小電流接地故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘 要：本文詳細(xì)介紹了小電流接地電路在故障狀態(tài)下的信號(hào)頻域特征，并基于故障狀態(tài)信號(hào)無(wú)功功率分析進(jìn)行了故障線路選擇技術(shù)介紹，在這些技術(shù)解決的基礎(chǔ)上，本文自行發(fā)明了XJ-105小電流接地故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能齊全，能很好地滿足電站綜合自動(dòng)化，以及智能化建設(shè)，通過(guò)其自動(dòng)監(jiān)測(cè)與智能診斷功能，能大幅提高電站運(yùn)行的穩(wěn)定性，本文研究結(jié)論具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：小電流接地；接地；故障狀態(tài)；信號(hào)頻域

1.引言

在小電流接地回路系統(tǒng)中，由于電流微弱、電弧不穩(wěn)定等原因，一旦其回路系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就難以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和處理，目前常用的檢測(cè)方法是基于電路處于穩(wěn)定狀態(tài)下的DGF法進(jìn)行故障檢測(cè)，但檢測(cè)效果較差，有待改進(jìn)。

小電流接地故障發(fā)生的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的暫態(tài)電流，通常該暫態(tài)電流要比穩(wěn)態(tài)電流大5～6倍，目前，微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)就是引入模糊理論等數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)該微小信號(hào)進(jìn)行有效提取，本文將介紹與小電流接地故障信號(hào)特征提取的最新研究成果，在此基礎(chǔ)上研究XJ-105型小電流接地故障選線及檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.小電流接地回路故障狀態(tài)下信號(hào)特征

小電流接地回路故障狀態(tài)下產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍分布極廣，從數(shù)百赫茲甚至到幾千赫茲，利用其短暫的故障狀態(tài)來(lái)進(jìn)行電路檢測(cè)的前提是回路接地母線所有的線路電抗、電阻近似相等，即可用一個(gè)相等的電容來(lái)進(jìn)行等效表示，不然，在正常狀態(tài)下，小電流接地活路部分成電容特性，一部分又成電感特性，難以確定電流分布規(guī)律。

根據(jù)電氣學(xué)基本理論，在正常小電流接地回路中，其電流網(wǎng)絡(luò)是末端開(kāi)發(fā)的傳輸線，其母線的輸入阻抗特性隨著電流頻率的變化呈電感性與電容性交替更改，同時(shí)，消弧線圈的電流可以與電容電流正負(fù)抵消，影響小電流接地回路故障狀態(tài)下的信號(hào)檢測(cè)，在實(shí)際電網(wǎng)回路中，其回路電量頻率超過(guò)250Hz時(shí)，故障線路電流要遠(yuǎn)大于正常回路電流，在極短的周期內(nèi)，消弧圈電流的抵消影響較小，可以不予以考慮。

3.基于故障狀態(tài)信號(hào)特征無(wú)功功率方向選線方法

在正常小電流接地回路中，對(duì)母線處進(jìn)行功率檢測(cè)，儀器所顯示的主要是由等效電容吸收的無(wú)功功率，所以我們考慮測(cè)量輸出狀態(tài)為無(wú)功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的回路為故障狀態(tài)下的小電流接地回路。

對(duì)于故障狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)，可根據(jù)電氣學(xué)原理，假設(shè)無(wú)功功率作為電壓限號(hào)與電流信號(hào)共同作用產(chǎn)生的平均功率，其在數(shù)值上等于瞬時(shí)無(wú)功功率與電流無(wú)功分量的乘積，選擇無(wú)功功率電路作為故障電路。

4.XJ-105小電流接地故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 XJ-105系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

XJ-105系統(tǒng)采用了串聯(lián)回路系統(tǒng)，其電器配件主要為由后臺(tái)分析主機(jī)以及多臺(tái)前置數(shù)據(jù)采集裝置，加上網(wǎng)卡、繼電器節(jié)點(diǎn)、串行口等組成，由串聯(lián)方式組成自動(dòng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程通信傳輸回路系統(tǒng)。

其中，前置機(jī)與母線相連接，對(duì)母線電壓以及各輸出電路電流信號(hào)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果回路中發(fā)生故障，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并向后臺(tái)分析主機(jī)傳輸相關(guān)監(jiān)測(cè)故障數(shù)據(jù)。

