趙文祎，耿軍偉，王偉勇，陳 波，嚴(yán) 晗

（1.國網(wǎng)北京市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100000；2.英國南安普頓大學(xué)，南安普頓SO17 1BJ；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；4.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；5.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100；6.清華大學(xué)，北京 100091）

電力工程中的某個(gè)地方發(fā)生接地故障時(shí)，一般不會立即造成重大損害，但若兩個(gè)接點(diǎn)同時(shí)失效，則會引發(fā)故障，這將給電力系統(tǒng)帶來一定威脅，影響電氣回路正常工作[1]。因此，不允許電力系統(tǒng)在某一狀態(tài)下長期接地，以免觸發(fā)嚴(yán)重的接地故障。應(yīng)對直流操作電源采取有效的監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)接地故障，電力系統(tǒng)報(bào)警裝置就會自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警信號，幫助工作人員及時(shí)采取安全保護(hù)措施，避免重大故障的發(fā)生，保障整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

因此，提出一種基于串級法的電氣回路接地故障監(jiān)測方法，依據(jù)串級法故障監(jiān)測原理，監(jiān)測接地電阻和電容大小變化情況，進(jìn)而完成故障監(jiān)測。

1 基于串級法的故障監(jiān)測原理

串級法是目前監(jiān)測線路接地故障中一種簡單有效的方法，使用簡單清晰的回路設(shè)計(jì)，不需要依賴傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)或借助其他分析方案，提高了監(jiān)測的工作效率[3]。

基于串級法的故障監(jiān)測步驟如下所示。

步驟一：按照電氣回路兩個(gè)缸的動(dòng)作順序，依次分為開、關(guān)兩組，并使用一個(gè)繼電器來控制，分別利用繼電器中的開觸點(diǎn)和閉觸點(diǎn)控制電氣回路[4]。

步驟二：電路啟動(dòng)后，在1 號線上設(shè)置按鈕和繼電器線圈，確保按鈕與線圈并聯(lián)[5-7]。此時(shí)，線圈通電后，電路被保護(hù)[8]。

步驟三：通電后，第一個(gè)動(dòng)作是保證A 氣缸全部伸出，并在3 號線上串聯(lián)繼電器線圈K1 和線圈YA1，當(dāng)繼電器線圈通電后，A 氣缸全部伸出[9]。

步驟四：在向前推時(shí)，按下開關(guān)鍵，此時(shí)B 氣缸發(fā)出伸出指令，在4 號線上串聯(lián)觸點(diǎn)和線圈YB1[10]。當(dāng)向前推A 氣缸時(shí)，A1 行程開關(guān)被壓下，此時(shí)發(fā)出執(zhí)行信號。待A 氣缸動(dòng)作執(zhí)行完畢后，B 氣缸向前推，此時(shí)螺旋管線圈YB1 觸點(diǎn)設(shè)置在4 號線上，并直接與螺旋管線圈YA1 并聯(lián)。

步驟五：如果B 氣缸伸出并按動(dòng)行程開關(guān)B1，就會發(fā)生阻變，也就是從組1 到組2 的轉(zhuǎn)換，即線圈K1斷電，所以B1 的常閉觸點(diǎn)必須連接在線路1 上[11-15]。

通過上述步驟，控制A 氣缸和B 氣缸伸出和縮回，完成電氣回路接地故障的監(jiān)測。

2 電氣回路接地故障監(jiān)測方法

結(jié)合串級法設(shè)計(jì)監(jiān)測電路，并監(jiān)測接地電阻與對地電容，由此實(shí)現(xiàn)電氣回路接地故障的監(jiān)測。

2.1 接地電阻監(jiān)測

圖1 所示為接地電阻串級監(jiān)測的示意圖。

圖1 接地電阻串級監(jiān)測示意圖

圖1 中的RP、Rn分別表示電氣回路正、負(fù)極對地電阻，R1、R2、R3分別表示電氣回路電流限制電阻；S1、S2分別表示電氣回路可控開關(guān)接地電阻串級電路開關(guān)，可通過改變電子控制開關(guān)的狀態(tài)組合得到，并根據(jù)電路定理，建立了一系列方程，通過監(jiān)測每一狀態(tài)下電阻R3兩端的電壓，得到待求解參數(shù)的值[16-18]。通過DC 母線電壓的測量，設(shè)計(jì)監(jiān)測電路，并將圖1 分解為圖2 所示結(jié)構(gòu)。

