劉小軍,祝令瑜,汲勝昌,潘亮,任富強

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

state detection

直流供電系統(tǒng)體現(xiàn)出很大的便利性以及低成本優(yōu)勢,在工程各個領(lǐng)域中都得到了大量的應(yīng)用[1]。隨著直流供電系統(tǒng)的日益龐大及供電電壓的不斷提高,帶來一些潛在的危險:隨著電壓等級的提高,舊有的直接操作習(xí)慣會使原先安全隱患的危險級別提升,易對人員造成的傷害[2-3]。根據(jù)具體實現(xiàn)的功能,可以將中壓直流供電系統(tǒng)分為中心站點、傳輸線路及遠(yuǎn)端站點。在中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點內(nèi),所有的通訊設(shè)備的金屬外殼均應(yīng)經(jīng)由線纜接地,但實際中常常會因接線不規(guī)范等原因?qū)е峦鈿そ拥財嚅_,致使遠(yuǎn)端站點內(nèi)通訊設(shè)備外殼帶電[4],給操作人員的人身安全造成威脅,因此需要對遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備及機殼的接地狀態(tài)進(jìn)行檢測[5-7]。

針對遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備接地斷開故障,文獻(xiàn)[8]通過檢測接近開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài),判斷掛接地線時接地夾鉗與接地體是否有效導(dǎo)通。文獻(xiàn)[9]依靠掛接地線人員通過手持PDA掃描條形碼標(biāo)牌來告知調(diào)度接地線狀態(tài),但依靠人工巡檢的成本較高,且設(shè)備接地點處出現(xiàn)斷線故障時僅憑借人工難以識別。文獻(xiàn)[10]向變電站接地網(wǎng)內(nèi)施加激勵信號,通過測量地表磁場分布,對變電站接地斷點進(jìn)行診斷和定位,但該方法僅適用于交流系統(tǒng),無法同樣適用于直流系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]通過測量地面表面電壓的方式檢測接地網(wǎng)中斷點。在中壓直流供電系統(tǒng)中,一種易行的檢測方法是在遠(yuǎn)端站點內(nèi)安裝檢測裝置,但是會干擾站點內(nèi)設(shè)備的正常工作,因而具有極大的局限性。

本文提出了一種基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)檢測方法,并利用該方法分別在單線路及多線路中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)進(jìn)行仿真驗證,具有一定的工程實用價值。

1 檢測方法的提出

頻率響應(yīng)法是向系統(tǒng)中注入掃頻電壓信號,隨著頻率的改變,系統(tǒng)中輸出信號與輸入信號的比值也會發(fā)生變化,以此判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。

阻抗測量法需要測量在特定頻率下的系統(tǒng)阻抗值,當(dāng)系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生改變時,阻抗值也會發(fā)生變化,通過測量阻抗變化量,可以判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。

掃頻阻抗法將頻率響應(yīng)法與特定頻率下的阻抗測量法相結(jié)合,可以準(zhǔn)確檢測系統(tǒng)中阻抗的變化,進(jìn)而判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。不同系統(tǒng)運行狀況下,系統(tǒng)電路拓?fù)渲械碾娙?、電感、電阻及電?dǎo)會發(fā)生改變,電路拓?fù)鋵?yīng)的諧振頻率也會發(fā)生改變。向系統(tǒng)中注入掃頻電壓信號,電壓信號在系統(tǒng)中產(chǎn)生的電流幅值隨頻率變化曲線發(fā)生改變。不同系統(tǒng)運行狀況對應(yīng)的阻抗變化與注入信號頻率有關(guān)。選擇系統(tǒng)諧振頻率為特定頻率測量系統(tǒng)阻抗,可以增加阻抗變化的分辨度,有助于提取基于阻抗變化的系統(tǒng)運行狀況判據(jù)。

