便携式小电流接地系统故障选线装置的开发应用研究

便携式小电流接地系统故障选线装置的开发应用研究

张奇

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西西安 710024

摘要：在我国的电力系统中，电压等级在6kV-35kV的中低压配电网网络中，其中性点接地方式主要为非直接接地，也就是中性点不接地或是经消弧线圈接地的方式。这样的系统发生单相接地故障时，由于不构成短路回路，接地短路电流比负荷电流小很多，这种系统称为小电流接地系统。目前的微机型选线装置包括单片机、工控机、嵌入式装置等很多种类型。但是很多装置的选线效果不好，发生误选的情况。装置选线不正确的原因有很多，包括输入信号错误、装置硬件错误、软件算法不完善等。为了对更好地对选线装置进行监测，确定其选线错误的原因，同时对具有重要负荷的变电站进行后备选线，现场迫切需要一种操作简单、使用灵活的便携式监测装置。本文设计开发了一种电力新型的设备，其适用于小电流接地电网，并具有配电网便携式小电流接地系统故障诊断得功能，克服现有技术上的不足，提出适用于小电流接地电网的便携式小电流接地系统故障诊断装置，并在某10kV配电网中完成了测试和应用。

关键词：小电流接地系统；单相接地短路；便携式；应用

1、引言

随着社会和经济的发展，人们对电能的需求日益增长，与此同时对电能的质量也提出了更高的要求。在电力系统中，配电网是十分重要的环节，同时也和用户的联系最为紧密的部分，所以配电网的稳定安全运行直接关系到整个电力系统的正常运行和用户的利益。在我国的电力系统中，电压等级在6kV-35kV的中低压配电网网络中，其中性点接地方式主要为非直接接地，也就是中性点不接地或是经消弧线圈接地的方式。这样的系统发生单相接地故障时，由于不构成短路回路，接地短路电流比负荷电流小很多，这种系统称为小电流接地系统^[1-4]。

小电流接地系统发生的故障中有大约80%的是单相接地故障。单相接地故障发生时，流过接地点的电流较小，其特点是线路发生单相接地时，可不立即跳闸，按规程规定可带单相接地故障运行1-2小时。但是带故障的长时间运行，非故障相电压会上升为线电压，对地继续升高会导致弧光过电压，对整个系统造成威胁，可能进一步发展为相间短路、三相短路，造成更加严重的后果^[5]。此时运行人员必须尽快查明短路线路和短路点，以便采取相应的措施，使系统能够恢复正常运行，小电流接地系统发生单相接地故障的选线就是这样的过程。我国配电网和大型工矿企业的供电系统一般情况下都是小电流接地系统，中性点不接地和经消弧线圈接地系统所占的比例相当高，所以我国一直十分重视小电流接地系统的单相接地故障的理论和装置的研究工作^[6]。我国从一九五八年起就一直对小电流接地系统单相接地的故障选线问题进行了研究，选线理论的不断更新发展，也催生了选线装置的不断更新换代^[7]。

目前的微机型选线装置包括单片机装置、工控机装置、嵌入式装置等很多种类型。但是很多装置的选线效果不好，发生误选的情况。选线装置选线不正确的原因有很多，包括输入信号错误、装置硬件错误、软件算法不完善等。为了对更好地对选线装置进行监测，确定其选线错误的原因，同时对具有重要负荷的变电站进行后备选线，现场迫切需要一种操作简单、使用灵活的便携式监测装置。本文设计开发了一种电力新型的设备，其适用于3～60kV小电流接地电网，并具有配电网便携式小电流接地系统故障诊断得功能，克服现有技术上的不足，提出适用于小电流接地电网的便携式小电流接地系统故障诊断装置，填补了国内外相关技术领域的空白。该装置不仅能够单独使用实现选线功能，还可以在不停电、不解开二次线路的情况下与其他选线装置并联使用，作为在传统的配电网单相接地短路选线装置的后备及监测设备。

2、装置的开发和设计研究

本文设计的一种便携式小电流接地系统故障诊断装置，包括套接式电流变换器、嵌入式主板、模拟量变换器板卡、彩色液晶；套接式电流变换器的二次侧通过电缆接入模拟量变换器板卡的输入端；嵌入式主板与模拟量变换器板卡、彩色液晶通过背板连接线相连；嵌入式主板通过串口连接其他选线装置；嵌入式主板还通过以太网口与自动化后台相连。故障诊断装置不仅能够单独使用实现选线功能，还可以在不停电、不解开二次线路的情况下与其他选线装置并联使用，作为其他选线装置的后备及监测设备。

诊断装置的工作原理是：套接式电流变换器可以从电流互感器的二次线路上获得电流信号，通过电缆接入模拟量变换器板卡的输入端。变换器板卡上的变换器将信号转变为-5V与+5V之间的低压模拟量信号，该模拟量进入主板后首先进行低通滤波，然后经过AD转换后变为数字信号，CPU对数字信号进行计算选出故障线路同时保存故障完整数据。装置算法将在第3节中详细说明。选线结果采用两种方式输出：①液晶汉字化显示；②通过以太网输出报警信号。诊断装置还可以通过串口接收其他选线装置的选线结果，对其他选线装置进行监测并诊断出选线错误的原因，例如如果诊断装置检测到故障特征明显而其他选线装置错误，就可以判断其选线装置的算法不完善。

