一種電力系統配電網單相接地故障定位系統的制作方法

專利名稱：一種電力系統配電網單相接地故障定位系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力系統配電網單相接地故障定位系統。
背景技術：
電力系統供電中斷將導致生產停電，生活混亂，甚至危機人身安全，保證安全 可靠性供電是電力系統運行的基本要求。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，用戶 對供電可靠性和安全性提出了更高的要求。隨著電力市場的進一步開放，供電質量將受 到更為嚴格的約束和監管，直接與電力部門的經濟效益和運營資格掛鉤。無論是電力用 戶還是供電公司，都 有提高供電可靠性的自身需求。影響供電可靠性的主要因素是停電 時間和停電次數，而電力系統供電中斷大多由故障引起。據統計，電力用戶遭受的停電 事故95%以上是由配電網引起的(扣除發電不足因素)，其中大部分是故障原因。因 此，準確地測定配電網故障位置，對于及時隔離并修復故障，提高供電可靠性具有十分 重要的意義。根據測量時線路是否帶電，國內配電網單相接地故障定位技術可分為在線和離 線兩種方式。當前離線定位法多用于電纜故障定位，而在線定位法多用于架空線路的故 障定位。鑒于我國配電網廣泛采用的中性點非有效接地運行方式，發生單相接地故障后 允許系統故障狀態下繼續運行1 2個小時，使得在線定位法必然成為未來國內配網自動 化的重要組成部分。在具體實施方式
上，國內配電網單相接地故障定位方法可分為利用多個線路終 端(Feeder Terminal Unit，簡稱FTU)或故障指示器(Fault Passage Indicator，簡稱FPI)
的故障區段定位法和直接利用線路出口處測量到的電氣量信息計算故障距離的故障測距 法。前者用于交通便利、自動化水平較高的城區配電網完成快速故障隔離；后者用于供 電距離較長、不易巡檢的鄉鎮配電網或鐵路自閉/貫通系統完成故障點查找。故障區段定位法零序電流法利用線路零序電流的幅值及相位進行故障區間定位。對于諧振接 地系統，由于消弧線圈的補償作用，故障線路零序電流的變化特征不明顯，幅值和相位 判據失效。相應理論可見“伊貴業等，用在線監測器的配電網故障定位法.清華大學學 報,2000，40 (7) 35 — 38.”針對零序電流法無法適用的諧振接地系統，出現了零序電流增量法。該方法對 諧振系統故障后的穩態零序電流增量進行分解，根據分解后的電流增量的相位定位故障 區段，配合FTU (FeederTerminalUnit)進行定位。相應理論可見“王政等，配合FTU 的小電流系統單相接地故障定位方法.電力自動化設備，2003，23 (2) 21 — 26.”。零序功率方向法是通過檢測零序功率的有功分量或無功分量進行故障定位。對 于中性點不接地系統，檢測沿線無功功率的方向即可判斷故障區段；對于諧振接地系 統，利用零序有功分量判斷故障區段。由于有功分量較小，不易檢測，且受電流互感器 不平衡電流的影響，可靠性低。相應理論可見“楊漢生等，基于零序功率的小電流選線方法.繼電器，2002，30 (11) 30 — 32.”。相關法是一種通過判斷相鄰FTU檢測到的暫態零模電流相關性確定故障區段的 故障定位方法。該方法對所應用系統的通訊網絡有一定要求，適用于饋線自動化系統或 安裝有具備通訊功能FPI (Fault Passage Indicator)的配電系統。相應理論可見“馬士 聰等，檢測暫態零模電流相關性的小電流接地故障定位方法.電力系統自動化，2008，32