在中壓直流供電系統(tǒng)中,在中心站點注入掃頻電壓信號,獲得不同系統(tǒng)運行狀況下掃頻源輸出端電流掃頻曲線及系統(tǒng)諧振頻率。比較不同系統(tǒng)運行狀況下電流掃頻曲線的變化,提取特定諧振頻率。計算在該特定諧振頻率下,注入信號源輸出端對地阻抗值,基于對地阻抗值的變化對系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行判斷。注入掃頻信號幅值較低,僅為1～2 V,遠(yuǎn)低于中壓直流供電系統(tǒng)的運行電壓,經(jīng)過變壓輸入到系統(tǒng)設(shè)備后,在設(shè)備正常工作電壓范圍內(nèi),不會影響設(shè)備正常工作,不會對系統(tǒng)正常工作造成干擾,簡單易行,理論上可以用于實時檢測設(shè)備運行狀況。

2 中壓直流供電系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)具體實現(xiàn)功能,中壓直流供電系統(tǒng)主要由中心站點、傳輸線路以及遠(yuǎn)端站點組成,如圖1所示。其中,中心站點包括直流電源、檢測裝置以及控制系統(tǒng);傳輸線路用于將中心站點電能傳輸?shù)竭h(yuǎn)端站點,為遠(yuǎn)端站點供電;遠(yuǎn)端站點內(nèi)布置有用電設(shè)備。

圖1 中壓直流供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 中壓直流供電系統(tǒng)等效電路模型

為簡化研究,對中壓直流供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效變換,建立等效電路模型,如圖2所示?？紤]到中心站點內(nèi)高壓直流配電單元一般為變壓器或整流器,由遠(yuǎn)端站點內(nèi)產(chǎn)生的故障信號與高壓直流隔開。因此,可以用兩組分別產(chǎn)生相同電壓幅值、極性相反的三相半波整流電路,等效中心站點內(nèi)的直流電壓源,搭建中壓直流供電系統(tǒng)仿真模型,如圖3所示。圖中Cf為濾波電容,值為4 700 μF,濾除半波整流產(chǎn)生的較大幅值的紋波,保證線路中直流的低紋波;Rn與Rp為鉗位電阻,同時作為首端線對地絕緣電阻,等效阻值為2 MΩ,電阻一端與直流正極性線路及直流負(fù)極性線路連接,另一端接地,以保證直流正極性線路及直流負(fù)極線線路上電壓保持平衡;Cn與Cp為遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備對地等效電容,分別為設(shè)備輸入端正、負(fù)極對地雜散電容,容值較小,本文取6 nF,分別連接于直流正、負(fù)極性線路與大地之間;RL為遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備的等效阻抗,取為5 Ω。

圖3 中壓直流供電系統(tǒng)仿真模型

傳輸電纜線路可以利用電纜分布參數(shù)來等效替代,中壓直流供電系統(tǒng)中電纜線路長度一般為0.01～1 km。在較高頻率下,電纜的阻抗主要由分布電感與對地電容決定,電纜電導(dǎo)與電阻可以忽略不計[11-13]。

考慮工程實際,直流傳輸電纜一般為雙芯電纜或三芯電纜,其中雙芯分別作為正、負(fù)極性傳輸線路,另外一根芯線或屏蔽層作為接地。假定電纜為均勻傳輸線[14-16],則可以根據(jù)電磁場理論推導(dǎo)得到雙芯電纜的對地電容C及分布電感L的近似表達(dá)式為

(1)

(2)

式中:S為雙芯電纜導(dǎo)體間的中心距離,mm;d為雙芯電纜導(dǎo)體外徑,mm;D為雙芯電纜導(dǎo)體的絕緣外徑,mm;ε為絕緣材料相對介電常數(shù)。

本文選用型號為UL2464 2*8AWG的屏蔽控制電纜,計算可得C=1.185×-7F/km,L=2.786×10-4H/km。實際測量1 km雙芯電纜的對地電容為0.12 μF,理論計算值與實際值能夠吻合。