圖2 監(jiān)測電路狀態(tài)分解圖

如圖2（a）所示，E表示電氣回路母線電壓，負(fù)責(zé)控制開關(guān)的開通與閉合。

如圖2（b）所示，依據(jù)接地電阻串級監(jiān)測示意圖，電氣回路正極對地電壓分配情況如下：

控制開關(guān)S1閉合、S2開通，由此測得電阻R3的電壓為U2。

如圖2（c）所示，依據(jù)接地電阻串級監(jiān)測示意圖，電氣回路負(fù)極對地電壓分配情況如下：

如果控制開關(guān)S1、S2均開通，由此測得電阻R3的電壓為U3。

如圖2（d）所示，依據(jù)基爾霍夫原理，結(jié)合電壓節(jié)點(diǎn)，確定電壓方程組，消除其他變量后，可得到如下公式：

2.2 對地電容監(jiān)測

在測量接地電阻時(shí)，電流回路中各支路對地電容過大，影響接地電阻監(jiān)測精度，容易造成誤判。對此，不僅要測量接地電阻，還要測量對地電容。

為了判定接地支路，需計(jì)算電流，計(jì)算公式為：

式中，R表示支路接地電阻，C表示接地電容，u1表示低頻電壓信號，u2表示跟蹤低頻電壓信號的微分信號。

具體監(jiān)測步驟如下。

步驟一：施加角頻率低頻信號，使用串級法同步采集該信號下的電壓與電流。

步驟二：結(jié)合式（4）建立串級跟蹤監(jiān)測規(guī)則，確定狀態(tài)變量初始值，調(diào)節(jié)監(jiān)測參數(shù)。

步驟三：將采集到的角頻率低頻信號電壓和電流，依據(jù)串級跟蹤監(jiān)測規(guī)則，提取低頻電壓信號u1和微分信號u2，以及接地支路電流。在提取信號過程中，應(yīng)將電氣回路接地系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)調(diào)整為0 后，才可采集穩(wěn)定狀態(tài)下的信號，否則會產(chǎn)生較大誤差。

正弦輸入信號可表示為：

式中，A表示信號幅值，λ表示諧波數(shù)，δ表示相位，ω表示角頻率。

為了減少誤差，使用二維濾波算法，可表示為：

式中，α、β表示濾波參數(shù)，x1(t)、x2(t)分別表示濾波正弦輸出信號和同頻率信號，e(t)表示輸入信號與輸出信號差值，u(t)表示輸入信號。

將上述公式改寫為：

式中，當(dāng)αω＞0 時(shí)，輸出結(jié)果按照指數(shù)規(guī)律衰減到0。

步驟四：依據(jù)接地電阻是否小于設(shè)定的閾值來判定接地支路是否故障。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

選擇110 V DC 供電系統(tǒng)作為研究對象，監(jiān)測主電路的部分電氣連接情況，以正、負(fù)母線電壓變化情況為依據(jù)，判斷主電路部分電氣是否出現(xiàn)接地故障。監(jiān)測電路的等效電路如圖3 所示。

圖3 等效電路

如圖3 所示，在該等效電路中，R3和R4代表監(jiān)測電路中導(dǎo)線的等效電阻，在正常情況下電阻值幾乎相同，R1和R2是監(jiān)控系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制電路電流的監(jiān)測電阻。在110 V DC 控制電路上設(shè)置一個(gè)監(jiān)測電阻，在電氣回路沒有接地故障時(shí)能監(jiān)測到大約55 V 的正負(fù)母線電壓。母線接地時(shí)，監(jiān)測電路為短路狀態(tài)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)電氣回路中沒有接地點(diǎn)時(shí)，電抗器對應(yīng)的正負(fù)母線間電壓是整流波形，電路接地故障時(shí)，需監(jiān)測電阻上電壓仿真波形，其變化情況如圖4 所示。

由圖4 可知，正常情況下的電壓仿真波形在0～1 000 V 范圍內(nèi)規(guī)律性波動(dòng)，故障情況下的電壓波形不具有規(guī)律性，在0.96～1.00 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，波動(dòng)范圍為0～200 V。

圖4 電壓仿真波形

基于上述實(shí)際電壓值，分別使用注入低頻交流信號監(jiān)測法、基于漏電流監(jiān)測的直流接地故障監(jiān)測方法和文中方法對比分析電氣回路接地故障監(jiān)測結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 三種方法故障監(jiān)測結(jié)果對比分析

由圖5 可知，使用注入低頻交流信號監(jiān)測法監(jiān)測到的最高電壓為700 V，且在0.94～1.00 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓變化趨勢為0 V-300 V-0 V；使用基于漏電流監(jiān)測的直流接地故障監(jiān)測方法監(jiān)測到的最高電壓為900 V，且在0.96～1.00 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓在0～150 V 范圍內(nèi)來回波動(dòng)；使用文中方法監(jiān)測到的最高電壓為1 000 V，且在0.94～1.00 ms 時(shí)間范圍內(nèi)，電壓變化趨勢為0 V-300 V-0 V，與實(shí)際電壓波形一致。

4 結(jié)束語

通過采用串級法對電氣回路接地故障進(jìn)行監(jiān)測，能夠直接提取出低頻信號，進(jìn)而獲取相應(yīng)幅度值變化以及相位變化，實(shí)現(xiàn)對地電阻與電容的有效測量，以此充分反映出電路的運(yùn)行狀態(tài)，為接地故障監(jiān)測發(fā)揮了重要的作用。將文中方法對注入低頻交流信號監(jiān)測法和基于漏電流監(jiān)測的直流接地故障監(jiān)測方法進(jìn)行了比較，該方法不需要進(jìn)行信號預(yù)處理，且監(jiān)測精度高，因此提出的基于串級法的電路接地故障監(jiān)測方法在電力系統(tǒng)的試運(yùn)行中取得了很好的效果。在未來應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的使用范圍，對電氣回路進(jìn)行深入研究，掌握了各種電氣線路的工作原理，對可能發(fā)生的接地故障進(jìn)行詳細(xì)分析，及時(shí)提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。