接地故障定位装置及基于分布参数法的接地故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种电力自动化技术领域，尤其是一种接地故障定位装置及基于分布参数法的接地故障定位方法。

背景技术

国内自50年代就开始了对接地保护原理和装置的研究，电力科研工作者深入分析了小电流接地网单相接地故障特征，围绕零序电流工频暂态、稳态、谐波、能量等信息量，开发了多种故障检测方法，如零序电流法、零序功率方向法、首半波暂态电流法、能量选线法，以及信号注入法等，并相继推出了几代故障选线定位装置。

目前，我国中压配电系统的中性点接地方式包括中性点不接地、中性点经小电阻接地和中性点经消弧线圈接地。

中性点不接地和中性点经消弧线圈接地均属于小电流接地方式，出现接地故障后，故障电流小，允许继续运行2小时，供电可靠性高，应用广泛。由于目前中压配电系统容性电流普遍增大，所以采用中性点经消弧线圈接地系统占大多数。中性点经消弧线圈接地系统由于消弧线圈补偿电流的加入提高了接地故障选线定位的难度，目前国内外虽然研发了多种技术解决该问题，但实际运行效果都不理想，现在排查接地故障还是普遍采用拉线法，有时排查一个接地故障需要多达4～7个小时甚至更长时间。系统长时间处于非正常运行状态，可能使单纯的接地故障发展为相间短路故障，严重时可将造成开关柜短路爆炸；同是故障排查工作量大，在故障排查过程中还存在人身伤害事故的风险。

中性点经小电阻接地属于大电流接地方式，一旦出现接地故障，在电源到接地故障点之间的线路会通过很大的故障电流，可通过开关设备迅速隔离故障线路。小电阻接地系统本身不能区分是永久接地故障，还是瞬时接地故障，增加了跳闸次数，降低了系统的可靠性，为此，需要采用双回路或环网供电，并且需要配备性能更好的开关设备和自动切换系统，从而保证能够自动隔离故障线路，并及时恢复非故障线路的正常供电，这样的系统将使工程投资大幅度增加。小电阻接地系统在出现高阻接地故障时，会由于故障电流小而导致保护拒动，这时同样需要排查存在接地故障的区域，这样的排查同样将耗费较长的时间，包括线路的多次投切，并且在排查故障期间中性点电阻将持续承受故障电流，一旦中性点电阻过热烧断，将使系统变为不接地系统，极易造成短路事故。

无论是中性点经消弧线圈接地系统还是中性点经小电阻接地系统，都迫切需要解决接地故障选线定位问题。如果解决了接地故障选线定位问题，中性点经消弧线圈接地系统将是最佳选择，毕竟该方式可以减小接地故障电流，有充足的时间处理接地故障，并且可最大限度地减小停电范围。

目前，针对中性点经消弧线圈接地系统的接地选线定位还可采用以下方法，包括残留增量法(改变消弧线圈电抗值或在消弧线圈上并联中电阻)、短路故障指示器法、信号注入法和首半波法等，这些方法都对高过渡电阻接地故障效果不好，所以在当前的条件下，接地故障选线定位的成功率不高。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，为此本发明提供了一种接地故障定位装置，实现对输电线路每一相电流参数和电压参数矢量值的测量和计算。

本发明的第二个目的还提出了一种基于接地故障定位装置的基于分布参数法的定位方法，该方法根据输电线路发生接地故障前后分布电阻的变化，实现接地故障的准确判断和故障定位，该方法不受输电线路接地方式的限制，具有通用性。

为了实现本发明的第一个目的，本发明提出的一种接地故障定位装置，包括进线模块、出线模块，以及，与进线模块和出线模块分别通信的数据集中采集模块；所述进线模块包括进线端微处理器单元，与进线端微处理器单元的输入端分别耦接的进线电流采集单元和进线电压采集单元，与进线端微处理器单元的输出端耦接的投切单元和进线端通讯单元；进线电流采集处理单元和进线电压采集单元分别采集进线端对地电流和进线端对地电压并输出至进线端微处理器单元，进线端微处理器单元将接收的电流和电压数据通过进线端通讯单元发送至数据集中采集模块，所述进线端微处理器单元还用于控制投切单元投切至输电线路中；所述出线模块包括出线端微处理器单元，与出线端微处理器单元的输入端耦接的出线电流采集处理单元，与出线端微处理器单元的输出端耦接的出线端通讯单元；出线电流采集处理单元将采集的出线端对地电流输出至出线端微处理器单元，出线端微处理器单元将接收的电流参数处理后通过出线端通讯单元发送至数据集中采集模块；数据集中采集模块用于基于进线端对地电流和出线端对地电流，判断进线端和出线端之间的输电线路是否发生接地故障，并且，基于进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流，以及输电线路接入投切单元后的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流得到发生接地故障前后的分布电阻和分布电容，并基于分布电阻和分布电容的变化，确定发生接地故障的电源相。