(7) 48 — 52.”。中電阻法是對穩態零序電流法的一種成功改進。由于諧振接地系統的穩態故障 電流無法用于故障檢測，需要在中性點投入中電阻產生足夠大的零序電流，通過比較沿 線FTU檢測到的零序電流幅值判斷故障區段。該方法需要改動變電所的中性點接地方 式，造成其應用局限，同時方法中使用的中電阻設計困難，投入較大，帶來了一定的成 本問題。“S注入法”是利用故障時暫時“閑置”的接地相電壓互感器相系統注入一個 特 殊信號電流，通過對該信號進行尋跡來事先故障選線和定位。在實際工程應用中可以在 線路節點和分支點安裝信號探測器，通過檢測信號的路徑來定位故障區段，也可以通過 手持探測器沿線巡檢，信號消失的點即為故障點。該方法注入信號強度受PT容量閑置， 對于高阻接地故障檢測效果不好。相應理論可見“桑在中等，小電流接地系統單相接地 故障選線測距和定位的新技術.電網技術，1997，21 (10) 50 — 52.”。故障測距法“S注入法”除用于故障區段判斷外，也可以用于故障測距。通過檢測注入信號 的電壓電流，計算變電站至故障點的故障阻抗，以故障距離與故障阻抗成正比為判據計 算故障點位置。該方法靈敏度受注入信號強度影響，至今還沒有在現場投入使用。相關 理論可見“王新超，桑在中.基于“S注入法”的一種故障定位新方法.繼電器，2001， 29 (7) 9 11.”微分方程法是通過列寫線路的暫態微分方程，利用測量的暫態電壓、電流信 號求取測量端至故障點間線路電感實現故障測距，又稱之為暫態阻抗法。該方法不受 中性點運行方式影響，克服了穩態法中故障信號微弱難以用于定位的缺點，靈敏度大 為提高。但由于所使用的模型沒有考慮線路的分布電容，測距誤差大，不能滿足實用 化需求。相關理論可見“ LEHTONEN M, HAKOLAT. Neutral earthing and power system protection. Vaasa, Finland: ABB Transmit Oy Publication, 1996.”根據行波理論，線路上的任何擾動，其電氣量均以行波的形式向系統的其它部 分傳播，因此在理論上可以利用測量到的暫態行波信號實現各種類型的故障測距。相關 理論可見“于盛楠，楊以涵，鮑海.基于C型行波法的配電網故障定位的實用研究.繼電 器，2007，35 (10) 1 4.”參數識別法是在系統結構已知的前提下，建立其等效數學模型，通過帶入線路 首端檢測到的電氣量信號求取模型內各元件參數，從而實現故障測距。相關理論可見
“康小寧，索南加樂.基于參數識別的單端電氣量頻域法故障測距原理.中國電極工程學 報，2005，25 (2) 22 27.”綜上所述，現有的各種配電網故障區段定位技術僅能定位故障區段，除非使用 手持式探測器進行沿線巡檢，否則無法準確發現故障位置。這顯然無法滿足配電自動化對單相接地故障實現自動定位的要求。而故障測距技術雖然具有投資少的優點，但是對 于配電網這種多支路線路，該方法不能確定哪條支路發生故障，從而無法做到準確的故 障定位。因此至今為止，如何在多支路配電網中實現準確的故障定位一直是一個難以解 決的問題。

實用新型內容本實用新型針對配電網單相接地故障定位難的問題，提出了一種全新的電力系 統配電網單相接地故障定位系統。該方法是在配電網發生單相接地故障時，將配電網的 中性點非有效接地運行方式在很短的一個時間內臨時改變成中性點有效接地運行方式， 從而在改變中性點運行方式的這短暫時間內產生一個大的故障電流流入故障接地點。安 裝于配電網不同位置處的電流傳感器能夠感應到這種大的故障電流，并可將是否感應到 該大故障電流的結果通過通訊告知主站。主站能夠根據各電流傳感器傳送來的上述信息 勾畫出故障的位置。