基于双频注入法的故障定位与隔离系统的实现

基于双频注入法的故障定位与隔离系统的实现

邓飞1董超2刘涛3

（1云南电力试验研究院（集团）有限公司；2辽宁拓新电力电子有限公司；3云南电力技术公司）

摘要：分析了中性点不接地系统，基于双频注入法的故障定位与隔离系统的实现，以解决目前配电网系统单相接地故障定位的问题；通过双频注入法的技术在配网线路及分界、分段开关处安装信号采集单元及控制单元，实现单相接地故障的区段定位和故障隔离。

关键词：单相接地；故障定位与隔离；双频注入技术

1.引言

配网线路是电力系统的重要组成部分，随着电力系统规模的日益扩大，远距离配网线路日益增多，配网线路故障对电力系统、工农业生产和人们日常生活的影响面也更广。而配网线路往往暴露于不同的环境并分布在广大的地理区域，其穿越区域地形复杂、环境较为恶劣，一旦发生故障，巡线工作艰苦、困难，并需要花费大量的时间；而由于地形复杂，环境恶劣，往往也容易发生故障，如闪络等瞬时性故障（占线路故障的90%~95%）；这类瞬时性故障一般会给线路留下损伤，造成局部绝缘缺陷，但又往往无很明显的破坏痕迹，给故障点的查找带来极大的困难。配网线路发生故障后，如果能迅速、准确地进行故障定位及隔离，就可以及时发现绝缘隐患，及早采取防范措施，提高运行的可靠性并减少因停电而造成的巨大综合损失。配网线路的准确故障测距是从技术上保证电网安全、稳定和经济运行的重要措施之一，具有巨大的社会和经济效益。

从目前已有的故障定位与隔离方（算）法来看，在定位准确性、可靠性及硬件投入等方面，还不能满足电力系统运行和管理部门的要求，有必要进一步地研究。

2.基于双频注入法的故障定位与隔离系统的原理

双频注入法的实现是由三个单相断路器通过出线间隔连接到母线，单相断路器出口封星，接入低励磁阻抗变压器一次端，出口再与地网相接。当发生单相接地故障时通过计算零序电压，相线电压的模角变化判断单相接地故障相别，控制相应故障相别单相断路器合闸。合闸前，非故障出线的分布电容电流由故障线路故障点处流回母线；合闸后，流入故障点的分布电容电流通过地网流入低励磁阻抗变压器，分相开关，母线，回到变压器端。

如图1、图2

合闸后，低励磁阻抗变压器通过故障相的单相断路器与单相接地故障点、大地形成一个回路；此时低励磁阻抗变压器为信号电压源；

等效回路如下图：

这时通过低励磁阻抗变压器二次线圈注入一个双频率特征信号，该信号在低励磁阻抗变压器一次端为固定电压的双频特征信号；安装在故障线路上的故障指示器、分界断路器处的FTU等检测装置就会检测到这个双频率特征电流信号。由于非故障回路只有分布电容存在，因此这两个频率电流信号的幅值只与频率成正比，即：

高频为，低频为，为基频频率。

而故障回路因为接地电阻的存在，这个关系不成立，即：

当时，即为非故障回路

当时，即百分百接地

一般规定，当时，即为故障回路。

经低励磁阻抗变压器注入双频信号的单相接地故障检测方法一方面采用信号电压源避免了传统电流源信号注入方法，受分布容抗分流影响故障回路信号特征不明显；另一方面采用双频信号注入方式，单相接地判定的依据为两种频率信号检测值的比值，不受线路性质、地理条件、故障指示器测量精度、安装区间距离等因素影响。

3.基于双频注入法的故障定位与隔离系统的实现及技术分析

3.1、双频信号的注入及检测

当线路发生单相接地故障后，站内低励磁阻抗变压器接地保护装置故障相单相接地断路器动作，对单相接地实施保护，由信号发生装置通过低励磁阻抗变压器向故障相注入双频特征检测信号。此时低励磁阻抗变压器为信号电压源，并且检测信号只存在于故障相。

在一种频率作用下有：

I1=U/Xc1+U/Xc2+U/R

I2=U/Xc2

其中U为注入信号电压，Xc为线路容抗，R为接地电阻

改变注入信号频率，保持注入信号电压不变，由于容抗与频率成反比，k为两种频率比值，此时：

I11=k.U/Xc1+k.U/Xc2+U/R

I21=k.U/Xc2

两种频率测量值进行比值运算：

I11/I1=（k.U/Xc1+k.U/Xc2+U/R）/（U/Xc1+U/Xc2+U/R）！=k

I21/I2=（k.U/Xc2）/（U/Xc2）=k

非故障回路检测结果同I2。注入信号频率已知的情况下，很容易区分故障回路和故障区段。

经低励磁阻抗变压器注入双频信号的单相接地故障检测方法一方面采用信号电压源避免传统电流源信号注入方法，受分布容抗分流影响，故障回路信号特征不明显；另一方面采用双频信号注入方式，单相接地判定依据为两种频率信号检测值的比值，不受线路性质、地理条件、故障指示器测量精度、安装区间距离等因素影响。