3 高頻阻抗檢測法

在中壓直流供電系統(tǒng)中,遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備外殼通過接地電纜接地,傳輸電纜的接地芯線或屏蔽層單獨接地。遠(yuǎn)端接地狀態(tài)可以分為正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開狀態(tài)。正常接地狀態(tài)即遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備和傳輸電纜正常接地;遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)即只有遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備接地斷開,傳輸電纜屏蔽層正常接地;遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開狀態(tài)即遠(yuǎn)端站點內(nèi)設(shè)備接地與電纜屏蔽層的接地均斷開。中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點不同接地狀態(tài)電路拓?fù)淙鐖D4所示。

(a)正常接地狀態(tài)

(b)遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)

(c)遠(yuǎn)端與電纜接地均斷開狀態(tài)圖4 不同接地狀態(tài)電路拓?fù)?/p>

中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)處于不同狀態(tài)時,電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,其中對地回路中的元件參數(shù)變化尤其明顯。在高壓直流正極性線路靠中心站點側(cè)與地之間并聯(lián)一個高頻交流源支路,可以通過檢測高頻交流源輸出側(cè)對地阻抗的變化來檢測遠(yuǎn)端站點的接地狀態(tài),如圖5所示。其中,在高頻交流源輸出端串聯(lián)隔直電容C1,防止高壓直流流入高頻交流源;在直流源與高頻交流支路間串聯(lián)隔交電感L1,防止高頻交流流入直流源。通過測量高頻回路中高頻交流源輸出端對地阻抗及其相位,可以對遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行判斷。

在遠(yuǎn)端站點不同接地狀態(tài)時的高頻回路拓?fù)渲?可以列寫求解高頻回路對地阻抗的節(jié)點電壓方程如下

圖5 阻抗檢測電路圖

(3)

(4)

(5)

Un1～Un5為圖5中①～⑤處節(jié)點電壓;B計算式為

正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開狀態(tài)時,阻抗矩陣分別為A0、A1、A2,表達(dá)式如下

A0=

由式(3)～(5)可看出,不同接地狀態(tài)時高頻回路接地阻抗,隨高頻交流源頻率的改變而改變。仿真中選擇高頻交流頻率為10 kHz,仿真驗證可得:當(dāng)C1選為100 nF、L1選為1 H時,不同接地狀態(tài)時Z區(qū)分度相對最大;傳輸電纜長度為150 m時,遠(yuǎn)端站點正常接地狀態(tài)時高頻回路對地阻抗Z0=1.26-j272.37 Ω,遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)時高頻回路對地阻抗Z1=1.27-j284.72 Ω,遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開狀態(tài)時高頻回路對地阻抗Z2=1×106-j141.62 Ω。

中心站點與遠(yuǎn)端站點間的傳輸電纜對地電容值較大,且傳輸電纜對地電容隨傳輸電纜長度增加而增大,遠(yuǎn)端站點內(nèi)對地電容值較小。傳輸電纜的對地電容會將遠(yuǎn)端站點內(nèi)對地電容接地狀態(tài)掩蓋,遠(yuǎn)端接地斷開對Z的影響隨傳輸電纜長度增加而減小。該方法可以區(qū)分遠(yuǎn)端站點不同接地狀態(tài),也可以區(qū)分遠(yuǎn)端及電纜全部接地斷開狀態(tài),但對只有遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)時區(qū)分度相對較差。

測量Z的方式中,遠(yuǎn)端設(shè)備等效阻抗為正負(fù)極線間等效阻抗,阻抗的大小對本方法造成的影響可以忽略。當(dāng)遠(yuǎn)端設(shè)備增加或者變更設(shè)備時,Cn、Cp及RL發(fā)生變化,但該變化被傳輸電纜對地電容所掩蓋,對Z測量的影響可以忽略。

