ固有频率工频信号完全不同易于区分开这样信号易于检测不至于被淹没，又尽量减少分布电容的影响同时也能减小体积。2、注入电流确定在100mA—200mA之间定位效果比较理想，在确定注入信号的频率后，对注入电流要求不能太大也不能太小，电流太小探测器不易探测到信号，电流太大功率就大体积就越大不太实用。3、输出电压5000V，瞬间输出击穿故障点，形成故障回路生成故障电流，0—3000V稳定提供能量，根据故障电阻大小自动可调。4、信号源功率确定1500W.即使在50K高阻接地故障时I＝5KV/50KΩ×1000＝100mA也能有效地检测到信号。5、便携式设计：把重量控制在22Kg以内。体积：450×380×200mm。
交流信号发生器主回路的设计，调压器、升压变压器、整流元器件，220V交流电源整流滤波后得到60HZ交流信号再经升压在变压器的输出端最大得到5000V高压信号。3、交流信号发生器控制回路的设计，通过整流滤波输出平稳的纯正弦波高压交流信号。4、交流信号源的软件设计。5、交流信号发生器整机：重量控制在22Kg，体积：450×380×200mm，防震机箱。6、机箱面板设计：面板设计高压输出接口、接地端口，电源接口，触摸液晶显示屏、电源开关、蜂鸣器。
(二)、信号探测器：信号探测器是配电网接地故障定位装置的重要组成部分，60HZ的交流信号在待测线路的周围空间感应出一个60HZ的交变磁场，探测器来完成检测这一特定频率磁场信号的任务，考虑到周围环境的复杂性并能有效区分电容电流及周边电磁场干扰及噪声干扰。
信号探测器设计：1、探测器的灵敏度能有效滤除周边电磁干扰；2、方便携带，网球拍状手持式设计，便于信号于检测；3、符合人体工程学设计；4、外壳高强度工程塑料。具体设计：1、交流信号探测器的原理和结构设计，感应线圈绕制，滤波放大电路，控制电路、显示屏；2、交流信号探测器的软件设计；3探测器整体设计。具体参数：1、探测距离(探测器距离线路距离)不大于18米，方便复杂现场检测；2、电源9V、1000mAh大容量充电电池；供电时间大于6小时；3、重量不大于800g方便携带；4、形状为网球拍状；5、抗干扰性强，通过软硬件滤波有效滤除周边电磁场及噪声信号干扰。
优选实施例，***选用高压低频60HZ交流信号发生装置硬件设计，输出电压的确定瞬间3500V---5000V稳定0---3500V并且自动可调、输出电流确定300mA输出功率1500W既满足了现场抢修的便携性又能够有效击穿故障点的性能；交流信号探测器采用网球拍状结构硬件设计满足现场便于检测的要求；配电网接地故障定位装置大量试验场验证设备的实用性及发现其存在的缺陷并加以完，达到实用化要求。
以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，包括信号发生器和信号探测器，其特征在于，所述信号发生器包括电源单元、交流信号发生单元和耦合单元；
所述耦合单元可与电网故障相相耦合，用于将所述交流信号发生单元生成的交流信号注入所述故障相。
2.根据权利要求1所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述信号探测器包括电源单元、手持天线单元和信号处理单元，所述手持天线单元与信号处理单元相连接，手持天线单元可接收空间电磁波并传输至信号处理单元，所述信号处理单元可接收、和/或放大、和/或滤波所述电磁波信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述信号发生器包括功率控制单元，所述功率控制单元控制信号发生器的信号以第一规则输出交流信号，所述第一规则包括过程：设备启动工作至t0时刻，输出电压U1，并在t0时刻后输出电压U2；其中U1>U2。
4.根据权利要求3所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述4500V≤U1≤5500V。
5.根据权利要求3或4所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述U2不大于3000V。
6.根据权利要求1-5之任一项权利要求所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述信号发生器包括自适应能量调节单元，所述自适应能量调节单元根据耦合单元所接入的电抗值调节电压U2，以使所述交流信号电流不小于100mA。
7.根据权利要求6所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述交流信号电流不大于200mA。
8.根据权利要求1-7之任一项权利要求所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述交流信号的频率为60Hz。
9.根据权利要求1-8之任一项权利要求所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述信号探测器的信号处理单元包括放大调节组件，所述信号调节组件可用于调节所述信号处理单元的信号放大系数。
10.根据权利要求9所述的一种便携式非接触配电网接地故障检测定位***，其特征在于，所述检测定位***测试工作过程，包括调节所述信号处理单元的信号放大系数，使所述信号发生器通过耦合单元注入电网的电流为100mA时，信号探测器的有效探测距离L不大于18米。
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