一種小電流接地選線裝置及單相接地檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種小電流接地選線裝置及單相接地檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，電網(wǎng)的輸電線路根據(jù)變電站變壓器中性點(diǎn)接地方式不同，分為直接接 地系統(tǒng)和非直接接地系統(tǒng)，高壓輸電線路（220kV及以上）屬于直接接地系統(tǒng)，又稱之為大 電流接地系統(tǒng)。低壓線路（IlOkV及以下）屬于變壓器中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，又稱之為小 電流接地系統(tǒng)。由于小電流接地系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電力配送到最終用戶，因此，又稱之為配電網(wǎng)， 簡(jiǎn)稱配網(wǎng)。但由于配網(wǎng)處于人口稠密地區(qū)，且線路靠近建筑、居民區(qū)等，因此，也容易受各種 干擾造成事故。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)2015年的技術(shù)統(tǒng)計(jì)，單相接地約占配網(wǎng)故障的80%。但由于 配網(wǎng)單相接地故障特征不明顯，單相接地故障的檢測(cè)與處理較為困難。為此，國(guó)家網(wǎng)公司將 配電網(wǎng)單相接地故障處理技術(shù)研究列為2015年重點(diǎn)課題。這說明配網(wǎng)單相接地故障檢測(cè) 一直未從根本上解決。目前普遍采用的處理方法是拉閘法，即，當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，由 于不能判斷是哪條線路故障，因此，值班員采取逐一拉閘試驗(yàn)法，如果當(dāng)某條線路拉閘后， 故障現(xiàn)象消失，則說明故障在該條線路上。這一方法嚴(yán)重影響了居民的供電質(zhì)量，也影響了 電網(wǎng)公司的供電可靠率指標(biāo)。
[0003] 從故障特征看，小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地后故障相接地電流小，A、B、C三相相位不 變，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（規(guī)程要求2小時(shí)以內(nèi)），這樣可增加供電的可靠性。 但是為了使故障迅速消除，降低故障面，就要求及時(shí)找到并切除故障線路。自上世紀(jì)50年 代末60年代初我國(guó)第一臺(tái)小電流系統(tǒng)接地選線裝置研制成功，小電流選線設(shè)備已經(jīng)經(jīng)歷 了幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨。但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，這種小電流接地選線裝置的選線效果并 不理想。大批電力工作者仍致力于提高選線準(zhǔn)確率的研究。
[0004] 從檢測(cè)原理上看，目前檢測(cè)小電流接地的方法主要有穩(wěn)態(tài)分量法、諧波分量法、暫 態(tài)法、小波法。其中，穩(wěn)態(tài)分量法，又分為零序電流比伏法，零序電流比相法，以及群體比伏 比相法。這種方法利用故障線路的零序電流在數(shù)值上等于非故障線路零序電流之和，即故 障線路的零序電流最大。這樣就通過比較線路零序電流的幅值找出故障線路。這種方法是 一種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)理想的方法，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中各條線路有長(zhǎng)有短，各條出線的負(fù)載不平衡，所用 電流互感器（TA)也不是完全平衡，這樣就造成零序電流最大的線路不一定都是故障線路。 基于以上幾點(diǎn)大家除了進(jìn)行幅值比較外又加上了相位比較，因?yàn)楣收暇€路和非故障線路相 位是相反的，這樣就彌補(bǔ)了出線不平衡的影響。提高了選線的正確率。但從裝置內(nèi)部來講 大家對(duì)故障量的采樣一般都是循環(huán)采集，就是分幾次采集才把所有的出線的計(jì)算數(shù)據(jù)采集 完畢，這樣存在著一個(gè)弊端就是沒有在同一時(shí)刻完全采集所有出線的故障量，就容易出現(xiàn) 誤判，這種方法也不適用于消弧線圈接地的系統(tǒng)。
[0005] 諧波分量法，又分為5次諧波大小和方向，各次諧波平方和等方法。但5次諧波含 量太小，不能進(jìn)行有效的判斷，這就成了這種方法的瓶頸。
[0006] 暫態(tài)選線法，又分為首半波法和小波分析法。首半波法是基于接地發(fā)生在相電壓 接近最大瞬間這一假設(shè)，此時(shí)故障相電容電荷通過故障相線路向故障點(diǎn)放電，利用故障線 路暫態(tài)零序電流和電壓首半波的幅值和方向均與正常情況不同的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)選線。但這種方 法存在的前提是故障須發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間。
[0007] 小波分析法是利用小波分析原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確分析，特別是對(duì)暫態(tài)信號(hào)和微弱 信號(hào)比較敏感，能可靠地提取出故障特征。利用小波變換能把一個(gè)信號(hào)分析成不同尺度和 位置的小波之和，利用合適的小波和小波基對(duì)暫態(tài)量進(jìn)行變換后，易分辨出故障線路和非 故障線路。
