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(jiàn)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(dòng)作跳閘。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)非故障相對(duì)地電壓升高為線(xiàn)電壓，若不及時(shí)處理，極易發(fā)展成兩相短路使故障擴(kuò)大，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過(guò)電壓[1]。由于配電線(xiàn)路分支眾多，定位接地故障點(diǎn)難，用戶(hù)對(duì)供電可靠性要求不斷提高，迫切需要解決在線(xiàn)配電網(wǎng)故障定位問(wèn)題，即希望供電系統(tǒng)在不切斷線(xiàn)路情況下，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確故障定位。

經(jīng)過(guò)多年的努力，選線(xiàn)問(wèn)題已經(jīng)有所突破[2-3]，但定位問(wèn)題仍沒(méi)有得到很好解決。近年，國(guó)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(dòng)式比相法開(kāi)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(xiàn)定位和在線(xiàn)定位兩大類(lèi)。離線(xiàn)方法有行波法、直流法等，行波法通過(guò)行波傳輸特性來(lái)判斷故障位置，往往受到過(guò)渡電阻和分支數(shù)目的影響；直流法向線(xiàn)路注入直流信號(hào)，通過(guò)對(duì)直流信號(hào)的檢測(cè)來(lái)判斷故障位置，不受過(guò)渡電阻的影響，但需要登桿檢測(cè)，操作麻煩，這兩種離線(xiàn)方法都必須斷開(kāi)故障線(xiàn)。在線(xiàn)常用定位方法有S注入法，S注入法通過(guò)電壓互感器注入交流220Hz電流信號(hào)，沿故障線(xiàn)路跟蹤尋找所注入信號(hào)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(shí)，220 Hz交流信號(hào)能夠通過(guò)線(xiàn)路對(duì)地電容形成回路，易受接地電阻和線(xiàn)路分布電容的影響，造成信號(hào)測(cè)試?yán)щy。

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)接地故障在線(xiàn)定位，克服探測(cè)測(cè)試信號(hào)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(hào)，通過(guò)手持式定向電荷遙感探測(cè)器同步探測(cè)分析測(cè)試信號(hào)，實(shí)現(xiàn)有接地故障塔桿的準(zhǔn)確定位。

1 測(cè)試方法

1.1 測(cè)試信號(hào)的加載方法

圖1給出了測(cè)試信號(hào)的加載方法，即通過(guò)外加一個(gè)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(cè)試信號(hào)。這種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試人員不必考慮母線(xiàn)PT組的接線(xiàn)方式，在測(cè)量過(guò)程中也無(wú)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(duì)地電容，PT是外加的一個(gè)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(cè)量時(shí)要外加一個(gè)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(cè)試儀器的安全。

圖1 測(cè)試信號(hào)的加載方法

配網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，變壓器中性點(diǎn)或接地變中性點(diǎn)對(duì)地電壓較低，一般只有幾十伏到幾百伏，但如果測(cè)量時(shí)系統(tǒng)發(fā)生單相接地，其對(duì)地電壓就上升為相電壓，對(duì)35kV和10kV系統(tǒng)而言，此時(shí)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(shí)，若不經(jīng)過(guò)PT而直接將儀器引線(xiàn)到中性點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，則會(huì)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(cè)試信號(hào)時(shí)采用PT隔離十分必要。這種測(cè)試信號(hào)加載方法實(shí)現(xiàn)了不停運(yùn)測(cè)試，避免登桿塔掛線(xiàn)的危險(xiǎn)和麻煩。

1.2 測(cè)試信號(hào)的探測(cè)

