小电流接地故障状态监测技术研究

摘 要：本文详细介绍了小电流接地电路在故障状态下的信号频域特征，并基于故障状态信号无功功率分析进行了故障线路选择技术介绍，在这些技术解决的基础上，本文自行发明了XJ-105小电流接地故障监测系统，该系统结构合理，功能齐全，能很好地满足电站综合自动化，以及智能化建设，通过其自动监测与智能诊断功能，能大幅提高电站运行的稳定性，本文研究结论具有重要的理论意义与实际应用价值。

关键词：小电流接地；接地；故障状态；信号频域

1.引言

在小电流接地回路系统中，由于电流微弱、电弧不稳定等原因，一旦其回路系统出现故障，就难以对其进行检测和处理，目前常用的检测方法是基于电路处于稳定状态下的DGF法进行故障检测，但检测效果较差，有待改进。

小电流接地故障发生的瞬间会产生一个较大的暂态电流，通常该暂态电流要比稳态电流大5～6倍，目前，微电子技术的发展趋势就是引入模糊理论等数学分析方法，对该微小信号进行有效提取，本文将介绍与小电流接地故障信号特征提取的最新研究成果，在此基础上研究XJ-105型小电流接地故障选线及检测系统的关键技术。

2.小电流接地回路故障状态下信号特征

小电流接地回路故障状态下产生的信号频率范围分布极广，从数百赫兹甚至到几千赫兹，利用其短暂的故障状态来进行电路检测的前提是回路接地母线所有的线路电抗、电阻近似相等，即可用一个相等的电容来进行等效表示，不然，在正常状态下，小电流接地活路部分成电容特性，一部分又成电感特性，难以确定电流分布规律。

根据电气学基本理论，在正常小电流接地回路中，其电流网络是末端开发的传输线，其母线的输入阻抗特性随着电流频率的变化呈电感性与电容性交替更改，同时，消弧线圈的电流可以与电容电流正负抵消，影响小电流接地回路故障状态下的信号检测，在实际电网回路中，其回路电量频率超过250Hz时，故障线路电流要远大于正常回路电流，在极短的周期内，消弧圈电流的抵消影响较小，可以不予以考虑。

3.基于故障状态信号特征无功功率方向选线方法

在正常小电流接地回路中，对母线处进行功率检测，仪器所显示的主要是由等效电容吸收的无功功率，所以我们考虑测量输出状态为无功功率和瞬时无功功率的回路为故障状态下的小电流接地回路。

对于故障状态信号的检测，可根据电气学原理，假设无功功率作为电压限号与电流信号共同作用产生的平均功率，其在数值上等于瞬时无功功率与电流无功分量的乘积，选择无功功率电路作为故障电路。

4.XJ-105小电流接地故障状态监测系统

4.1 XJ-105系统结构

XJ-105系统采用了串联回路系统，其电器配件主要为由后台分析主机以及多台前置数据采集装置，加上网卡、继电器节点、串行口等组成，由串联方式组成自动监测与远程通信传输回路系统。

其中，前置机与母线相连接，对母线电压以及各输出电路电流信号进行在线实时监测，如果回路中发生故障，可自动进行数据采集，并向后台分析主机传输相关监测故障数据。

后台机主要负责运行XJ-105小电流接地故障分析系统软件，其主要任务是故障数据的读取、存储、接收、分析、输出、并将分析结果向上汇报，发出报警指令等等。前置机与后置机通过串行口进行数据传输。

通过通讯系统的联系，XJ-105可以作为电站综合系统的一部分，可将回路中故障信息即时上报，从而实现小电流接地回路状况的实时监测以及故障状态的远程传输、上报，本系统中通信协议采用DNP5.0。

4.2 XJ-105主要功能

本文自行发明的XJ-105小电流接地故障监测系统具有以下特点：

①对小电流接地回路系统进行实时监测；②故障数据、信息及时传输、上报；③故障自动选线，故障分析；④利用瞬时性故障对线路提出预警；⑤运行数据定时自动保存，以及历史数据实时调用；⑥远程事故诊断以及应对指令发送。

5.XJ-105小电流接地故障状态监测系统关键技术分析

5.1 故障选线技术

本系统详细介绍了基于故障状态信号特征无功功率方向选线方法，可灵活地根据小电流接地回路中的信号情况进行故障线路选择。

5.2 特征频段的实用化确定技术

根据电器学原理，将消弧线圈接地电路特征下限选为205Hz，对于小电流非接地电路，其频率下限为直流分量。根据文献[7]研究结论，小电流接地回路故障状态下的主谐振动频率在特征频段内，因此，其特征频段的上限可以在主振频率的基础上加上一定安全值，一般来说，其上限频率应保证在2000～3000Hz的范围内。

5.3 故障状态电压电流信号特征分量的检测

使用IIR滤波器，对小电流接地回路电流电压先进行滤波处理，再提取其特征分量。同时需要注意的是，尽管IIR滤波器的幅频特性良好，但在检测过程中会引起信号相性位移，导致故障状态信号失真，因此，必须在正向滤波后重新进行反向滤波，以保证滤波后的信号在所有频率下不会存在相性位移。

5.4 数据采集与存储

在小电流接地回路中，由于出现故障状态时，回路信号频率较高，通常对同一前置机需要监测的信号可达十几路、甚至几十路，因此必须设置高速信号收集并立即存储，这对硬盘空间、CPU处理能力以及信号传输能力要求极高。

5.5 故障类型识别技术

由于小电流接地系统较为复杂，因此故障产生原因也众多，本文自行发明的XJ-105小电流接地故障监测系统能自动进行检测该次故障是瞬时性接地故障还是永久的接地性故障，并且可根据所分析的故障类型与原因，得到相应的故障選线结果，但瞬时性的故障系统只做记录与存储，只有系统中发生永久性的故障本系统才会将监测结果上报，以节约CPU分析工作量，提高系统运行效率与运行稳定性。

5.6相电压过零故障

一般情况下，我们认为，在故障状态下对小电流接地系统选线的困难在于过零故障不会有区别与正常状态下的暂态信号。根据文献[2]分析结论，在大部分事故导致的小电流接地电路破坏时，都会产生明显的电势差，其故障状态的峰值电流也能轻松通过相关检测仪器进行捕捉。

参考文献：

[1]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理北京[J]：中国电力出版社

[2]薛永端，张德龙.基于暂态特征信息的配电网单相接地故障检测研究[J].西安：西安交通大学，2005

[3]陈羽，柯振宇.连的需利用暂态信息的小电流接地电网接地故障选线系统的研制[J]北京：清华大学，2012

[4]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

作者简介：

仇激文（1975.11—），男，江苏扬州，大学本科，绝缘监督、电气试验，工程师，扬州供电公司。