在中壓直流供電系統(tǒng)中,還會出現(xiàn)傳輸電纜接地斷開而遠(yuǎn)端接地正常的狀態(tài)。由于傳輸電纜對地電容遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端設(shè)備對地電容,該狀態(tài)可以近似等效于遠(yuǎn)端及電纜接地全部斷開狀態(tài),通過高頻阻抗檢測法可以將其區(qū)分出來。當(dāng)傳輸電纜接地斷開而遠(yuǎn)端接地正常時,不會影響遠(yuǎn)端設(shè)備的正常工作,也不會導(dǎo)致設(shè)備外殼帶電,因而本文不對其展開分析。

4 掃頻阻抗檢測法

4.1 掃頻曲線分析

高頻回路對地阻抗與交流源頻率有關(guān),改變交流源頻率,不同接地狀態(tài)時Z會隨之發(fā)生變化。為了提高不同接地狀態(tài)時Z的區(qū)分度,用掃頻源代替高頻交流源,對交流回路進(jìn)行掃頻分析,測量掃頻源輸出側(cè)電流隨頻率變化的曲線[17-18],可得到不同接地狀態(tài)高頻回路中掃頻源輸出側(cè)電流諧振頻率[19-21]。掃頻電路如圖6所示。

圖6 掃頻電路圖

基于PSPICE軟件,對掃頻源輸出側(cè)電流的頻率曲線進(jìn)行仿真[22-23]。設(shè)置掃頻范圍為1～1 250 kHz,步長為10 Hz。仿真可得150、500、1 000 m電纜線路中不同遠(yuǎn)端接地狀態(tài)時掃頻源輸出側(cè)電流掃頻曲線,如圖7所示,其中0、1及2分別表示正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)及遠(yuǎn)端與電纜接地斷開狀態(tài)。

從圖7b可以看出,當(dāng)中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端接地與電纜接地全部斷開時,網(wǎng)絡(luò)中沒有完整回路,此時接地回路中電流幅值趨近于0,不隨掃頻頻率變化而變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于正常接地狀態(tài)或遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)時,電流掃頻曲線諧振點頻率以及同一諧振點處電流幅值有較大區(qū)別。通過比較掃頻曲線,可以對中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端接地處于正常接地狀態(tài)或接地斷開狀態(tài)進(jìn)行簡單的區(qū)分判斷。正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)時的掃頻曲線諧振頻率如表1所示。

由圖7b可以看出,在700 kHz附近諧振點處不同曲線諧振頻率差值較大,且在該諧振頻率處流過C1的諧振電流幅值較高。根據(jù)表1,正常接地狀態(tài)掃頻曲線該點處諧振頻率f0為663.7 kHz,遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)掃頻曲線該點處諧振頻率f1為678.9 kHz,遠(yuǎn)端接地與電纜接地全部斷開狀態(tài)該點處無諧振。663.7 kHz為正常接地狀態(tài)高頻回路發(fā)生諧振,電流幅值較大,此頻率不是遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)回路諧振頻率。因而在663.7 kHz處,正常接地狀態(tài)時電流幅值遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)時電流幅值。相比于選用10 kHz作為交流高頻源頻率,利用掃頻諧振方法選擇高頻交流源頻率可以增大遠(yuǎn)端接地斷開狀態(tài)與正常接地狀態(tài)的區(qū)分度。

表1 不同接地狀態(tài)掃頻曲線諧振頻率

(a)150 m

(b)500 m

實際檢測中,每一次檢測都基于掃頻曲線的方法較為復(fù)雜,對操作人員要求較高,且僅通過掃頻曲線提出判據(jù)難度很大。在進(jìn)行多線路接地狀態(tài)檢測時,僅通過掃頻曲線的方式難以甄別多條線路中發(fā)生接地故障。將掃頻曲線方法與高頻阻抗法相結(jié)合,可以有效解決單條線路檢測復(fù)雜度及多線路接地狀態(tài)檢測的問題。針對一固定線路,首先測得其掃頻曲線,通過掃頻曲線可以得到不同接地狀態(tài)時電路拓?fù)涞闹C振點頻率。綜合考慮不同接地狀態(tài)時同一諧振點頻率差值與該點諧振電流幅值,選定高頻交流電壓源頻率。在該頻率下,正常接地狀態(tài)時Z與遠(yuǎn)端及電纜接地均斷開狀態(tài)時的差別較大,區(qū)分度較高,可以準(zhǔn)確分辨出遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)。