诊断装置由套接式电流变换器、嵌入式主板、模拟量变换器板卡、工业液晶显示器和电源组成，所有板卡安装在一个便携式的机箱内，采用自然冷却，电源、主板及机箱内部都无需安装风扇，没有易损元件。高速总线集成在主板内，主板与其他板卡之间不通过高速总线连接，提高了装置可靠性。主板安装嵌入式WinCE操作系统，WinCE操作系统中内嵌FTP服务器，用户可以通过以太网自动提取录波数据。

诊断装置中模拟量变换器板卡、嵌入式主板和彩色液晶LCD通过背板连接在一起。套接式电流变换器能够把电流互感器的二次电流放大到200mA以内的电流信号，通过电缆接入模拟量变换器板卡的输入端。模拟量变换器板卡上的变换器单元能够将电流信号转变为-5V与+5V之间的低压模拟量信号，该模拟量进入嵌入式主板后首先进行低通滤波，然后经过AD转换后变为数字信号，CPU对数字信号进行计算选出故障线路，并且保存故障完整数据。选线结果由彩色液晶LCD汉字化显示，或者通过以太网上传到自动化后台。装置内嵌FTP服务器，用户可以通过以太网自动提取录波数据。装置还可以通过串口接收其他选线装置的选线结果，对其他选线装置进行监测并诊断出选线错误的原因。

如图1所示，套接式电流变换器TA采用电磁耦合进行电流测量，通过开口铁芯K套接在电流互感器的二次线路上，在铁芯上缠绕的二次绕组上会感应出电流I2，I2与电流互感器的二次线路上的电流I1成正比。由于变换器采用开口的结构，因此无需将线路断开就可以进行安装。

功能原理如图2所示，AD信号处理系统由电流/电压转换器、电压跟随器、零序放大器、AD转换器组成。小电流互感器与电阻Rz组成电流/电压转换器，将0-5A电流信号转换为0-3.5V信号，电流/电压转换器的输入端接到线路高压电流互感器的二次侧，输出接到电压跟随器的输入端上；电压跟随器由运算放大器OP07与电阻R13组成，输出信号接到零序放大器上；零序放大器由运算放大器AD620与电阻R11、R12、Rf组成，AD620的REF端与AD7265的DcapA端相连接。

图2

3、装置的算法

中低压配电网的线路中存在许多等效电感和电容，当小电流接地系统发生单相接地故障时，负荷阻抗和部分线路阻抗被短路，使线路中的电流突增，由于电路存在电感，线路电流不能突变，产生了一个短路的暂态过程。接地短路故障时，因为电压和电流波形包含有大量的工频整数次谐波和非整数次谐波。传统的傅里叶分解法只能分解整数次谐波，不能分解非整数次谐波。小波变换对频带进行划分，也不能提取任意频次谐波信号。但是HHT具有处理非线性、非平稳信号的良好特性，加上方法本身的自适应性，和小波变换相比，HHT具有更高频分辨率，同时克服了小波变换里面的小波基的选取。EMD过程采用加、减法对信号进行处理，计算的速度更快，因此也提高了计算的效率^[8-9]。

HHT能够定量刻画相应时刻的频率、幅值，因而确定突变的、非平稳信号的闪变与波动发生的时间、频率和幅值，实现故障暂态和扰动时刻的快速、准确定位，并及时消除或隔

离故障，从而确保电力系统安全运行。

EMD分解流程图3所示：

图3 EMD分解流程图

当小电流接地系统中发生单相接地故障时，输电线路就会出现零序电流，而且此时故障线路和健全线路的零序电流的极性是相反的。HHT法在进行故障选线时，以故障线路和非故障线路在故障时刻的极性(相位)相反为判据，判断各线路在故障时刻的极性。若某条线路的极性与其它线路在故障时刻均相反，则判定该线路为故障线路，若极性都相同，则判定为母线故障。

HHT选线法首先通过EMD法对故障后一个周波的暂态零序电流进行分解，EMD分解将故障信号分解IMF分量，IMF分量的局部特征时间尺度越大，频率越高，并且 IMF分量是有实际物理意义调幅调频信号，能从频率和幅值上反映信号突变情况。从这一系列IMF分量中，选取最后的IMF分量，将其叠加。

HHT故障选线法的具体步骤如下：

(1)当系统零序电压大于15%的母线额定电压时，启动采录波装置并记录故障后一个周波的零序电流信号；

(2)利用HHT中的EMD方法对故障后一个周波暂态零序电流进行EMD分解，得到一系列IMF分量，选取最后一个IMF分量（即衰减的直流分量）；

(3)将每条线路的最后一个IMF分量的每一个采样点进行相加的处理，得到一个表征的量化值，如果极性与其它线路的相反，则判定该线路为故障线路；如果所有线路的量化值的极性都相同则可判定为系统发生母线接地故障。

4、总结

本文主要论述了基于HHT原理的便携式小电流选线装置，分析了配电网在发生单相接地故障时HHT的应用原理，并进一步阐述了选线装置各主要硬件的开发和设计。基于本文开发的便携式小电流选线装置已经完成了在10kV配电网的模拟试验的测试，而且已经有多台装置投运到实际现场之中，运行结果表明装置操作简便，故障数据的记录和传送快速准确，结果表明该装置是能够实现正确的选线的。

参考文献

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