论文部分内容阅读
摘要：利用注入式电流信号构成的接地保护，也可用于检出与清楚系统的永久性单相接地故障。此时，借助电压互感器处于空闲状态的接地相，可以像电流系统注入一个特殊波形的电流信号，以供实现综合保护功能之用。本文现就注入信号法在电力系统中的应用做客观探讨与简要论述。
关键词：注入信号法 电压互感器 接地相 变电站 绝缘
一、概述
为了使保护装置能正确地从店里系统的各次谐波中识别被注入的特殊电流信号，令其频率处于n次和（n+1）次谐波之间。由于被注入的信号区别于系统中固有的各种信号，所以对该信号的检测，可不受系统运行情况的影响。为了避开检测单元和一次设备的直接电气联系，应用感应探测单元对该信号产生的磁场进行测量。
由于系统发生单相接地故障时，被注入信号仅在接地相的线路中流通，经过接地故障点后即可行返回，非接地故障线路中没有信号，故只要检测各线路中有无注入信号电流，便可进行故障选线。而通过对注入信号电流和电压的检测，计算变电站到接地故障点之间的电抗，便可实现故障测距。如果在变电站和接地故障点之间存在分支线路，注入信号也不会进入无接地故障的分支线路，根据这一特点，便可查出接地分支线路及其上的故障点确切位置，从而实现故障定位功能。
二、注入信号的特性分析
以简单的中性点不接地配电系统为例进行分析。假设A相过渡电阻Rg接地，因中性点不接地，系统较小的分布电容为故障系统提供电流回路，零序阻抗很大，所以刮胡子那个电流很小，零序故障电流也很小，这是中性点不接地系统突出的优点。但很小的故障电力，特别时很小的零序电流不利于故障的检测，当过度电阻Rg较大时，零序电流更小。为了检测故障，在不影响原系统故障电流较小这一优点的前提下，人为增加零序电流，如在接地故障线路加一理想电流源。根据叠加原理，系统正序电流提供的电流不变，但系统实际流动的电流为两个电源提供的电荷之和。
为便于探测，外加的零序电流的频率应与电力系统的固有频率完全不同。从外加电流源看进去，系统总阻抗与中性点直接接地电力系统发生单相接地故障时的总结地阻抗相当。这样，注入电源的端电压不需很高就能为故障系统提供较理想的零序电流，供故障检测用。外加诊断电流的大小根据检测该电流所需强度而定，应用对称分量法，把各序电流转换成相电流，即可得到系统中各相电流，系统中各点三相电流的相量和构成剩余电流。由于外加电源电压较低，分布电容很小，可以忽略分路，剩余电流ig=iSG；对于非故障线路，注入电流只能通过分布电容流通，所以剩余电流ig=0。因此，根据各条出线的剩余电流的额大小即可选出故障线路，在故障出线的首端测量外加电源的电压和电流，可计算出测量点和故障点之间的回路阻抗，继而可求出故障距离。注入电流沿故障线路，在故障点处经大地返回外加电源处，所以沿故障线路探测注入电流，注入电流的消失点即为故障点。
三、注入信号及探测
1、注入信号源。
利用外加诊断信号进行故障检测和定位，不应影响原系统的政策允许。因此，注入信号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的诊断电流，且为零序电流，只在接地故障线路中流通。为了便于检测，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同，可有两种不同的方式。
第一种方式，是将信号源频率取在工频n次谐波与（n+1）次谐波之间（n为正整数）。理论上，n可取任意值。实际上，若n取值较小，信号源频率与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的诊断信号电流。若n取值较大，一方面系统分部电容容抗变小，分布电容对信号电流的分流增大，而部长线路上流动的信号电流变小，不利于信号电流的检测；另一方面，线路感抗XL=nωL增大，不能再忽略不计，也使故障线路上流动的信号电流变小，增加了检测信号电流的难度。
