一种小电流接地配电网单相接地故障检测指示方法与设备

摘要

中国等国家配电网主要采用小电流接地方式。小电流接地配电网大部分故障是单相高阻接地故障，故障过程中产生的暂态电容电流信号幅值低、持续时间短，故障检测难度高，缺乏有效的故障检测指示设备。本发明公开了一种小电流接地配电网的故障检测指示方法与馈线监测单元设备。馈线监测单元采用带功率控制的取电装置供电，使用电容式电压传感器采集电压信号，电子式电流传感器采集电流信号，在检测到疑似接地故障后，无线同步触发另外两相，通过时分复用无线通信模式传输数据。系统主站平台软件上汇聚多个点的三相馈线监测单元数据后，根据计算出的零序电压和零序电流作出接地故障检测，下发故障信号到故障相上故障点之前的馈线监测单元进行故障指示。

说明书

技术领域

本发明总的涉及配电自动化中馈线自动化部分的故障检测指示，特别是用于小电流接地配电网单相接地故障检测、指示的方法与设备。 

背景技术

电力系统中电源来自发电厂，并通过高压或超高压输电网络传送到负荷侧，然后由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户，这种在电力网中主要起分配电能作用的网络就称为配电网络，简称配电网。在电力系统中，配电网是影响用户供电可靠性的短板。配电网的投资相对不足，自动化水平低，是一个十分薄弱的环节，世界各国都有这个问题，在中国这一问题更为突出。根据2009年的统计数据，扣除缺电因素，目前中国用户的停电时间95％以上都是由配电网引起的。 

配电网常见的故障主要有短路故障和接地故障。短路故障包括三相短路和两相短路，接地故障常见类型是单相接地故障。对于短路故障的检测技术上已经很成熟，而对于单相接地故障的检测，特别是对于小电流接地配电网的单相接地故障，目前还缺乏有效的方法，被公认为世界性难题。 

中国和一些国家的配电网多为小电流接地配电网，绝大多数故障都是单相接地故障。小电流接地配电网主要优点在于：单相接地故障时未形成短路回路，系统中只产生很小的接地电流，三相线电压依然对称，并不影响系统的正常工作。中国电力规程规定，发生单相接地故障时，小电流接地配电网可带故障继续运行1～2h。这样能够提高供电的可靠性，得到了广泛的应用。 

但是发生单相接地故障后，必须尽快找到单相接地故障点，排除故障。否则接地故障产生的过电压，可以导致电缆爆炸、电压互感器PT烧毁、母线烧毁等电力系统事故。同时接地线路如果当作正常线路长期运行，会给当地居民、家畜安全带来极大的隐患。2010年，广西河池市发生配电架空线路单相高阻接地长期运行，导致人身触电死亡事故。此类恶性事故案例时有发生，极大地威胁了电网安全生产。 

小电流接地配电网的接地方式主要是不接地和经消弧线圈接地。根据DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，对纯架空线路或架空线与电缆混合构成的10kV配网，如果接地故障时的电容电流小于10A，可以采用不接地方式，但是当电容电流大于10A，就必须装设消弧线圈。 

配电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，当发生单相接地故障的时候，在A、B、C三相上不会产生大的故障电流，以下分这两种情况详述： 

1配电网采用中性点不接地方式 

配电网中性点N不接地时，当A、B、C三相中的一相，例如A相上某点发生接地，如图所 示。在故障最初阶段，故障相A相的电压将迅速跌落，非故障相B相和C相的电压将迅速上升，中性点电压也迅速上升，此时A相馈线对地分布电容将通过接地点迅速对地放电，B相和C相馈线对地分布电容将通过接地点迅速对地充电，形成一个短暂的充放电过程(10ms～20ms)，产生比较大的暂态电容电流。随后系统将进入稳态，电源通过非故障相分布电容、接地点，产生一个持续的稳态电容电流。在此过程中，暂态电容电流远大于稳态电容电流。 