进一步的，进线电流采集处理单元包括耦接的进线电流采集单元和进线信号处理单元，进线电流采集单元的输入端用于采集输电线路的进线端对地电流，进线信号处理单元用于处理进线电流采集处理单元的输出信号，并将处理后的信号输出至进线端微处理器单元；所述出线电流采集处理单元包括耦接的出线电流采集单元和出线信号处理单元，出线电流采集单元的输入端用于采集输电线路上出线端对地电流，出线信号处理单元用于处理出线电流采集处理单元的输出信号，并将处理后的信号输出至出线端微处理器单元。

进一步的，进线电流采集单元和出线电流采集单元分别至少包括一只开口式高精度零序电流互感器或者至少包括三只高精度开口式电流互感器。

进线信号处理单元将电流互感器检测的输入电流经过处理后输出至进线端微处理器单元的A/D口，出线信号处理单元电流互感器检测的输出电流经过处理后输出至出线端微处理器单元的A/D口。采用电流互感器可完成对电流有效值和矢量角的测量。

进一步的，所述投切单元至少包括耦接的投切控制单元和投切器件单元，所述投切控制单元的输入端耦接进线端微处理器单元的输出端，输出端控制投切器件单元，所述投切控制单元接收进线端微处理器单元的指令，从而控制投切器件单元投切至输电线路上，或者从输电线路上断开。

进一步的，投切器件单元至少包括一个高压电容或者高压电阻。

可以通过进线端微处理器单元的I/O接口控制投切控制单元，从而在输电线路上任一相投切高压电容或者高压电阻。

进一步的，所述数据集中采集模块包括通讯单元和数据处理微处理器单元，所述通讯单元分别与进线端通讯单元和出线端通讯单元进行无线通信或有线通信，其中无线通信采用GPS通讯模块和/或授时模块。

为了实现本发明的第二个目的，本发明提出的一种基于分布参数法的定位方法，包括，S1,分别测量输电线路接入投切单元前后的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流并计算得到每一相分布电阻和分布电容；S2,基于进线端对地电流和出线端对地电流判断输电线路是否发生接地故障；S3,测量发生接地故障后的输电线路接入投切单元前后的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流，并计算得到发生接地故障后的分布电阻和分布电容；S4,基于接地故障前后分布电阻和分布电容的变化，判断发生接地故障的相。

进一步的，步骤S2具体包括，三相进线端对地电流求和得到进线端零序电流、出线端对地电流之和得到出线端零序电流；基于进线端零序电流和出线端零序电流的差值判断是否存在接地故障，若二者差值为零不存在接地故障，若二者差值不为零则一定存在接地故障。

进一步的，进线端对地电流、进线端对地电压、出线端对地电流、零序电流、对地电纳和对地电导的关系如下，

其中

进一步的，步骤S4具体包括，分布电阻变小的电源相发生接地故障。

分布电阻和分布电容的计算，需要分别测量两次进线端对地电压、进线端对地电流和出线端对地电流，其中一次直接测量输电线路每一相的电流和电压值的矢量值，然后再在输电线路任意一相投切加入一个高压电容器或一个高压电阻，再次测量出每一相的电流和电压值的矢量值。

本发明的有益效果是：

1、根据输电线路接地故障前后输电线路对地的分布电阻的变化，进而实现接地故障的准确判断和故障定位，本方法不受输电线路接地方式的限制，且判断更加准确。

2、通过在输电线路上投切或断开高压电容或者高压电阻，得到输电线路的分布电阻和分布电容，从而精确的定位发生接地故障的电源相。

3、可更换不同类型的电流测量传感器，可以用于架空输电线路接地故障的定位检测，也适用于地埋线缆接地故障的定位检测，具有一定的通用性。

4、排查接地故障的工作量少，效率高，可靠性高，减少了接地故障排查过程中存在人身伤害事故的风险。

附图说明

图1为本发明实施例的接地故障定位装置的模块组成和连接关系示意图；

图2为本发明实施例的进线模块的组成和连接关系示意图；

图3为本发明实施例的出线模块的组成和连接关系示意图；

图4为本发明实施例的接地故障定位装置的使用示意图；

图5为本发明实施例的基于分布参数法的定位方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，为接地故障定位装置的原理示意图，包括进线模块、出线模块。

如图2所示，进线模块包括进线端微处理器单元，与进线端微处理器单元的输入端分别耦接的进线电流采集处理单元和进线电压采集单元，与进线端微处理器单元的输出端耦接的投切单元和进线端通讯单元。其中，进线电流采集单元包括耦接的进线电流采集单元和进线信号处理单元，进线电流采集单元的输入端用于采集输电线路进线端对地电流，进线信号处理单元用于处理进线电流采集处理单元的输出信号，并将处理后的信号输出至进线端微处理器单元A/D。进线电压采集单元采集进线端电压并输出至进线端微处理器单元A/D接口，进线端微处理器单元将接收的电流和电压数据通过进线端通讯单元采用GPRS授时模块和数据集中采集模块进行无线通讯。