(c)1 000 m圖7 不同長度電纜電流掃頻曲線

4.2 單條線路接地狀態(tài)

在中壓直流供電系統(tǒng)中,中心站點只與一個遠(yuǎn)端站點連接,利用掃頻阻抗法對遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)進(jìn)行檢測?；赑SCAD,對單條線路中遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)進(jìn)行仿真,仿真電路如圖5所示。

考慮傳輸電纜對地電容對遠(yuǎn)端接地狀態(tài)檢測準(zhǔn)確度的影響,改變傳輸電纜長度,檢測不同傳輸電纜長度下遠(yuǎn)端接地狀態(tài),結(jié)果如圖7所示。掃頻曲線中諧振峰頻率與電纜分布電感、電纜對地雜散電容有關(guān),電感與電容越小,諧振點頻率越高。電感、電容與電纜長度成正比,因而電纜長度越長,諧振點頻率越低,設(shè)置掃頻范圍上限頻率越低。其中,150 m線路中分布電感為4.179 μH,對地電容為1.777 5 nF;500 m線路中分布電感為13.93 μH,對地電容為5.925 nF;1 000 m線路中分布電感為27.86 μH,對地電容為11.85 nF。

圖8 多線路情況阻抗檢測電路

為了進(jìn)一步對遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行判定,綜合考慮不同電流掃頻曲線諧振頻率差值與諧振電流幅值,分別選定2.187 MHz、663.7 kHz及335.0 kHz作為150、500及1 000 m線路的高頻回路頻率,計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出,當(dāng)選定正常接地狀態(tài)諧振頻率作為高頻回路中高頻交流源頻率時,遠(yuǎn)端不同接地狀態(tài)時Z的區(qū)分度比10 kHz交流源頻率時的阻抗區(qū)分度更大,可以通過掃頻阻抗的方法對單條線路中遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行檢測。

表2 不同長度傳輸電纜線路高頻對地阻抗

4.3 多條線路接地狀態(tài)

中壓直流供電系統(tǒng)中心站點與多個遠(yuǎn)端站點連接,利用掃頻阻抗法對遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)進(jìn)行檢測?；赑SCAD,對兩條線路中遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)進(jìn)行仿真,仿真電路如圖8所示。其中,Lc1與Cc1為線路1中傳輸電纜的分布電感與對地電容;Lc2與Cc2為線路2中傳輸電纜的分布電感與對地電容。

考慮傳輸電纜對地電容對遠(yuǎn)端接地狀態(tài)檢測準(zhǔn)確度的影響,改變傳輸電纜長度,對不同傳輸電纜長度情況下遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行檢測。分別對500 m & 1 000 m及300 m & 800 m雙傳輸線路進(jìn)行掃頻阻抗計算。當(dāng)線路1與線路2傳輸電纜長度分別為500 m與1 000 m時,對線路進(jìn)行掃頻分析,分別測量得到不同接地狀態(tài)下的電流掃頻曲線如圖9所示。其中,00、01、02、10、11、12、20、21及22分別表示500 m線路正常接地且1 000 m線路正常接地、500 m線路正常接地且1 000 m線路遠(yuǎn)端接地斷開、500 m線路正常接地且1 000 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地斷開、500 m線路遠(yuǎn)端接地斷開且1 000 m線路正常接地、500 m線路遠(yuǎn)端接地斷開且1 000 m線路遠(yuǎn)端接地斷開、500 m線路遠(yuǎn)端接地斷開且1 000 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地斷開、500 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地斷開且1 000 m線路正常接地、500 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地斷開且1 000 m線路遠(yuǎn)端接地斷開、500 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地斷開且1 000 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地斷開。