三相线路的电流直接相加，就可以得到线路的零序电流。同理，三相线路的电压直接相加，可以得到线路的零序电压。在这个过程中，故障线路的零序电流如图2所示。接地故障发生之前，线路的零序电流非常小，近似为0，当接地故障发生时，首先出现的是电容充放电暂态过程，产生比较大的高频暂态电容电流，随后维持一个主要能量集中在工频(50Hz或60Hz)的稳态电容电流。 

2配电网采用中性点经消弧线圈接地方式 

配电网中性点N经消弧线圈接地时，当A、B、C三相中的一相，例如A相上某点发生接地，如图3所示。和不接地类似，在故障最初阶段，故障相A相的电压将迅速跌落，非故障相B相和C相的电压将迅速上升，中性点电压也迅速上升，此时A相馈线对地分布电容将通过接地点迅速对地放电，B相和C相馈线对地分布电容将通过接地点迅速对地充电，形成一个短暂的充放电过程(10ms～20ms)，产生比较大的暂态电容电流。随后消弧线圈L将会产生一个补偿电流，补偿电源通过非故障相分布电容、接地点产生的稳态电容电流，随后系统进入稳态。采用中性点N经消弧线圈接地方式，故障线路上的稳态电容电流将会变得很小，不会产生如图2所示的较大的稳态零序电流，但是故障线路上的暂态电容电流不受影响。 

小电流接地特别是经消弧线圈接地配电网的单相接地故障，暂态故障电流持续时间很短，稳态故障电流很小，而且统计表明，绝大多数单相接地故障的接地电阻大于800Ω，属于高阻接地，如经树枝、经草地、经潮湿墙壁等接地，这时的暂态故障电流也不大，持续时间又非常短，只有10～20ms。因而小电流接地配电网单相接地故障检测和定位，公认为世界性难题，现在主要有以下几种用于小电流接地配电网单相接地故障检测的方法和装置： 

1在变电站进行小电流选线及其装置 

现有的小电流接地选线装置，可以选出变电站母线的出线中，哪一条线路发生了接地故障。以图1和图3为例，变电站母线有2条出线，一条为故障线路，另一条为故障线路，小电流接地选线装置，可以选出其中的故障线路。 

小电流接地选线装置通过采集变电站母线上的零序电压和各个分支线的零序电流，采用零序电压的突然升高作为接地选线触发条件，再利用各个分支线零序电流的稳态信息和暂态信息，选择故障线路。根据其使用信息不同，可以分成稳态选线装置和暂态选线装置。 

稳态选线装置选线依据主要有： 

(1)故障线路的零序电流幅度最大； 

(2)故障线路的零序电流相位和非故障线路反相； 

(3)故障线路的零序无功功率为负； 

(4)故障线路的零序有功功率大； 

(5)故障线路的5次谐波电流大而且与非故障线路反相； 

(6)故障线路的负序电流大。 

暂态选线装置选线依据主要有： 

(1)故障线路和非故障线路在相电压达到最大时的暂态零序电流和电压首半波的幅值与相位均不同； 

(2)采用其他处理方法如小波提取出的零序电流暂态信息特征，并配合人工智能如神经网络进行故障线路和非故障线路的识别。 

小电流接地选线装置的主要缺点是： 

(1)采用变电站已有的PT和CT影响选线可靠性和准确性 

作为小电流接地选线装置触发信号的母线零序电压必须通过并联在母线上的PT获得，PT的铁磁谐振会对的选线造成较大干扰。 

由于专用零序CT体积大、成本高，而且需要停电安装，小电流接地选线装置获取零序电流通常不是通过专用零序CT得到，而是由变电站已有三相或两相测量用CT获得。理想的CT，没有励磁损耗电流，一次线圈和二次线圈的安匝数在数值上相等，一次测电流和二次测电流相位相同且没有相位偏移。实际应用的CT，存在励磁电流，因而一次线圈和二次线圈的安匝数并不相等，一次电流和二次电流的相位也并不相同。因此，实际的CT通常有相位上的角度误差和变化误差，造成三相CT不平衡，由三相CT叠加得到的零序电流中有不平衡电流，和实际零序电流存在误差，影响选线结果。另外传统的测量用CT，由于有磁芯，磁芯的励磁特性是非线性的，影响从小电流到大电流时的电流线性度；而磁芯在电流大的时候，会出现磁饱和问题，会导致CT饱和，在实际应用中，中低压电网时常发生CT饱和现象，此时无法获得正确的零序电流进行选线；磁芯存在储能环节和磁滞环节，这使得CT暂态特性不好，对电流突变的跟随不好，难以准确捕获微弱暂态信号。 