[0008] 以上四種方法，穩(wěn)態(tài)分量法和小波法需要同步分析全部線路的暫態(tài)特征，計(jì)算量 很大，諧波法因5此諧波含量太小，不能有效檢測(cè)，暫態(tài)選線法建立在假設(shè)前提上，實(shí)際用 處不大。
[0009] 綜上所述，從檢測(cè)原理上，小電流接地選線尚缺乏可靠有效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種小電流接地選線裝置及單相接地檢測(cè)方 法，該發(fā)明通過同步監(jiān)測(cè)線路電壓和電流相量，實(shí)時(shí)計(jì)算其復(fù)阻抗，配網(wǎng)線路正常時(shí)，阻抗 較小，且電壓電流相位關(guān)系較為穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相除了正常電流外，還 產(chǎn)生了對(duì)地電流，阻抗有明顯的變化，且電流與電壓相位也產(chǎn)生了較大的差異。此外，發(fā)生 單相接地時(shí)，瞬間有一個(gè)不穩(wěn)定過程，接地期間特征更加明顯。利用這一方法，在無需與其 它線路的特征比較的情況下，可準(zhǔn)確檢測(cè)出接地線路的故障。該方法不僅有很強(qiáng)的適用性， 而且還大大降低了計(jì)算工作量，使檢測(cè)裝置具有很高的性價(jià)比，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] -種小電流接地單相接地檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0013] (1)根據(jù)電壓、電流信號(hào)的表現(xiàn)形式及檢測(cè)目的，確定時(shí)間窗及采樣周期，計(jì)算最 小二乘濾波器；
[0014] (2)計(jì)算電壓、電流的大小和兩者的相位差；
[0015] (3)用復(fù)數(shù)表示電壓和電流的相量值，計(jì)算復(fù)阻抗；
[0016] (4)當(dāng)前、后兩個(gè)采樣時(shí)間窗內(nèi)的電壓-電流相位差以及阻抗變化均超過各自門 濫值時(shí)，則判斷發(fā)生小電流接地故障。
[0017] 所述步驟（1)中，明確電壓與電流信號(hào)的表示形式及檢測(cè)目的的具體方法為：
[0018] 配網(wǎng)出線的電壓與相電流經(jīng)電壓互感器和電流互感器變換后，均可表示為如下的 帶有直流分量、特征分量及其諧波成分的電壓信號(hào)：
[0020] 式中：U。一直流分量，代表了信號(hào)中的非周期成分；
[0021] A -直流分量衰減時(shí)間常數(shù)；
[0022] Uk-第k次諧波分量峰值，k = 1，…，M ;
[0023] 9 k-第k次諧波的相位角；
[0024] 〇 一轉(zhuǎn)速角頻率，《 = 2 Ji f，f一50Hz，電網(wǎng)工作頻率，簡(jiǎn)稱工頻；
[0025] 仏和0 :是對(duì)應(yīng)于工頻的幅值和相對(duì)于采樣時(shí)間窗的相位角。
[0026] 所述步驟⑴中，確定時(shí)間窗的大小以及采樣周期的方法為：
[0027] 時(shí)間窗，是指CPU -次處理的從第一個(gè)米樣樣本到最后一個(gè)米樣樣本之間的時(shí)間 長(zhǎng)度，時(shí)間窗的大小Tw要等于函數(shù)固有周期，采樣周期T小于函數(shù)固有周期；
[0028] 確定時(shí)間窗的大小Tw，以及采樣周期T之間后，一個(gè)采樣窗內(nèi)的樣本數(shù)N確定方法 為：N與T w以及T的關(guān)系為：
[0030] 所述步驟（1)中，計(jì)算最小二乘濾波器的具體方法為：
[0031] 將電壓信號(hào)的UQe At按泰勒基數(shù)展開并取前兩項(xiàng)，Uksin(kc〇t+0k)按三角函數(shù)展 開，則公式（1)可表示為如下形式：
[0035] ^一第i次采樣時(shí)刻；
[0036] 由于采樣時(shí)刻h已知，因此，公式⑷中sin(k〇 t J，cos (k〇 tj為是已知量，將N 個(gè)采樣方程按公式（4)逐一列出，并得到如下所示一個(gè)矩陣方程，將^用T表示：
[0038] 將系數(shù)矩陣用A，未知變量矩陣用X，采樣矩陣用U表示，則矩陣方程（5)又可表示 如下：
[0039] A ? X = U (6)
[0040] 因此，A是一個(gè)N行，2 (M+1)列的定參數(shù)矩陣，X是一個(gè)2 (M+1)行1列的變量矩 陣，U是一個(gè)N行1列的定參數(shù)矩陣，令2 (M+l) = N，A就一個(gè)方陣，且最高可識(shí)別諧波倍數(shù) M = N/2-1，符合申農(nóng)采樣定理；
[0041] 根據(jù)矩陣?yán)碚?，系?shù)矩陣A存在逆矩陣A-I的條件為：I A|乒0,且A*A-1 = I，I為 單位矩陣，即對(duì)角線元素為1 ;
[0042] 因此，待測(cè)的未知參數(shù)矩陣為：
[0043] X = A 1 ? U (7)
[0044] A 1即為最小二乘濾波器。
[0045]所述步驟（2)中，具體方法為：變量矩陣X為，
[0047] 用\表示矩陣X的第i行的元素，則：x 1= U。，即直流分量，且
[0048] X3= U!cos 91;X4= U !sin9J(8)
[0049] 13就是電壓或電流矢量的X-軸投影，X 4為振Y-軸投影，因此，電壓、電流的峰-峰 值為：
[0054] 配網(wǎng)線路正常工作時(shí)，電壓相位超前于電流，