一种不停运配电网接地故障定位仪设计

杨仁桓，林中森，夏良标，杨秀增

（1.暨南大学信息科学技术学院，广东 广州 510632；2.玉林供电局，广西 玉林 537000）

0 引 言

配电网接地故障是供电系统的常见现象，目前配电网大多采用中性点非有效接地方式，即小电流接地方式，其优点是短路电流小，保护装置不需要立即动作跳闸。当发生单相接地故障后，系统非故障相对地电压升高为线电压，若不及时处理，极易发展成两相短路使故障扩大，弧光接地还会引起全系统过电压[1]。由于配电线路分支众多，定位接地故障点难，用户对供电可靠性要求不断提高，迫切需要解决在线配电网故障定位问题，即希望供电系统在不切断线路情况下，实现快速准确故障定位。

经过多年的努力，选线问题已经有所突破[2-3]，但定位问题仍没有得到很好解决。近年，国内外学者在故障定位技术上做了很多有益的研究，采用不同方法进行应用，如Hizam H等[4]采用行波法实现配电网故障定位，张利等[1]采用移动式比相法开展配电网接地故障定位技术研究，庄伟等[5]基于零序电流有功分量实现配电网接地故障定位，王世斌等[6]应用近似熵算法研究单相接地故障定位，高鸣等[7]基于S注入法实现小电流接地故障定位。

综上所述，配电网的故障定位方法可分为离线定位和在线定位两大类。离线方法有行波法、直流法等，行波法通过行波传输特性来判断故障位置，往往受到过渡电阻和分支数目的影响；直流法向线路注入直流信号，通过对直流信号的检测来判断故障位置，不受过渡电阻的影响，但需要登杆检测，操作麻烦，这两种离线方法都必须断开故障线。在线常用定位方法有S注入法，S注入法通过电压互感器注入交流220Hz电流信号，沿故障线路跟踪寻找所注入信号的通路进行故障定位；但S注入法也有不足，当接地电阻＞1 kΩ时，220 Hz交流信号能够通过线路对地电容形成回路，易受接地电阻和线路分布电容的影响，造成信号测试困难。

为实现配电网接地故障在线定位，克服探测测试信号困难，本文将从变压器中性点或接地变中性点给配电网注入异频特征信号，通过手持式定向电荷遥感探测器同步探测分析测试信号，实现有接地故障塔杆的准确定位。

1 测试方法

1.1 测试信号的加载方法

图1给出了测试信号的加载方法，即通过外加一个电压互感器（PT），从变压器中性点或接地变中性点加载测试信号。这种测量方式的优点是测试人员不必考虑母线PT组的接线方式，在测量过程中也无需二次班组人员配合[7-8]。Tr为变压器35 kV侧绕组，或是10kV系统的接地变，O为变压器中性点，Ca、Cb、Cc分别为三相对地电容，PT是外加的一个电压互感器，AX，ax分别为PT的一、二次绕组。采用上述方法进行电容电流测量时要外加一个PT，这是为了将高压和低压进行安全隔离，保证试验人员及测试仪器的安全。

图1 测试信号的加载方法

配网系统正常运行时，变压器中性点或接地变中性点对地电压较低，一般只有几十伏到几百伏，但如果测量时系统发生单相接地，其对地电压就上升为相电压，对35kV和10kV系统而言，此时中性点的电压分别为20.2 kV和5.8 kV。当系统发生单相接地时，若不经过PT而直接将仪器引线到中性点进行测量，则会有很高的电压加在仪器上，危及仪器和试验人员的安全。因此，基于安全性考虑，从变压器中性点或接地变中性点加载测试信号时采用PT隔离十分必要。这种测试信号加载方法实现了不停运测试，避免登杆塔挂线的危险和麻烦。

1.2 测试信号的探测

主机根据接地故障类型输出特征测试信号，并加载到配电网，同步触发信号以无线电的方式传送给手持探测器，手持端探测器通过定向电荷遥感探头指向塔杆或指向架空线同步叠加探测测试信号。这种同步叠加探测方法可有效消除噪声，增强探测信号，极大提高探测针对性，增强接地故障定位准确性。如果沿杆塔方向有特征测试信号，即信号相关系数超阈值，则此杆塔有接地电流和接地故障。如果杆塔方向没有特征测试信号而线路上有特征测试信号，则对特征测试信号进行分析。如果同时有较大电阻电流和电容电流，则说明故障在下游；如果有较大电容电流和较小电阻电流，则说明接地故障在上游。手持探测器通过探测特征测试信号、分析信号、结合实际探视经验数据后，给出探测结果或探测引导指示。

1.3 特征测试信号的提取

测试特征信号频率，通过窄带滤波器提取出特征测试信号，求出检测信号与标准信号的相关系数。根据测试电流相量计算出等效的电阻电流和电容电流，从而获得同步叠加探测特征测试信号。由于需要测试电流相量，故测试信号频率不能过高，主机和手持探测器的同步必须准确。