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種電力系統配電網單相接地故障定位系統，它包括脈沖信號發生器，脈沖信 號發生器設置在變電站主變中性點與大地之間，在每條出線分叉支路初始端則設有電流 傳感器；在變電站還安裝主站，電流傳感器與主站通訊。 一種電力系統配電網單相接地故障定位系統，它包括脈沖信號發生器，脈沖信 號發生器設置在母線上的Ytl/Δ型變壓器的Δ繞組內，在每條出線分叉支路初始端則設 有電流傳感器；在變電站還安裝主站，電流傳感器與主站通訊。所述脈沖信號發生器為一對反并聯的晶閘管。所述電流傳感器包括集成電流傳感器，感應線路流過的電流；電源單元，它通過集成電流傳感器取能，并給處理單元和通訊單元供電；傳感器模數轉換單元，用于將模擬電流轉化為數字量，然后供給處理單元分析 電流波形；處理單元，能對檢測到的電流波形進行分析，如果依據預定的算法，檢測到短 路電流，則輸出1 ；如果沒有檢測到短路電流，則輸出0 ；通訊單元，通訊單元能夠將檢測結果“1”或“0”，以及各電流傳感器的ID號 傳送到主站；通訊方式為無線方式或電力載波通訊。所述主站采集流入各饋線的短路電流，變電站母線電壓和各傳感器傳送來的各 自ID號和狀態信息；利用短路電壓和電流計算出阻抗，公式如下Z=V (w) /I (w)(1)其中V和I分別是變電站內測量得到的，并經過相鄰整周波相減后的短路電流的 電壓電流；w=2 π f, f是頻率；線路的電抗X是線路長度L和每公里單位長度的線路電抗 Xtl的乘積，線路電抗X轉化成距離的函數如下X=X0*L(2)從而得到L=X/X0(3)[0035]于是，線路的長度L通過上式確定了，通過傳感器ID號和狀態信息確定哪條分 支將被用來做距離檢測，結合Z值和各傳感器的狀態信息，故障位置就能夠被確定。一種電力系統配電網單相接地故障定位系統的定位方法，它的步驟為1)檢測接地故障的發生，通過檢測變電站的母線電壓確定系統是否發生單相接 地故障；2)脈沖信號發生器開始工作，通過控制晶閘管的觸發角以產生具有設定周期的 短路電流流入系統；3)持續工作的電流傳感器對短路電流信號進行檢測，有短路電流時輸出 “1”，否則輸出“0” ；如果某個電流傳感器檢測到短路電流信號，那么它就將其狀態
值“1”以及自身的ID號傳送給主站；只有狀態值為“1”的傳感器才往主站發送信 息；4)主站根據在變電站內采集到的電壓電流值計算故障阻抗和故障距離，并根 據各傳感器發送來的狀態信息，結合網絡拓撲信息，最終確定接地故障距最下游狀態為
“1”的傳感器的距離。所述步驟3)中，短路電流的檢測方法為取兩個周期的電流波形，用后一個周 期的波形減去前一個周期的波形.由于在兩個周期中，有且只有一個周期有短路電流(晶 閘管每兩個周期導通一次),所以波形相減后，得到的就是短路電流。所述步驟4)中，主站首先利用短路電壓和電流計算出阻抗，公式如下Z=V (w) /I (w)(1)其中V和I分別是變電站內測量得到的，并經過相鄰整周波相減后的短路電流的 電壓電流；W=2Jif,f是頻率；線路的電抗X是線路長度L和每公里單位長度的線路電抗 Xtl的乘積，所以線路電抗X轉化成距離的函數如下X=X0*L(2)從而得到L=XZX0(3)線路的長度L通過上式確定了；通過傳感器ID號和狀態信息，主站確定哪條分 支將被用來做距離檢測，通過結合Z值和各傳感器的狀態信息，故障位置被確定。本實用新型的有益效果是基于阻抗法計算故障距離，并結合電流傳感器實現 故障線路的選擇，從而快速可靠地解決了多支路配電系統中故障定位的問題。該電流傳 感器只需測量是否有短路電流通過，功能簡單，成本低廉，可以大規模的安裝在配電系 統中。因此，基于阻抗法并結合傳感器選擇故障線路的定位方法具有極大的實用性。