进线电流采集单元均采用一只开口式高精度零序电流互感器或三只高精度开口式电流互感器，实现进线电流的准确测量，主要完成电流有效值和矢量角的测量。

投切单元包括投切控制单元和投切器件单元，投切控制单元的输入端耦接进线端微处理器单元的输出端，输出端控制投切器件单元，所述投切控制单元接收进线端微处理器单元的指令，从而控制投切器件单元投切至输电线路上，或者从输电线路上断开。投切器件单元包括但不限于单相电容柜、高压电容或者是高压电阻。

具体的，进线端微处理器单元采用STM32微处理器。

如图3所示，出线模块包括出线端微处理器单元，与出线端微处理器单元的输入端耦接的出线电流采集处理单元，与出线端微处理器单元的输出端耦接的出线端通讯单元；其中，出线电流采集处理单元包括耦接的出线电流采集单元和出线信号处理单元，出线电流采集单元的输入端用于采集输电线路出线端电流，出线信号处理单元用于处理出线电流采集处理单元的输出信号，并将处理后的信号输出至出线端微处理器单元。出线端微处理器单元将接收的电流参数处理后通过出线端通讯单元发送至数据集中采集模块。

具体的，进线端微处理器单元采用STM32微处理器。出线电流采集单元均采用一只开口式高精度零序电流互感器或三只高精度开口式电流互感器，实现出线线路电流的准确测量，主要完成电流有效值和矢量角的测量。

需要说明的是，进线模块和出线模块还分别包括电源模块用于供电。数据集中采集模块包括数据通讯单元和数据采集处理单元，其中，数据采集处理单元采用STM32微处理器。

下面结合图4所示的具体实施例对本发明接地故障定位装置进行进一步详细说明。

如图4所示，对架空的某一段输电线路进行接地故障定位检测，进线模块的进线电流采集处理单元和进线电压采集单元分别采集输电线路进线端CT1的进线端对地电流,进线端对地电压，通过进线端通讯单元发送至数据集中采集模块的通讯单元，出线模块的出线电流采集处理单元采集输电线路出线端CT2段的出线端对地电流。其中，进线电流采集单元和出线电流采集单元均采用开口式高精度零序电流互感器进行电流检测。进线端微处理器单元控制投切控制单元控制投切器件单元即单相电容柜投切至输电线路上，再次对进线端对地电流,进线端对地电压和出线端对地电流进行检测，从而计算得到接地故障发生前的分布电阻和分布电容。

若三相进线端对地电流之和即进线端零序电流和三相出线端对地电流之和即出线端零序电流的差值不为0，则数据集成采集模块判定该输电线路发生接地故障。进线电流采集处理单元和进线电压采集单元分别采集输电线路进线端CT1的进线端对地电流,进线端对地电压，出线电流采集处理单元采集输电线路出线端CT2段的出线端对地电流。并且还对单相电容柜投切至输电线路上的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流就行检测，从而计算得到接地故障发生后的分布电阻和分布电容。若某一相的分布电阻变小，则判断该相发生接地故障。

如图5所示，为本发明提出的一种基于分布参数法的接地故障定位方法的实施例流程图，

S1，分别测量输电线路接入投切单元前后的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流并计算得到每一相分布电阻和分布电容。

输电线路未发生接地故障时，进行两次测量，第一次直接测量得到进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流，第二次测量是将投切单元投切至输电线路，并测量投切后的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流，从而计算得到发生接地故障前的分布电阻和分布电容值。进线端对地电流、进线端对地电压、出线端对地电流、零序电流、分布电阻和分布电容的关系详见以下公式，两次测量后列公式求解未发生接地故障的分布电阻和分布电容。

其中

S2,基于进线端对地电流和出线端对地电流判断输电线路是否发生接地故障，具体的，三相进线端对地电流求和得到进线端零序电流、出线端对地电流之和得到出线端零序电流；基于进线端零序电流和出线端零序电流的差值判断是否存在接地故障，若二者差值为零不存在接地故障，若二者差值不为零则一定存在接地故障。

S3,测量发生接地故障后的输电线路接入投切单元前后的进线端对地电流、进线端对地电压和出线端对地电流，并计算得到发生接地故障后的分布电阻和分布电容；

根据步骤S2中的进线端对地电流、进线端对地电压、出线端对地电流、零序电流、分布电阻和分布电容的公式，经过投切单元投切至输电线路前后两次测量，计算得到发生接地故障后输电线路的分布电阻和分布电容

S4，基于接地故障前后分布电阻和分布电容的变化，判断发生接地故障的相。

具体的，分布电阻变小的电源相发生接地故障，分布电容一般不发生变化。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。