主機(jī)根據(jù)接地故障類(lèi)型輸出特征測(cè)試信號(hào)，并加載到配電網(wǎng)，同步觸發(fā)信號(hào)以無(wú)線(xiàn)電的方式傳送給手持探測(cè)器，手持端探測(cè)器通過(guò)定向電荷遙感探頭指向塔桿或指向架空線(xiàn)同步疊加探測(cè)測(cè)試信號(hào)。這種同步疊加探測(cè)方法可有效消除噪聲，增強(qiáng)探測(cè)信號(hào)，極大提高探測(cè)針對(duì)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(cè)試信號(hào)，即信號(hào)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(méi)有特征測(cè)試信號(hào)而線(xiàn)路上有特征測(cè)試信號(hào)，則對(duì)特征測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析。如果同時(shí)有較大電阻電流和電容電流，則說(shuō)明故障在下游；如果有較大電容電流和較小電阻電流，則說(shuō)明接地故障在上游。手持探測(cè)器通過(guò)探測(cè)特征測(cè)試信號(hào)、分析信號(hào)、結(jié)合實(shí)際探視經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，給出探測(cè)結(jié)果或探測(cè)引導(dǎo)指示。

1.3 特征測(cè)試信號(hào)的提取

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

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試信號(hào)加載主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2給出測(cè)試信號(hào)加載主機(jī)系統(tǒng)框圖，測(cè)試信號(hào)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(dòng)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(cè)保護(hù)模塊、無(wú)線(xiàn)同步模塊、LCD液晶顯示器組成。220 V市電經(jīng)過(guò)整流模塊變成300 V直流電，高頻逆變PWM在驅(qū)動(dòng)模塊控制下，經(jīng)整流濾波產(chǎn)生特征測(cè)試信號(hào)。監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器輸出電壓、電流的監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常立即動(dòng)作斷電保護(hù)。特征測(cè)試信號(hào)經(jīng)高頻升壓變壓器升壓至合適電壓后，經(jīng)測(cè)試PT接至故障線(xiàn)路。操作按鍵和LCD液晶顯示器提供簡(jiǎn)便用戶(hù)交互。

2.2 便攜式手持探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為便攜式手持探測(cè)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(wú)線(xiàn)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(hào)；電荷感應(yīng)放大器實(shí)現(xiàn)電荷信號(hào)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(gè)窄帶濾波器，用于提取特征測(cè)試信號(hào)；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(cè)試信號(hào)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(jì)和千分之一準(zhǔn)確度基準(zhǔn)參考電壓源。無(wú)線(xiàn)同步模塊實(shí)現(xiàn)與主機(jī)配合同步疊加探測(cè)特征測(cè)試信號(hào)；ARM7處理分析特征測(cè)試信號(hào)，結(jié)合實(shí)際探視經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后給出探測(cè)結(jié)果或探測(cè)引導(dǎo)指示；觸摸屏設(shè)計(jì)提供人機(jī)交互界面，顯示報(bào)告探測(cè)結(jié)果或探測(cè)引導(dǎo)指示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

圖2 測(cè)試信號(hào)加載主機(jī)系統(tǒng)框圖

圖3 便攜式手持探測(cè)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(shù)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(shù)枝接地故障的檢出率較高，弧光間歇接地故障檢出率相對(duì)低一些，檢出率均在84%以上，假陽(yáng)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(jì)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(cè)試信號(hào)，由于趨膚效應(yīng)，測(cè)試信號(hào)將在發(fā)射端向空間輻射，沿線(xiàn)路的信號(hào)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(cè)困難；若加載低頻測(cè)試信號(hào)，則線(xiàn)路信號(hào)很強(qiáng)，而線(xiàn)路測(cè)試信號(hào)向空間輻射電磁波能量很小，造成用天線(xiàn)探測(cè)線(xiàn)路的特征測(cè)試信號(hào)困難。本文通過(guò)定向電荷感應(yīng)放大方法，能有效解決低頻測(cè)試中探測(cè)信號(hào)困難的問(wèn)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種不停運(yùn)配電網(wǎng)接地故障定位儀，測(cè)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(hào)，通過(guò)手持式定向電荷遙感探測(cè)器同步疊加探測(cè)分析測(cè)試信號(hào)，實(shí)現(xiàn)接地故障的準(zhǔn)確定位。該方法對(duì)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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