3.2、双频信号的采样及分离

当发生单相接地故障以后，特殊频率信号注入到故障回路中，线路中安装的分界开关（分段开关）及故障指示器实时采集线路信息，如果采集到特殊频率信号则进行分离并分析。

包括采样电路、滤波电路和检测电路，它们分别对线路的工频和二种频率信号进行采集、滤波和检测，所述滤波电路是采用两个窄带滤波器并联输出的方式，如下图所示：

基于信号注入法的小电流接地故障保护中注入信号由于幅值较小、干扰严重而导致检测困难的现状，研究了一种模拟滤波和数字滤波相结合的注入信号检测方法，分别设计了模拟滤波器和数字滤波器。该方法具有较高的灵敏度和可靠性，完全能满足现场应用的要求。该方法可将1mA的注入电流信号在工频5A的电流信号中准确分离出来并进行有效计算。其中传感器回路为CT采样电路，二级滤波放大电路同一级滤波放大电路，加法电路将负半周期的滤波信号叠加到正半周期去，经过以上硬件电路，将需要信号送入CPU的AD模块经CPU计算分析。模拟信号量采集后经直流和谐波滤波后，再经数字窄带带通滤波提取注入信号频率分量进行快速傅里叶计算。滤波后经快速傅里叶变换能准确计算出出入信号的有效值。

3.3、智能分界开关的故障隔离

当分界开关检测到信号发生器通过低励磁阻抗变压器所注入的特殊频率信号并计算出信号的有效值后，判断工频零序电流是否大于启动值；判断工频零序电流是否大于零序保护定值；判断零序电流方向是否变化；采集计算第一注入频率信号和第二注入频率信号值及其信号比差；根据第一注入频率和第二注入频率信号比差判断是否有故障问题；判断是否满足两个或两个以上的条件，如果满足则控制分界断路器跳闸，断开故障线路。如接地点在用户侧，接地点至电源侧各级开关可检测出接地存在，用户分界开关（断路器）切除后，接地消失，站内低励磁阻抗变压器接地装置退出保护状态，停止单相接地信号注入。经设定时间分界开关（断路器）重合后，如单相接地故障仍然存在，站内低励磁阻抗变压器接地装置再次动作，分界开关（断路器）再次自动切除开关后闭锁。通过一次重合隔离故障区段，并且不影响其他非故障区域供电。

3.4、故障定位（复合型故障指示器）

复合型故障指示器安装在配网线路适当位置，系统发生短路或接地故障时，指示器检测到短路故障电流或经低励磁阻抗变压器注入的特定检测电流流过，指示器上运行灯闪烁，并通过短距离无线通讯方式，将动作信息转发通讯终端，通过GPRS网络或已有的光纤通讯系统，将故障信息发送至监控系统。同时智能开关设备将动作信息和实时数据通过内置通讯模块或光纤通讯系统，传送至监控系统。监控系统经过拓扑分析后定位故障区段，将定位结果以短信方式发送至运行人员，帮助运行人员快速赶赴故障现场排出故障，减少故障排除时间，提升配网供电可靠性。

4.结束语

通过理论与实践相结合，基于低励磁阻抗变压器双频信号注入的配电网单相接地故障定位隔离系统是智能配网实现的一种方式，可以快速地对故障进行定位和隔离。目前很多变电站通过人工拉线的方法进行故障选线，通过人工巡线的方法进行故障定位。通过本系统可以快速地故障定位、选线，减少停电时间，降低带故障运行的风险，同时也提高供电的可靠性；可以提高客户满意度，由于故障定位时间短，故障恢复时间将大大减少，可大幅提高客户满意度；通过对现有配电终端（DTU/FTU/TTU、简易和高精度故障指示器等）与分布式控制器差异化的组合，实现国家电网对不同供电区域自动化功能的要求，使配电网建设差异化、逐年分区、分线建设功能模块化得以实现，综合投资费用降低，性价比提高。

参考文献：

[1]王维俭.电力系统继电保护基本原理[D].清华大学出版社

[2]肖白等.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述[J].继电器，2001，29（4）：16-20.

[3]朱兰等.小电流接地系统单相接地故障选线防止误判的有效方法探讨[J].现代电力，2002，19（6）：49-36.

[4]吴昆仑，李鹏，轩辉.110kV输配电网单相接地故障实例和防范措施研究[J].大科技，2014，（4）.

作者简介：

邓飞（1986-），男，硕士研究生，高级工程师，从事配电网技术研究工作，