第二种方式，是将信号源频率取为10～50倍的工频频率。由于多数非线性电力负荷产生奇次谐波电流，故障期间，这些奇次谐波电流也在故障线路中流动，为便于提取诊断信号电流，所以信号源频率取工频偶次谐波。从工频电源角度看，信号源可近似看做一理想电流源，也就相当于开路；从信号源角度看，故障回路呈低阻抗回路，即信号源向一低阻回路提供电流，该电流从变电站沿故障线路到故障点经大地返回。可见，较低电压的信号源就能想故障系统提供较大的零序电流，如对于低压400V系统，不到50V的信号源电压就能想系统提供1～5A的零序电流，分布电容的影响可忽略。这种方式当不能忽略分布电容的影响时，由于信号源频率较高，分布电容的分流将使故障线路上的诊断信号电流变小，有可能小到无法探测。所以该种信号源在6～35kV的重压配电系统中不适用。
2、注入信号的探测。
有接地故障时，将零序信号电源加入故障系统，根据是否探测到该信号进行故障选线和定位，探测完成后，将零序诊断信号源从系统中退出。信号电流与故障电流相比小得多，同时故障线路中仍有符合电流流通。注入信号电流与负荷电流相比也小得多，单相接地故障电流和符合电流均由工频及其各次谐波构成。为此，必须采取适当的措施探测该信号，并使探测器对注入信号的频率有非常高的灵敏度。诊断信号电流可通过零序电流互感器测量，也可通过测量诊断喜好产生的磁场而得到。
（1）零序电流互感器法。
在需要测量剩余电流处，使用普通的零序电流互感器测量三相线中的电流，得到各出线的剩余电流，经信号处理分离出诊断信号。对第二种信号源，可使用特殊的零序电流互感器，使其只对诊断信号电流敏感，铁芯的B-H曲线具有很平坦的饱和特性。条件零序电流互感器的二次负荷，使铁芯在工频电流激励时饱和，而在诊断信号激励时不饱和。
（2）无线电接收法。该方法是利用无线收音机的原理设计一特制的传感接收器，安装在每条线路的开关柜内，时传感器对注入信号的频率产生共振、放大，最后把各传感器采集到的信号送到中央处理器进行分析比较，由于只有发生单相接地故障的线路，才有注入电流流动，所以安装在故障线路开关柜内的传感器接收到的故障信号也最强，采用这种方法可以准确的找出故障线路。注入信号源增大零序电流有利于接地故障的检测，但也受系统分部电容和故障过渡电阻的影响，有时出现误选或选不出故障线路的情况。
四、结束语
此种电流信号注入式接地保护装置，可广泛适用于线路仅装有两项电流互感器的小电流接地系统，无须在系统中增加零序电流互感器等一次设备，也不会对运行设备产生不良影响；同时，被注入电流信号的强度，由于电压互感器变比的关系，基本不受故障点的过渡接地电阻的影响，而且兼有故障选线、测距和定位等三种功能。注入法检测中低压配电网单相接地故障是一种行之有效的故障选线和定位方法，基于该方法的选线和定位保护已成功地应用与中低压配电网中。
关键词：注入信号法 电压互感器 接地相 变电站 绝缘
一、概述
为了使保护装置能正确地从店里系统的各次谐波中识别被注入的特殊电流信号，令其频率处于n次和（n+1）次谐波之间。由于被注入的信号区别于系统中固有的各种信号，所以对该信号的检测，可不受系统运行情况的影响。为了避开检测单元和一次设备的直接电气联系，应用感应探测单元对该信号产生的磁场进行测量。
由于系统发生单相接地故障时，被注入信号仅在接地相的线路中流通，经过接地故障点后即可行返回，非接地故障线路中没有信号，故只要检测各线路中有无注入信号电流，便可进行故障选线。而通过对注入信号电流和电压的检测，计算变电站到接地故障点之间的电抗，便可实现故障测距。如果在变电站和接地故障点之间存在分支线路，注入信号也不会进入无接地故障的分支线路，根据这一特点，便可查出接地分支线路及其上的故障点确切位置，从而实现故障定位功能。
二、注入信号的特性分析
以简单的中性点不接地配电系统为例进行分析。假设A相过渡电阻Rg接地，因中性点不接地，系统较小的分布电容为故障系统提供电流回路，零序阻抗很大，所以刮胡子那个电流很小，零序故障电流也很小，这是中性点不接地系统突出的优点。但很小的故障电力，特别时很小的零序电流不利于故障的检测，当过度电阻Rg较大时，零序电流更小。为了检测故障，在不影响原系统故障电流较小这一优点的前提下，人为增加零序电流，如在接地故障线路加一理想电流源。根据叠加原理，系统正序电流提供的电流不变，但系统实际流动的电流为两个电源提供的电荷之和。