圖9 500 m & 1 000 m多線路不同接地狀態(tài)電流掃頻曲線

根據(jù)圖9,可以得到500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路中不同接地狀態(tài)時電流的諧振頻率。以兩條線路中均正常接地時電流諧振頻率作為基準(zhǔn)值,比較不同接地斷開狀態(tài)時的諧振頻率。當(dāng)諧振頻率為247 kHz時,其他接地斷開狀態(tài)與正常接地諧振頻率差值最大。選擇247 kHz為高頻交流源的頻率,如圖9所示,由測量線路輸入端對地電壓Ea、高頻源輸出電壓U、流過隔直電容C1的電流Is、流過線路1的電流I1以及流過線路2的電流I2,可以計算得到不同接地狀態(tài)時的線路1對地阻抗Z11、線路2對地阻抗Z12以及高頻輸出端對地阻抗Zs,不同接地狀態(tài)時500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路阻抗如表3所示。

當(dāng)線路1與線路2傳輸電纜長度分別為300 m與800 m時,對線路進(jìn)行掃頻分析,得到不同接地狀態(tài)下的電流掃頻曲線如圖10所示。根據(jù)圖10,可以得到500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路中不同接地狀態(tài)時電流的諧振頻率。以兩條線路中均正常接地時電流諧振頻率作為基準(zhǔn)值,比較不同接地斷開狀態(tài)時諧振頻率,當(dāng)諧振頻率為357 kHz時,其他接地斷開狀態(tài)與正常接地諧振頻率差值最大。選擇357 kHz為高頻交流源的頻率,如圖8所示電路,可以計算得到Z11、Z12以及Zs見表4。

根據(jù)表3與表4,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生接地斷開故障時,各線路對地阻抗的幅值發(fā)生較大變化。定義參數(shù)α表示線路對地阻抗幅值的變化程度計算得到雙傳輸電纜線路中不同接地狀態(tài)時的α值,如表5所示。從中可以看出:認(rèn)為遠(yuǎn)端與電纜接地均斷開的狀況比遠(yuǎn)端接地斷開狀況更加惡劣;當(dāng)較長線路發(fā)生的接地故障比較短的線路發(fā)生的接地故障更加惡劣時,即01、02、12狀態(tài)時,α值比正常接地時大;當(dāng)較短線路發(fā)生的接地故障比較長的線路中發(fā)生的接地故障更加惡劣時,即10、20、21狀態(tài)時,α值比正常接地時的比較小。

圖10 300 m & 800 m多線路不同接地狀態(tài)電流掃頻曲線

狀態(tài)Zs/ΩZ11/ΩZ12/Ω001.00-j68.451.97-j8.202.01-j7.91011.00-j69.341.93-j9.822.06-j9.860279.26-j101.720.51-j45.1414.78-j214.18101.00-j68.812.01-j9.141.97-j8.44111.00-j69.761.96-j10.902.02-j10.471279.31-j107.090.44-j51.6416.25-j244.99200.87-j73.312.31-j24.581.40-j13.92210.87-j75.052.29-j29.381.41-j16.64221.00×106-j35.581.50×106-j2.88×1042.99×106+j1.14×105

表4 300 m & 800 m雙傳輸電纜線路不同接地狀態(tài)對地阻抗

α=|Z2|/|Z1|

(6)

綜合考慮對地阻抗幅值以及α值的變化,可以對遠(yuǎn)端接地狀態(tài)及接地故障所在線路進(jìn)行檢測判斷。當(dāng)線路1阻抗比正常接地時對地阻抗大,說明有接地斷開故障存在,若α值比正常接地時的α值大,說明接地斷開故障在較長線路中出現(xiàn),且更加惡劣;若值α比正常接地時的α值小,說明接地斷開故障在較短線路中出現(xiàn),且更加惡劣。

表5 不同傳輸電纜線路中各接地狀態(tài)

4.4 接地狀態(tài)檢測算法

針對遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)檢測的問題,基于掃頻阻抗的計算提出檢測算法,算法流程見圖11。