(2)不能准确定位接地故障的位置 

小电流接地选线只能安装在配电网母线分线处，只能用于选出出现接地故障的分支线路，而不能定位分支线现接地故障的位置。 

2信号注入法及其装置 

信号注入法采用注入信号源法配合故障指示器可以检测定位大接地电流的永久接地故障。该方法的原理是：当变电站检测到零序电压显著上升并且持续一段时间后，零序电流大于阈值并且持续一段时间后，可以判断出发生了接地故障，需要投入消弧线圈，此时在主变压器的中性点注入一定模式的故障电流信号，在接地故障点之前的故障指示器均可以检测到该信号并给出指示，而在接地故障点之后的故障指示器均无法检测到该信号并不会动作，从而可以标识出接地故障发生的位置。 

如图4所示，接地信号源在变电站接地变压器的中性点对地之间接入可控的阻性负载(中 电阻，通常为100多欧姆)。故障时，在微机控制下，变电站接地变压器的中性点上(无接地变压器时时可接在母线中性点上)的阻性负载信号源自动短时投入，从而在变电站和现场接地点之间产生特殊的小的编码信号电流。通过对接地信号源的阻性负载投切的编码控制，可以产生叠加在负载电流上的编码电流信号。变电站出线和线路分支点各处安装的接地故障指示器，检测到这个电流信号后自动动作指示，达到指示故障的目的。 

注入信号源法具有如下缺点： 

(1)需要在变电站加装信号源，改变了系统运行方式； 

(2)信号源和其他设备需要额外投资和施工，施工过程中需要停电； 

(3)对于常见的接地电阻在800欧姆以上的接地故障，无法产生足够大的编码信号电流使故障指示器动作，无法检测高阻接地故障； 

(4)无法检测瞬时接地故障。 

3基于联网配网检测终端FTU接地故障检测定位方法 

基于联网FTU接地故障检测定位方法如图5所示，该方法通过在线路上开关附近安装和开关配套的配网检测终端FTU，来记录故障时的三相电流、电压波形数据，并把数据发送到配网自动化主站进行分析，确定故障点所在的开关区段。 

基于联网FTU接地故障检测定位方法的主要缺点是； 

(1)需要安装开关，而且开关内部必须要有CT和PT，开关和FTU投资非常巨大； 

(2)测量CT难以捕获小电流暂态信号，大电流会饱和，三相叠加生成零序的时候由于三相不平衡会造成较大误差，对高阻接地很难检测； 

(3)PT有铁磁谐振问题； 

(4)安装开关和FTU需要线路停电施工； 

(5)只能定位到开关之间的区段，无法做到更准确的定位； 

(6)在架空线上为FTU提供电源非常困难，影响其安装和正常工作。 

目前，小电流接地系统，特别是中性点经消弧线圈接地系统，缺乏有效的接地故障检测方法与设备，不能迅速地检测出接地故障，指示接地位置。很多供电部门仍在使用拉线法等人工排查法定位接地故障，这些方法自动化程度很低，实施困难、效率低下，无法满足电力系统继续提高供电可靠性的要求，正成为改善电能质量、提高供电可靠性的主要困难之一。为了提高小电流接地配电网供电可靠性，有必要提供一种方法和设备，在小电流接地配电网发生单相接地故障后，不论是低阻接地还是高阻接地，瞬时故障还是永久故障，都可以有效地进行检测和指示。 

发明内容

本发明提供了一种小电流接地配电网单相接地故障检测、指示的方法与设备。 

按照本发明的一个方面，本发明公开了一种小电流接地配电网单相接地故障检测、指示的方法，其包括： 

(1)主要电源从配电网馈线上取电而且取电功率受控，电池作为备用电源，只要配电网 没有停电，就可以持续获得工作的电源； 

(2)通过电容式电压传感器拾取每一相电压； 

(3)通过电子式电流传感器拾取每一相电流； 

(4)通过每一相电压信号进行带通处理，得到暂态电压信号，提取暂态电压信号的幅值、平均值、微分值、积分值及其组合，当上述值中的一种或几种的变化超过阈值，触发疑似接地故障报警； 