圖1為本實用新型實施例1的基于晶閘管的短路電流發生安裝位置方案；圖2為本實用新型實施例2的基于晶閘管的短路電流發生安裝位置方案；圖3為電流傳感器的安裝位置圖圖4電流傳感器的結構圖；圖5為相鄰整周波相減的短路電流提取方法圖；圖6為確定故障位置視圖。[0056]其中，1.脈沖信號發生器，2.變電站主變，3.1/Δ型變壓器，4.電流傳感器， 5.集成電流傳感器，6.電源單元，7.傳感器模數轉換單元，8.處理單元，9.通訊單元， 10.主站。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對比實用新型做進一步說明。實施例1 該套系統由如下三部分組成1)基于晶閘管的脈沖信號發生器1。基于晶閘管的脈沖信號發生器1主要由一 對反并聯的晶閘管構成。該部分置于變電站主變2中性點與大地之間，如圖1所示。當 電力系統配電網發生單相接地故障時，安裝于圖中兩位置處的晶閘管控制系統中性點與 大地之間瞬時導通，以產生一較大的短路電流注入電力系統。2) 電流傳感器4。電流傳感器4安裝于每條出線分叉支路初始端，如圖3所 示。該電流傳感器4集成在每相導線上，自身供電，如圖4所示。它由如下幾部分構 成(a)集成電流傳感器5。此類似于普通電流傳感器，感應線路流過的電流。(b)通過集成電流傳感器5取能的電源單元6。此模塊給處理單元8和通訊單元 9供由
J I/N HZi O(c)將模擬電流轉化為數字量的傳感器模數轉換單元7。此模塊用于轉換采集的 模擬信號變成數字信號，然后供給處理單元8分析電流波形。(d)能對檢測到的電流波形進行分析的處理單元8。此模塊分析波形，如果依據 預定的算法，檢測到短路電流，則輸出1 ；如果沒有檢測到短路電流，則輸出0.(e)能將處理結果發送到主站10的通訊單元9。通訊單元9能夠將檢測結果 “1”或“0”，以及各電流傳感器4的ID號傳送到主站10。通訊方式可以采用無線方
式，也可以采用電力載波通訊。處理單元8采用相鄰整周波相減的方法將短路電流從背景負荷電流里檢測出 來，如圖5所示。其具體的方法是取兩個周期的電流波形，用后一個周期的波形減去前 一個周期的波形.由于在兩個周期中，有且只有一個周期有短路電流(晶閘管每兩個周期 導通一次)，所以波形相減后，得到的就是短路電流。該方法在提取短路電流的同時，還 排除了周期性干擾對短路電流的影響。因此，本實用新型的方法可用在電力系統還在運 行的狀況下，即在不停電的情況下工作。如果一個短路電流被檢測到，處理單元就輸出
“1”，否則輸出“0”。3) 主站10。主站10是安裝在變電站的一套設備，用來采集如下信息(a) 流入各饋線的短路電流，(b)變電站母線電壓，(C)各電流傳感器4傳送來的各自ID號和 狀態信息。主站10首先利用短路電壓和電流計算出阻抗，公式如下Z=V (w) /I (w)(1)其中V和I分別是變電站內測量得到的，并經過相鄰整周波相減后的短路電流的 電壓電流。W=2Jif,f是頻率。故障阻抗一般呈阻性，其大小不會影響電抗.由于線路的 電抗X是線路長度L和每公里單位長度的線路電抗Xtl的乘積，所以線路電抗X可以轉化成距離的函數如下X=X0*L(2)從而得到L=X/X0(3)于是，線路的長度L就可以通過上式確定了。該結果可以從電的角度告訴我們 故障點距離變電站的距離是多遠。但是，由于配電線路有很多分支，只有長度L值不足 以找到故障點。必須通過傳感器ID號和狀態信息可以幫助主站確定哪條分支將被用來做 距離檢測。如圖6所示。通過結合Z(距離)值和各傳感器的狀態信息，故障位置就能 夠被確定。