圖11 接地狀態(tài)檢測算法流程圖

對單條線路或多條線路進(jìn)行人為選擇,當(dāng)對單條線路中的接地狀態(tài)進(jìn)行檢測時,保證一次正常接地狀態(tài),對正常接地狀態(tài)下的電路掃頻曲線進(jìn)行測量,并測量計算每一諧振頻率點處的對地阻抗。測量實際線路中高頻源輸出端電流掃頻曲線,將該實際線路掃頻曲線與正常掃頻曲線進(jìn)行對比,若諧振點頻率均值之差未超過設(shè)定閾值,則認(rèn)為線路接地正常;否則測量計算實際線路的諧振點處對地阻抗Z1,并與正常對地阻抗Z0進(jìn)行比較,若二者之差超過閾值,則認(rèn)為線路存在接地斷開故障。

當(dāng)對多條線路中的接地狀態(tài)進(jìn)行檢測時,保證一次正常接地狀態(tài),測量得到該狀態(tài)下的電路掃頻曲線,并計算每一諧振頻率點處的各線路對地阻抗以及α值,以此為基準(zhǔn)值。測量實際線路中高頻源輸出端電流掃頻曲線,比較實際線路掃頻曲線與正常掃頻曲線,根據(jù)諧振點頻率差值選取特定諧振頻率,在該諧振點頻率下,測量實際線路中各線路對地阻抗,并與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。若對地阻抗差值超過設(shè)定閾值,則測量計算實際線路中的α值,將實際線路α值與基準(zhǔn)值對比,若二者差值超過設(shè)定閾值,認(rèn)為線路存在接地斷開故障。根據(jù)實際線路中各線路對地阻抗與α值的變化趨勢,可以對接地斷開故障所在線路進(jìn)行判斷。

5 結(jié) 論

本文對中壓直流供電系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)進(jìn)行了研究,提出了一種基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)檢測方法,得到以下結(jié)論。

(1)在中壓直流供電系統(tǒng)中心站點電源輸出側(cè)并聯(lián)高頻交流支路,測量高頻交流源輸出側(cè)對地阻抗,可以用于檢測中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)。仿真研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)選擇遠(yuǎn)端站點正常接地狀態(tài)諧振頻率作為高頻交流源頻率、遠(yuǎn)端站點發(fā)生接地斷開狀態(tài)時,高頻回路對地阻抗區(qū)分度更大。

(2)研究高頻交流源輸出側(cè)電流掃頻曲線,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端站點不同接地狀態(tài)時的掃頻電流諧振頻率會發(fā)生改變,遠(yuǎn)端站點發(fā)生接地斷開故障時的平均諧振頻率比遠(yuǎn)端站點正常接地狀態(tài)時的平均諧振頻率更高,且平均諧振頻率隨中壓直流供電系統(tǒng)傳輸電纜長度的增加而降低。

(3)與正常接地狀態(tài)相比,遠(yuǎn)端站點發(fā)生接地斷開故障時,對地阻抗與電流掃頻曲線均會發(fā)生較大改變,可以作為檢測中壓直流供電系統(tǒng)單條線路中遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)的判據(jù)。

(4)對地阻抗與α值的變化趨勢可以作為判據(jù),檢測中壓直流供電系統(tǒng)多條線路中遠(yuǎn)端站點的接地狀態(tài),并對接地斷開故障所在線路定位。

總之,在中壓直流供電系統(tǒng)中心站點輸出側(cè)并聯(lián)高頻交流支路,利用本文提出的基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點接地狀態(tài)檢測方法,可以準(zhǔn)確判斷中壓直流供電系統(tǒng)單條線路是否發(fā)生接地斷開故障,也可以準(zhǔn)確判斷及定位發(fā)生在中壓直流供電系統(tǒng)多條線路中的遠(yuǎn)端站點接地斷開故障,在工程實踐中具有較高的實用價值。