(5)通过每一相电流信号进行带通处理，得到暂态电流信号，提取暂态电流信号的幅值、平均值、微分值、积分值及其组合，当上述值中的一种或几种的变化超过阈值，触发疑似接地故障报警； 

(6)疑似接地故障相无线同步触发其他相，通知其他相上传电压、电流波形数据； 

(7)每一相采用时分复用的无线通信方式，确保实时双向通信，通过无线通信方式汇聚三相电压、电流波形数据； 

(8)每一相通过无线对时，实现和其他相时间同步； 

(9)根据多个位置的三相电压、电流波形数据，计算出零序电压、零序电流进行接地故障检测，检测出接地故障之后，将接地故障信号下发，在故障相上接地故障点之前进行接地故障指示。 

按照本发明的另一个方面，本发明公开了一种小电流接地配电网单相接地故障检测、指示的设备——馈线监测单元，其包括： 

(1)馈线夹持装置，由卡线弹簧、线托、闭锁机构、阻尼机构组成； 

(2)带功率控制的取电装置，用于从配电网馈线上取到足够系统工作的电源； 

(3)电源管理装置，用于对取电装置和后备电池进行电源转换和切换； 

(4)电压、温度一体化传感器，用于从配电网馈线上拾取电压信号，馈线温度信号； 

(5)电子式电流传感器，用于从配电网馈线上拾取电流信号； 

(6)无线同步触发装置，用于触发通知其他相上传电压、电流波形数据，并可以辅助对时； 

(7)无线通信装置，采用时分复用的通信模式，和外部进行数据传输，并可以同步对时； 

(8)与取电装置、电源管理装置、电压、温度一体化传感器、电子式电流传感器、无线通信装置、无线同步触发装置、故障指示装置相连的处理装置，用于控制取电、电源切换，采集各种电压、电流、温度、无线同步触发信号，对电压、电流信号进行处理，进行无线通信，保持时间同步，接收远方传送来的数据，进行故障指示； 

(9)故障指示装置，用广角高亮发光二极管，采用不同频率和不同闪灯模式指示不同故障。 

附图说明

图1显示了中性点N不接地的配电网单相接地故障电流。 

图2显示了单相接地故障发生后故障线路零序电流。 

图3显示了中性点N经消弧线圈接地配电网单相接地故障电流。 

图4显示了注入信号源法接地故障检测原理。 

图5显示了基于联网FTU接地故障检测方法原理。 

图6A、图6B、图6C、图6D显示了本发明的方法原理。图6A显示了发生单相接地故障时，故障相配电网馈线监测单元监测到短时电压、电流剧烈变化。图6B显示了故障相配电网馈线监测单元检测到疑似接地故障后，通过无线同步触发其他相馈线监测单元。图6C显示了三相配电网馈线监测单元通过无线通信传输电压、电流波形数据，将三相馈线监测单元的电压、电流波形数据汇聚到通信终端，再上传给系统主站。图6D显示了，系统主站的平台软件在做出接地故障检测后，下发接地故障信号到配电网故障相上故障点之前的馈线监测单元进行指示。 

图7A、图7B、图7C显示了本发明的无线同步触发方式。图7A显示的是A相同时触发B相、C相；图7B显示的是A相先触发B相，B相再触发C相；图7C显示的是A相先触发通信终端，通信终端再触发B相、C相 