實施例2 在本實施例中，脈沖信號發生器1安裝在接在母線上的Yc/Δ型變壓器3的Δ 繞組內，其余結構與實施例1相同，不再贅述。本實用新型的運行程序如下1) 檢測接地故障的發生。通過檢測變電站的母線電壓可以發現系統是否發 生的單相接地故障。2) 信號發生器開始工作。通過控制晶閘管的觸發角以產生具有特定周期， 比如說每周期15秒，且強度足夠大的短路電流流入系統。3) 持續工作的傳感器對短路電流信號進行檢測。如果某個電流傳感器檢測 到短路電流信號，那么它就將其狀態值“1”以及自身的ID號傳送給主站。只有狀態值 為“1”的傳感器才往主站發送信息。4) 主站根據在變電站內采集到的電壓電流值計算故障阻抗和故障距離，并 根據各傳感器發送來的狀態信息，結合網絡拓撲信息，最終確定接地故障距最下游狀態 為“1”的傳感器的距離。步驟4)中，主站首先利用短路電壓和電流計算出阻抗，公式如下Z=V (w) /I (w)(1)其中V和I分別是變電站內測量得到的，并經過相鄰整周波相減后的短路電流的 電壓電流；W=2Jif,f是頻率；線路的電抗X是線路長度L和每公里單位長度的線路電抗 Xtl的乘積，所以線路電抗X轉化成距離的函數如下X=X0*L(2)從而得到L=X/X0(3)線路的長度L通過上式確定了；通過傳感器ID號和狀態信息，主站確定哪條分 支將被用來做距離檢測，通過結合Z值和各傳感器的狀態信息，故障位置被確定。
權利要求1.一種電力系統配電網單相接地故障定位系統，其特征是，它包括脈沖信號發生 器，脈沖信號發生器設置在變電站主變中性點與大地之間，在每條出線分叉支路初始端 則設有電流傳感器；在變電站還安裝主站，電流傳感器與主站通訊。
2.—種電力系統配電網單相接地故障定位系統，其特征是，它包括脈沖信號發生 器，脈沖信號發生器設置在母線上的Υο/Δ型變壓器的Δ繞組內，在每條出線分叉支路 初始端則設有電流傳感器；在變電站還安裝主站，電流傳感器與主站通訊。
3.如權利要求1或2所述的電力系統配電網單相接地故障定位系統，其特征是，所述 脈沖信號 發生器為一對反并聯的晶閘管。
4.如權利要求1或2所述的電力系統配電網單相接地故障定位系統，其特征是，所述 電流傳感器包括集成電流傳感器，感應線路流過的電流；電源單元，它通過集成電流傳感器取能，并給處理單元和通訊單元供電；傳感器模數轉換單元，用于將模擬電流轉化為數字量，然后供給處理單元分析電流 波形；處理單元，能對檢測到的電流波形進行分析，如果依據預定的算法，檢測到短路電 流，則輸出1 ；如果沒有檢測到短路電流，則輸出0 ；通訊單元，通訊單元將檢測的結果“1”或“0”以及各電流傳感器的ID號傳送到 主站；通訊方式為無線方式或電力載波通訊。
專利摘要本實用新型涉及一種電力系統配電網單相接地故障定位系統。它包括脈沖信號發生器，脈沖信號發生器設置在變電站主變中性點與大地之間，在每條出線分叉支路初始端則設有電流傳感器；在變電站還安裝主站，電流傳感器與主站通訊。該方法通過在變電站內相應位置安裝基于晶閘管的短路電流發生器，通過控制晶閘管瞬時導通以產生短路電流注入故障線路，安裝于每條出線分叉支路初始端的傳感器針對該短路電流進行檢測，檢測到短路電流的各傳感器通過通訊將自身狀態信息告知位于變電站內的主機，主機根據計算出的故障阻抗并結合檢測到短路電流的傳感器位置進而判定單相接地故障所發生的位置。
文檔編號G01R31/08GK201796108SQ20102023201
公開日2011年4月13日 申請日期2010年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者朱珂, 賈善杰 申請人:山東電力研究院