为便于探测，外加的零序电流的频率应与电力系统的固有频率完全不同。从外加电流源看进去，系统总阻抗与中性点直接接地电力系统发生单相接地故障时的总结地阻抗相当。这样，注入电源的端电压不需很高就能为故障系统提供较理想的零序电流，供故障检测用。外加诊断电流的大小根据检测该电流所需强度而定，应用对称分量法，把各序电流转换成相电流，即可得到系统中各相电流，系统中各点三相电流的相量和构成剩余电流。由于外加电源电压较低，分布电容很小，可以忽略分路，剩余电流ig=iSG；对于非故障线路，注入电流只能通过分布电容流通，所以剩余电流ig=0。因此，根据各条出线的剩余电流的额大小即可选出故障线路，在故障出线的首端测量外加电源的电压和电流，可计算出测量点和故障点之间的回路阻抗，继而可求出故障距离。注入电流沿故障线路，在故障点处经大地返回外加电源处，所以沿故障线路探测注入电流，注入电流的消失点即为故障点。
三、注入信号及探测
1、注入信号源。
利用外加诊断信号进行故障检测和定位，不应影响原系统的政策允许。因此，注入信号源应满足一些特殊要求，它只能向系统提供幅值较小的诊断电流，且为零序电流，只在接地故障线路中流通。为了便于检测，信号源的频率必须与电力系统的固有频率完全不同，可有两种不同的方式。
第一种方式，是将信号源频率取在工频n次谐波与（n+1）次谐波之间（n为正整数）。理论上，n可取任意值。实际上，若n取值较小，信号源频率与工频相近，不利于从较强的工频故障电流中提取较弱的诊断信号电流。若n取值较大，一方面系统分部电容容抗变小，分布电容对信号电流的分流增大，而部长线路上流动的信号电流变小，不利于信号电流的检测；另一方面，线路感抗XL=nωL增大，不能再忽略不计，也使故障线路上流动的信号电流变小，增加了检测信号电流的难度。
第二种方式，是将信号源频率取为10～50倍的工频频率。由于多数非线性电力负荷产生奇次谐波电流，故障期间，这些奇次谐波电流也在故障线路中流动，为便于提取诊断信号电流，所以信号源频率取工频偶次谐波。从工频电源角度看，信号源可近似看做一理想电流源，也就相当于开路；从信号源角度看，故障回路呈低阻抗回路，即信号源向一低阻回路提供电流，该电流从变电站沿故障线路到故障点经大地返回。可见，较低电压的信号源就能想故障系统提供较大的零序电流，如对于低压400V系统，不到50V的信号源电压就能想系统提供1～5A的零序电流，分布电容的影响可忽略。这种方式当不能忽略分布电容的影响时，由于信号源频率较高，分布电容的分流将使故障线路上的诊断信号电流变小，有可能小到无法探测。所以该种信号源在6～35kV的重压配电系统中不适用。
2、注入信号的探测。
有接地故障时，将零序信号电源加入故障系统，根据是否探测到该信号进行故障选线和定位，探测完成后，将零序诊断信号源从系统中退出。信号电流与故障电流相比小得多，同时故障线路中仍有符合电流流通。注入信号电流与负荷电流相比也小得多，单相接地故障电流和符合电流均由工频及其各次谐波构成。为此，必须采取适当的措施探测该信号，并使探测器对注入信号的频率有非常高的灵敏度。诊断信号电流可通过零序电流互感器测量，也可通过测量诊断喜好产生的磁场而得到。
（1）零序电流互感器法。
在需要测量剩余电流处，使用普通的零序电流互感器测量三相线中的电流，得到各出线的剩余电流，经信号处理分离出诊断信号。对第二种信号源，可使用特殊的零序电流互感器，使其只对诊断信号电流敏感，铁芯的B-H曲线具有很平坦的饱和特性。条件零序电流互感器的二次负荷，使铁芯在工频电流激励时饱和，而在诊断信号激励时不饱和。
（2）无线电接收法。该方法是利用无线收音机的原理设计一特制的传感接收器，安装在每条线路的开关柜内，时传感器对注入信号的频率产生共振、放大，最后把各传感器采集到的信号送到中央处理器进行分析比较，由于只有发生单相接地故障的线路，才有注入电流流动，所以安装在故障线路开关柜内的传感器接收到的故障信号也最强，采用这种方法可以准确的找出故障线路。注入信号源增大零序电流有利于接地故障的检测，但也受系统分部电容和故障过渡电阻的影响，有时出现误选或选不出故障线路的情况。
四、结束语
此种电流信号注入式接地保护装置，可广泛适用于线路仅装有两项电流互感器的小电流接地系统，无须在系统中增加零序电流互感器等一次设备，也不会对运行设备产生不良影响；同时，被注入电流信号的强度，由于电压互感器变比的关系，基本不受故障点的过渡接地电阻的影响，而且兼有故障选线、测距和定位等三种功能。注入法检测中低压配电网单相接地故障是一种行之有效的故障选线和定位方法，基于该方法的选线和定位保护已成功地应用与中低压配电网中。