混合信号激励检测变电站接地点的方法

李燕青，沈博一，赵亮，魏方园

(华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定071003)

混合信号激励检测变电站接地点的方法

李燕青，沈博一，赵亮，魏方园

(华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定071003)

为了防止带地线合闸事故的发生，提出了一种混合信号激励下检测变电站接地点的方法。直流电压和高频2 kHz电压叠加成的混合信号经过无感电阻对停运三相线路同时施加激励，通过分析线路直流响应分压和高频响应分压的大小判断有无接地点存在。由于变压器中性点接地会导致接地点检测误判，分析了不同频率下中性点接地零序阻抗的变换趋势。实验结果证明直流信号能将线路接地点检测出来，高频信号能够进一步排除中性点接地的影响。结论表明，在变电站接线复杂、设备种类繁多的情况下，直流和高频混合信号激励方法能够有效检测出接地点，有很大的灵敏性，且不会引起误判。

混合信号；接地点检测；零序阻抗；中性点接地

电力系统会因为人为原因发生带地线合闸事故，究其原因是在合闸送电前没有有效的技术手段确保本停运线路、设备有无接地点。在变电站中，直接接地类型主要体现在接地刀闸接地、通过地线保护接地两种类型。对于接地刀闸接地点，一般新式变电站都会和五防相连，接地刀闸动作时给五防系统发信号，五防通过逻辑判断功能发出或解除闭锁信号，防止接地合闸事故发生。但在一些变电站中，没能实现接地刀闸和五防的联系，从而不能判断是否存在接地刀闸接地点。对于通过地线保护接地点，合闸前拆除地线主要靠管理手段，如操作票、工作票等。工作人员由于疏忽忘拆地线会引起很严重的后果。本文基于以上两种接地点目前状况的不合理，提出了一种信号激励法检测变电站接地点的方法。

变电站内接地类型有3种：工作接地(变压器中性点接地)，防雷接地和保护接地。本文就是要将保护接地点检测出来，并与工作接地和防雷接地区分，不造成误判。因防雷接地与变电站设备之间没有电气连接，因此不会对信号激励法产生影响。变电站中设备一般不会全部停电，停运线路周围存在诸多电磁干扰，因此会在停运设备上感应出静电感应电压、静电感应电流、电磁感应电压、电磁感应电流[1-6]。这些感应电压、电流都是50 Hz工频分量，可以通过滤波将其滤除。因此本文对信号响应的分析重点是对与激励信号同频率响应的分析。

1 变压器中性点接地零序阻抗分析

变压器中性点接地的存在，可能会引起接地检测时的误判：即将中性点接地(工作接地)当作设备直接接地(保护接地)。信号源通过无感电阻同时加在ABC三相线路上，相当于对变压器施加一个零序电压。零序电压加在变压器绕组的三角形侧或不接地星形侧时，无论另一侧绕组接线方式如何，变压器中都无零序电流，这时零序阻抗无穷大，不会当作设备直接接地，不引起误判。本文对信号源加在接地星形一侧时变压器零序电抗的大小做重点分析。下面以三相三柱式双绕组变压器YNd(Y0/∆)接线方式进行分析。

星形侧施加零序信号源时，星形侧绕组流过零序电流，在三角形侧绕组中感应零序电动势，因零序电动势大小相等、相位相同，接成三角形的三相绕组为零序电流提供通路，在绕组中行成环流，但不流出。如图1所示[7-8]，其中为信号源，为10 kΩ无感电阻，P为ABC三相公共连接点。

图1 变压器零序电流流通示意图

用一相表示时，可以认为三角形侧感应电动势以电压降的形式完全降落于三角形侧漏抗上，相当于绕组短路，其等值电路如图2所示。

图2 变压器零序等值电路图

零序电抗表达式为：

式中：I为星形侧绕组漏抗；II为三角形测绕组漏抗；m(0)为零序励磁电抗。

对于三相三柱式变压器，在三相绕组上施加零序电压后，因三相磁通同相位，在铁芯中不能流通，只能由箱壁返回，此时磁阻较大，因此零序励磁电抗较小，其值的大小受很多因素影响。有磁路定律得：

式中：为信号源频率，Hz；为绕组匝数；为磁路截面积，m2；为磁路长度，m；为磁导率，H/m。由于存在磁饱和，磁导率不是常数。且频率变化时，m(0)值也会变化。=0时，m(0)=0，这时(0)也大致为零(线路直接接地时线路阻抗也大致为零)。

由以上分析可得出，判断设备有无地线加信号源时，若设备没有直接接地但存在中性点接地，其零序阻抗随变动。经过分析，考虑饱和时，信号源频率由小到大变化时，中性点接地阻抗由小到大再到小变化。其中存在一个阻抗最大的频率点。区分中性点接地和直接接地时，在这个频率点处有最大的灵敏性。本文通过分析现场实测数据找到这个频率点。