后臺(tái)機(jī)主要負(fù)責(zé)運(yùn)行XJ-105小電流接地故障分析系統(tǒng)軟件，其主要任務(wù)是故障數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、接收、分析、輸出、并將分析結(jié)果向上匯報(bào)，發(fā)出報(bào)警指令等等。前置機(jī)與后置機(jī)通過(guò)串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)通訊系統(tǒng)的聯(lián)系，XJ-105可以作為電站綜合系統(tǒng)的一部分，可將回路中故障信息即時(shí)上報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)小電流接地回路狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及故障狀態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸、上報(bào)，本系統(tǒng)中通信協(xié)議采用DNP5.0。

4.2 XJ-105主要功能

本文自行發(fā)明的XJ-105小電流接地故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

①對(duì)小電流接地回路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；②故障數(shù)據(jù)、信息及時(shí)傳輸、上報(bào)；③故障自動(dòng)選線，故障分析；④利用瞬時(shí)性故障對(duì)線路提出預(yù)警；⑤運(yùn)行數(shù)據(jù)定時(shí)自動(dòng)保存，以及歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)用；⑥遠(yuǎn)程事故診斷以及應(yīng)對(duì)指令發(fā)送。

5.XJ-105小電流接地故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 故障選線技術(shù)

本系統(tǒng)詳細(xì)介紹了基于故障狀態(tài)信號(hào)特征無(wú)功功率方向選線方法，可靈活地根據(jù)小電流接地回路中的信號(hào)情況進(jìn)行故障線路選擇。

5.2 特征頻段的實(shí)用化確定技術(shù)

根據(jù)電器學(xué)原理，將消弧線圈接地電路特征下限選為205Hz，對(duì)于小電流非接地電路，其頻率下限為直流分量。根據(jù)文獻(xiàn)[7]研究結(jié)論，小電流接地回路故障狀態(tài)下的主諧振動(dòng)頻率在特征頻段內(nèi)，因此，其特征頻段的上限可以在主振頻率的基礎(chǔ)上加上一定安全值，一般來(lái)說(shuō)，其上限頻率應(yīng)保證在2000～3000Hz的范圍內(nèi)。

5.3 故障狀態(tài)電壓電流信號(hào)特征分量的檢測(cè)

使用IIR濾波器，對(duì)小電流接地回路電流電壓先進(jìn)行濾波處理，再提取其特征分量。同時(shí)需要注意的是，盡管IIR濾波器的幅頻特性良好，但在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)引起信號(hào)相性位移，導(dǎo)致故障狀態(tài)信號(hào)失真，因此，必須在正向?yàn)V波后重新進(jìn)行反向?yàn)V波，以保證濾波后的信號(hào)在所有頻率下不會(huì)存在相性位移。

5.4 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

在小電流接地回路中，由于出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，回路信號(hào)頻率較高，通常對(duì)同一前置機(jī)需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)可達(dá)十幾路、甚至幾十路，因此必須設(shè)置高速信號(hào)收集并立即存儲(chǔ)，這對(duì)硬盤(pán)空間、CPU處理能力以及信號(hào)傳輸能力要求極高。

5.5 故障類型識(shí)別技術(shù)

由于小電流接地系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此故障產(chǎn)生原因也眾多，本文自行發(fā)明的XJ-105小電流接地故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)該次故障是瞬時(shí)性接地故障還是永久的接地性故障，并且可根據(jù)所分析的故障類型與原因，得到相應(yīng)的故障選線結(jié)果，但瞬時(shí)性的故障系統(tǒng)只做記錄與存儲(chǔ)，只有系統(tǒng)中發(fā)生永久性的故障本系統(tǒng)才會(huì)將監(jiān)測(cè)結(jié)果上報(bào)，以節(jié)約CPU分析工作量，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與運(yùn)行穩(wěn)定性。

5.6相電壓過(guò)零故障

一般情況下，我們認(rèn)為，在故障狀態(tài)下對(duì)小電流接地系統(tǒng)選線的困難在于過(guò)零故障不會(huì)有區(qū)別與正常狀態(tài)下的暫態(tài)信號(hào)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]分析結(jié)論，在大部分事故導(dǎo)致的小電流接地電路破壞時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生明顯的電勢(shì)差，其故障狀態(tài)的峰值電流也能輕松通過(guò)相關(guān)檢測(cè)儀器進(jìn)行捕捉。

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[3]陳羽，柯振宇.連的需利用暫態(tài)信息的小電流接地電網(wǎng)接地故障選線系統(tǒng)的研制[J]北京：清華大學(xué)，2012

[4]劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

作者簡(jiǎn)介：

仇激文（1975.11—），男，江蘇揚(yáng)州，大學(xué)本科，絕緣監(jiān)督、電氣試驗(yàn)，工程師，揚(yáng)州供電公司。