图8显示了按照本发明的一个实施例构建的设备馈线监测单元，设备处在馈线夹持机构打开待安装的状态。 

图9显示了按照本发明的一个实施例构建的设备馈线监测单元，处在馈线夹持机构闭馈的状态。 

图10显示了按照本发明的一个实施例构建的设备馈线监测单元的系统结构。 

图11显示了按照本发明的一个实施例构建的设备馈线监测单元的故障指示装置。 

具体实施方式

图6显示了本发明的方法原理。 

图6A显示了，当小电流接地配电网馈线某一相发生单相接地故障后，在接地故障暂态过程中，接地点的两侧电压和电流在一个很短的时间内，会发生剧烈变化，产生异常暂态电压信号和电流信号。本发明公开的馈线监测单元使用电容式电压传感器，不会出现PT的铁磁谐振问题，可以可靠地拾取到暂态电压信号。本发明公开的馈线监测单元使用电子式电流传感器，对电流测量的精度高、线性度好，对小电流和大电流的测量都可以有很高的精度，大电流不饱和，暂态特性好，可以可靠地拾取到暂态电流信号。在小电流接地配电网单相接地故障暂态过程中，故障相配电网馈线监测单元通过电容式电压传感器和电子式电流传感器，可以监测到暂态电压信号、暂态电流信号异常。 

图6B显示了，配电网故障相馈线监测单元检测到疑似接地故障后，通过无线同步触发其他相馈线监测单元上传监测到的电压、电流波形数据。 

图6C显示了，三相配电网馈线监测单元通过无线通信传输电压、电流波形数据，将三相馈线监测单元的电压、电流波形数据汇聚到通信终端，也可以将两相馈线监测单元的电压、电流波形数据汇聚到三相馈线监测单元其中的一相，由通信终端或馈线监测单元将电压、电流波形数据上传到系统主站的平台软件。 

图6D显示了，系统主站的平台软件在得到多个位置的三相配电网馈线监测单元电压、电流波形数据之后，可以计算出的多个位置的零序电压、零序电流波形，并根据零序电压、零 序电流波形特征，做出接地故障检测，下发接地故障信号到配电网故障相上故障点之前的馈线监测单元进行指示。 

当某一相馈线监测单元监测到疑似接地故障后，需要迅速通知另外两相上传电压、电流波形数据，通过三相电压、电流波形数据，得到零序电压和零序电流信号，进行进一步的接地故障判断。本发明提出的馈线监测单元的无线同步触发装置，可以使用红外线、声音、超声波、磁场、电磁场中的任何一种或组合作为触发信号，发送至另外两相。同时馈线监测单元无线同步触发装置还可以接收无线同步触发信号。无线同步触发模式有如下几种： 

(1)如图7A所示，假设A相馈线监测单元监测到疑似接地故障，A相馈线监测单元就通过无线同步触发装置，无线同步触发B相馈线监测单元和C相馈线监测单元； 

(2)如图7B所示，假设A相馈线监测单元监测到疑似接地故障，A相馈线监测单元就通过无线同步触发装置，无线同步触发B相馈线监测单元，随后B相馈线监测单元再无线同步触发C相馈线监测单元； 

(3)如图7C所示，假设A相馈线监测单元监测到疑似接地故障，A相馈线监测单元就通过无线同步触发装置，无线同步触发通信终端，通信终端再无线同步触发B相馈线监测单元和C相馈线监测单元。 

图8显示了按照本发明的一个实施例构建的设备100，即馈线监测单元，设备100处在馈线夹持机构打开待安装的状态。设备100的壳体由上臂101、主体104、透明下壳体105组成。上臂101由两半102和103组成，102内装有电子式电流传感器的一部分，103内装有取电装置的一部分。设备的取电装置剩余部分、电源管理装置、电子式电流传感器剩余部分、无线同步触发装置、无线通信装置、处理装置、故障指示装置位于主体104内，故障指示装置的指示LED发出的光通过透明下壳体105发射出来。所有装置用灌封胶将全部灌封在主体104内。 

设备100的取电装置核心是一具有闭合磁路的磁性元件，如圆环形或其他具有类似闭合磁路的磁性元件，该闭合磁路包围配电网馈线106，将这一磁性元件切成两部分，一部分位于上臂103内，一部分位于主体104内。磁性元件上绕有取电用的线圈，该线圈连接功率控制电路。为了能够让取电装置在配电网馈线106上流过电流很小时就能取到足够多的电源，两部分磁性元件通过闭锁装置，实现磁路闭合紧密，闭锁装置由位于上臂轴116内的闭锁弹簧、阻尼器和位于上臂103内的磁性元件的按压弹簧组成，闭锁弹簧使得上臂和主体紧密接触，阻尼器可以减缓上臂在闭锁过程中的冲击力，上臂103内的磁性元件和主体104内的磁性元件再通过按压弹簧实现紧密接触。 