2 系统设计

2.1 测试信号加载主机系统设计

图2给出测试信号加载主机系统框图，测试信号加载主机由220V市电供电，由操作按键、DSP控制处理器、驱动模块、整流模块、高频逆变PWM、高频变压器、整流及保护、监测保护模块、无线同步模块、LCD液晶显示器组成。220 V市电经过整流模块变成300 V直流电，高频逆变PWM在驱动模块控制下，经整流滤波产生特征测试信号。监测保护模块实现对仪器输出电压、电流的监测，当出现异常立即动作断电保护。特征测试信号经高频升压变压器升压至合适电压后，经测试PT接至故障线路。操作按键和LCD液晶显示器提供简便用户交互。

2.2 便携式手持探测器系统设计

图3为便携式手持探测器系统框图，由定向电荷遥感探头、电荷感应放大器、模拟滤波电路、全差分程控放大电路、全差分14位模数转换电路、无线同步模块、嵌入式ARM7处理器和触摸屏组成。定向电荷遥感探头是半边平板电容凹面阵列，可定向遥感指向带电体的电荷信号；电荷感应放大器实现电荷信号的高灵敏低噪声放大，电路原理如图4所示；模拟滤波电路是一个窄带滤波器，用于提取特征测试信号；全差分程控放大电路实现低噪声低零漂高增益放大，把特征测试信号调理至合适的幅度范围；全差分14位模数转换电路采用差分模数转换器ADS8667，采用全差分型电路设计和千分之一准确度基准参考电压源。无线同步模块实现与主机配合同步叠加探测特征测试信号；ARM7处理分析特征测试信号，结合实际探视经验数据后给出探测结果或探测引导指示；触摸屏设计提供人机交互界面，显示报告探测结果或探测引导指示。

2.3 系统软件设计

图5给出仪器软件流程图，图5（a）为信号加载主机软件流程，通过程控电路设计和仪器软件设计，实现主机自动测试故障类型自动加载特征测试信号。图5（b）为手持探测定位器软件流程，根据测试塔或是线路自动分析特征测试信号，结合实际探视经验数据后，给出探测结果或探测引导指示。

图2 测试信号加载主机系统框图

图3 便携式手持探测器系统

3 实验结果与讨论

3.1 实 验

为验证本接地故障定位仪可行性，实验模拟电阻性接地、弧光间歇接地、树枝接地等3种接地故障进行验证，表1给出模拟实验结果。结果表明：电阻性接地和树枝接地故障的检出率较高，弧光间歇接地故障检出率相对低一些，检出率均在84%以上，假阳率均为0，平均定位误差最大为8.3m，能准确、快速进行故障定位，设计方案可行。

3.2 讨 论

图4 定向电荷遥感探头电路图

若加载高频测试信号，由于趋肤效应，测试信号将在发射端向空间辐射，沿线路的信号很弱，又受到沿空间辐射的同源电磁波干扰，造成接地故障探测困难；若加载低频测试信号，则线路信号很强，而线路测试信号向空间辐射电磁波能量很小，造成用天线探测线路的特征测试信号困难。本文通过定向电荷感应放大方法，能有效解决低频测试中探测信号困难的问题。

图5 仪器软件流程图

表1 模拟实验结果

4 结束语

本文设计一种不停运配电网接地故障定位仪，测试主机从变压器中性点或接地变中性点给配电网注入异频特征信号，通过手持式定向电荷遥感探测器同步叠加探测分析测试信号，实现接地故障的准确定位。该方法对提高接地故障巡检排除速度，提高检修效率，提高供电可靠性，减少售电损失具有重要意义。

[1]张利，杨以涵，杨秀媛，等.移动式比相法配电网接地故障定位研究[J].中国电机工程学报，2009，29（ 7）：91-97.

[2]贾清泉，杨奇逊，杨以涵，等.基于故障测度概念与证据理论的配电网单相接地故障多判据融合[J].中国电机工程学报，2003，23（ 12）：6-11.

[3]齐郑，杨以涵，张宏宇，等.基于D-S证据理论的小电流接地故障连续选线方法[J].华北电力大学学报，2005，32（ 3）：1-4.

[4]Hizam H， Crossley P A， Gale P F.Fault section identification and location on a distribution feeder using travelling waves[C]∥Power Engineering Society Summer Meeting，Chicago，Illinois，2002.

[5]庄伟，牟龙华.基于零序电流有功分量的配电网接地故障定位[J].同济大学学报：自然科学版，2014，42（ 3）：468-473.

[6]王世斌，时统军，唐全.基于近似熵算法在单相接地故障定位中的研究[J].电气自动化，2014，36（ 1）：91-93.

[7]高鸣，谢青.一种基于 S注入法的小电流接地故障定位装置的策略设计[J].科技创新与应用，2015（15）：13-14.

[8]杜刚，刘迅，苏高峰.基于FTU和“S”信号注入法的配电网接地故障定位技术的研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（ 12）：73-76.