2 实验结果分析

按图1的接线方式对星形接地侧施加激励电压。信号源S为信号发生器产生的标准正弦电压，幅值为依12 V，无感电阻P=10 kΩ，用示波器测量P点对地电压波形。正弦电压频率从0到5 kHz变化，记录主要频率点对应的P点电压波形进行分析。

以=1 kHz时为例：图3上图为采集到的P点的分压波形，下图为进行FFT后的频谱分析结果。从频谱分析结果可以看出，幅值12 V的激励信号频率为1 kHz时，对应的1 kHz响应幅值为1.1 V。

图3 1 kHz激励下中性点分压

同理，根据这个方法，对各个频率点中性点分压波形进行FFT分析，将对应响应频率的幅值记录下来，并绘制出图4各个频率点对应的变压器中性点零序阻抗的分压。因无感电阻的阻抗不随频率改变，此分压与零序阻抗值成正比关系。

图4 中性点接地零序阻抗变化曲线

从图4中可以看出，当频率在2 kHz左右时，对应的中性点分压最大，这时对应的零序阻抗值最大，因此，用这个频率点区分中性点接地和直接接地有最大的灵敏性。

3 混合信号监测接地点方法

图5和图6分别是直流信号源激励加在变电站停运线路上，线路不接地和直接接地时采集的响应波形。从图中可以分析出，不接地时直流信号幅值为5.40 V，直接接地时为0.26 V，两者相差较大，可以区分出线路是否接地。但是当所加激励回路中没有直接接地点但存在中性点接地点时，测量的响应信号如图7所示，其直流分量幅值为0.54 V，与直接接地时幅值相近。因此，单纯采用直流信号分析是否存在接地点时，会引起误判。

图5 线路不接地、直流激励

图6 线路直接接地、直流激励

图7 中性点接地、直流激励

通过变压器中性点识别实验的分析，可以得知，信号源频率在2 kHz附近时变压器中性点接地零序阻抗最大。其测量响应信号分析如图8所示，其响应频率2 kHz处幅值为11.04 V。但是当线路直接接地时，其阻抗分压对2 kHz信号大致为零。据此可以用高频信号将中性点接地和直接接地区分开。

图8 中性点接地、2 kHz激励

由以上分析，形成以下混合信号激励法检测变电站接地点的过程：

(1)将停运线路A、B、C相短路连接后加混合信号激励源，信号激励源由依6 V标准正弦电压和+6 V直流电压叠加而成(产生此信号的芯片可单电源+12 V供电，实现方式简单)；

(2)将短路连接处信号通过低通滤波器，计算直流信号幅值，若为高电位，则本回路无接地点；若为低电位则进行下一步骤；

(3)将短路连接处信号再通过高通滤波器，计算2 kHz信号幅值，若也为低电位，则本回路有接地点，禁止合闸；若为高电位，则为中性点接地，无直接接地点，可以合闸。

4 结论

为了防止带地线合闸事故的发生，本文提出了一种对线路加信号源激励分析响应特征的方法检测是否存在接地点。在直流和高频混合信号作用下，不仅能够判断线路有无接地点，而且能够识别变压器中性点接地点，从而防止误判。总结如下：

(1)信号源激励电压同时加在线路ABC三相上，为零序电压，变压器中性点接地的零序阻抗随频率变化而变化，在2 kHz处零序阻抗最大；

(2)直流信号可以很好地区分线路是否接地，但是当有变压器中性点接地时，会引起误判；

(3)本文所设计的方法不仅能够检测出停运线路是否挂接地线，还能判断出是否有接地刀闸的接地点，实现了对保护接地点的所有检测。

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Earth point detecting method with mixed signal excitation

LI Yan-qing,SHEN Bo-yi,ZHAO Liang,WEI Fang-yuan

In order to prevent the belt ground switching accident,a hybrid excitation signal detection substation earth point method was put forward.DC voltage and high frequency 2 kHZ voltage were stacked into the mixed signal through non-inductive resistance to decommissioning three phase line at the same time imposed incentives.Through the analysis of line DC response partial pressure and high frequency response of the size,whether earth point exist was judged through the partial pressure.Earth point detection miscarriage of justice was mislead due to the transformer neutral point grounding.Zero sequence impedance transformation trend was analyzed on the different frequency under neutral ground.Test results show that the DC signal can be detected line joint location,high frequency signal to further eliminate the influence of the neutral grounding.The results show that in the substation connection complex,equipment a wide variety of cases,DC and high frequency mixed signal incentive method can effectively detect joint site,there are a lot of sensitivity,and did not cause miscarriage of justice.

mixed signal;earth point detecting:zero sequence impedance;neutral point grounding

TM 63

A

1002-087 X(2015)03-0613-03

2014-08-17

李燕青(1974—)，男，河北省人，教授，主要研究方向为电力系统及其自动化。