传统的取电装置，如果在配电网馈线106上流过的电流较小时，能取到足够设备100工作的电源时，那么在配电网馈线106上流过的电流很大时，磁性元件就会饱和，而取不到电；如果在配电网馈线106上流过的电流很大时，磁性元件不饱和，那么在配电网馈线106上流过的电流较小时，就不能取到足够设备100工作的电源。本发明通过功率控制电路可以使得磁性元件在配电网馈线106上流过的电流较小时，能取到足够设备100作的电源，当配电网馈线106上流过的电流很大时，功率控制电路可以使磁性元件不饱和，仍然能够取到足够设备100工作的电源。 

设备100电源管理装置将取电装置得到的电源，转换成系统工作电源，当配电网馈线停电以及取电装置电源无法供电的情况下，自动切换到后备电池供电，当取电装置电源可以供电的情况下，自动切换到取电装置供电。 

设备100通过电压、温度一体化传感器117拾取电压和温度信号，传感器117由不锈钢制成，和配电网馈线紧密接触，具有良好的导电、导热特性，可以拾取馈线上的电压信号，同时也能将馈线上的热传导至热敏元件。 

设备100通过电子式电流传感器拾取电流信号，电子式电流传感器可以是电流互感器CT，可以是电流互感器，也可以是绕线式罗氏线圈，也可以是印制电路板式罗氏线圈，电子式电流传感器测量磁路的一部分位于上臂102内，另一部分位于主体104内。 

设备100通过馈线夹持装置，卡装在馈线上，同时可以在使用罗氏线圈电子式电流传感器的情况下，让馈线处于罗氏线圈磁路中心位置。设备100的馈线夹持装置由4根卡线弹簧107、108、109、110，4个固定卡线弹簧的弹簧销111、112、113、114，以及线托115组成。 

图9显示了按照本发明的一个实施例构建的设备100馈线监测单元，处在馈线夹持机构闭锁的状态。在闭锁状态下，馈线加持装置的4根弹簧107、108、109、110交错抱紧馈线106，将馈线106固定在线托115上，取电装置的两部分磁性元件实现紧密贴合，馈线106位于电子式电流传感器闭合磁路的中心。电压、温度一体化传感器117和配电网馈线106实现了紧密贴合。 

按照本发明的一个实施例构建的设备100馈线监测单元的系统结构如图10所示。取电磁性元件201上绕有取电线圈202，馈线212位于磁性元件磁路中心，取电线圈202接入功率控制装置203，电池204和取电装置的功率控制电路203接入电源管理装置205。电源管理装置205把取电装置的功率控制电路203输出电源和电池204转换成设备100所需电源，同时在功率控制电路203和电池204之间切换。 

处理装置208采集电压、温度一体化传感器206拾取的电压信号，对电压信号进行带通处理，得到暂态电压信号，提取暂态电压信号的幅值、平均值、微分值、积分值及其组合，当上述值中的一种或几种的变化超过阈值，触发疑似接地故障报警。 

处理装置208采集电子式电流传感器207拾取的电流信号，对电流信号进行带通处理，得到暂态电流信号，提取暂态电流信号的幅值、平均值、微分值、积分值及其组合，当上述值中的一种或几种的变化超过阈值，触发疑似接地故障报警。 

处理装置208在触发疑似接地故障报警之后，立即通过无线同步触发装置210触发其他相的馈线监测单元设备100。 

处理装置208通过无线通信装置209和外部采用时分复用的方式进行无线通信，并进行同步对时，保证任一相设备100和其他相的馈线监测单元设备100保持时间同步。 

按照本发明的一个实施例构建的设备100馈线监测单元的故障指示装置如图11所示。故障指示装置，采用3个广角高亮发光二极管301、302、303，120度等间隔布置，在收到接地故障信号后，采用不同频率和不同闪烁模式指示不同接地故障。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。