利用暂态特征的新型小电流接地故障监测系统_薛永端.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第卷年电力系统自动化,利用暂态特征 的新型小电流接地故障监测系统薛永端,陈羽,徐丙垠,李京,熊立新、山东科汇电气股份有限公司,山东省淄博市西安交通大学电气工程学 院,陕西省 西安市摘要介绍 一种小电流接地故 障监测系统的构成、工作原理及现场应用情况。基于故障产生 的暂态零序电压电流在特定频段内分量呈容性的 关系,利用暂态零序电流幅值比较、极性比较及暂态无功功率方向原理 实现故 障线路综合选择,并利用瞬时接地故障信息 对线路绝缘状 态进行监测。该系统结 构合理、可适用于配电网自动化系统和变 电站 自动化系统,检测方法不受消弧线圈、不稳定电弧影响,同时可检侧消弧线圈支路接地、网络中存在闭环运行线路等特殊故障。关键词小电流接地故障选线故障监侧暂态信息中图分类号引言小 电流接地故障的可靠 检 测 问题目前要 求主要是故障选线始 终 未 得 到彻底 解 决。除了需要不断探索新 的选线原理、提高选线准确率外,设计符合变 电站 自动化 系统和配电网 自动化系统要求的实现方案,同时挖掘故障数据 的深层次信息以最终实现故障监测也非常重要。基于故障暂态信号的检测 方法具有可靠性好、灵敏度高、不受消弧 线圈影响等优 点比,且其又不像 注人信号法那样需要 高压注入设备,实现简单、快速。传统的暂态检测 方 法,主要 是利用暂态 电压电流初始极性关系的首半波法,由于极性关系,正确的时间非常短 远小于暂 态 过程,且受线路结构和参数影响,检测可靠性较低。近年来,随着高速数据采集与信号处理技 术 的发展,基于暂态信号的检测方法重新 吸引 了学术界关注。除了引人小波变换等新兴数学分析工具外比,文献,还对故障暂态特征进行了深入研究,发现在一 特定 频段内暂态零序电压与电流间呈容性关系,并进一 步给出了基于暂态信号特 征分量 的幅值比较、极 性比较、无 功 功率方 向等选 线 方法。这些工作为基于暂态信号检测装置 的研制打下了坚实基础。对于现场存 在的大量 瞬 时性接地故障,无论 运行部门还是传统检测 装 置 均 未予以重 视,而其中必然包含着永久故障和线路绝 缘 的有关信息,对其进行理论和实践探索以实现对线路绝缘状态监测及对永久故障的提前预报,将具有 十分重要 的意义。同时,随着配电网自动化系统 的不断应用,网络结构和规模处于动态变化 中,要求检测装 置能不依赖于 网络参数和结构。而随着变电站 自动化系统和无人值守 的不断普及,要求检测装 置又能作为自动化系统的一个有机组 成部分,实现检测 结果的自动上报以至远程故障诊断等功能。本文介绍了根据文献,所提出 的方法研制的一。小 电流接 地故 障选线及监测 系 统简称一的基本原理、结构、工作方式及 现场运行情况。系统构 成总体结构一采用台后台分 析主机后台机加 多台前置数 据 采集装 置前置 机,配合以串行口、网卡、空接 点 等 多 种 通信设 备 的总 体 结 构。结合变电站自动化 系统或远动装置、通信系统及 远方 主站构成整个监测系统,如图所示。调度端主站远端主站墨鳄鳄鳄,一装置网卡卜一装置尸一控制主机变电站安装屏厂收稿日期一一。中国发明专利。电压、电流接人图幼一小电流接地故障选线及 监测系统构成一,一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电力系玩自,图中,每 台前置机可监测两段母线共路出线。系统根据电站 母 线、出线数量可采 用台或多台前置机。远 程 通信根 据 实际条 件可 选 用 多 种 方式。前置数据采集装置前置 机接人母线三相 电压、母 线 零序电压和各出线零序电流信号并对其进行监视。发生接地故障时,采 集、记录 并 向后 台机 上传 各路故障数据。此外,可通过 面板进 行 人 机 交流,完成 阂值、时间等参数整定,并可接受对 时。从 结构和功 能上,前 置 机可分为 中央处理单元、高速数据采集单元、接口单元、人机界面、模拟信号输人和电源等部分,如图所示。各部分采用插件式结构,装 置扩展、更新和维护方便。理结果可由经过授权 的远程计算机例如 生产单 位的服务 中心读取,并实现故障远程诊断。图前置机结构后 台分析主机后 台机运行一软件,主要完成故障数据 的读取、存储、远传,故障选线、选相,以及结果显示、永久接地故障选线 结 果上报,故障查 询、统计 分析、线路绝缘报警等功能,并 提供密码 管 理和定值输人 等功能。分析 软件 采用多进 程结构,以增 加 程序升级和工程维护 的方便。界面设计遵循风格,操作方 便。故障 数 据 存 储采 用关系型桌面数 据 库。通信系统前 置机与后 台机之 间通过串行口连接。故 障数据远传 支持的通信方式 可以是拨号、串行口、局 域网或方 式,选 线 结果 除上述方式外,还可通 过远 动 通 道以开关量 变位 的方式送 至调度或控制 中心。为了增 加数据上报时与其他自动化系统 的互联能力,本 系统远 程 通信协议 采 用 标 准 协议。通信协议库支持协议和协议,并可根据要求增加其他协议。通过通信系统,一可作为电站 自动 化 系统的一部分,将故障选线的实 时结果、装置运行状态和故障的实时录波等数据上传。除了所 属局调度和控 制 中心外,故障数据和处主要功能及工作原 理正 常时的系统工 作流程前置机 的高速始终循环 采集数 据处于等待状态,并保持 与后台机 的联 系及 接 收面板指令进行人机交流。后 台机定期 向前 置机查 询有无新 的故障数据,进行现场人机交流完成相应 功能,并可通 过通信系统被动式提供数据远传功能。故 障后的系统处理流程前 置机在零 序电压瞬时值超越预设门槛时,控制记 录故障前后 所 有信号波形读 取、保存故障数据,并给其打上时间标签 在后 台机查询时 向其上传所有新的故障数据和参数。后台机接收到前 置机故障数据后,首先进行极性和幅值补偿区分是 否是 由干扰 引起 的误触 发数据对于真正 的故障数据利用 相关 算法 选择 故障线路存储故障数据、相应参数、选线 结果如果故障持续时间超过一定 时限,则上报选线结果,否则认为是瞬时性故障对所有 瞬时性故 障进行统计分析,判断是否需要提出线路绝缘预警,并上报预警信息。选线原理及算法 实现文献厂建立了基于线路分布参数的小 电流接地故障模型,对故 障暂态特征 进 行了深 人研究。发现从直流分量中性 点不接地系统或次谐波经消弧线圈接地系统,到所有线路首次 串联谐振频率间的频段即内,所有线路检测阻抗均呈容性,均可等效为集中参数电容。证明了内包 含了暂态零序电流 的大部分能量,且故障线路幅值最大、极性和流 向与健全线路相反,可用来选择故障线路而外,暂态信号不具有统 一分 布规 律,对选线起 干扰作用必须滤除。文献】同时给 出了基于暂态零序 电流特征分量内分量的 幅值比较、极 性比较、无功 功率方 向等种选线算 法。这种 方法的适应 性、可靠性等检测性能各异。同时,监 测 系统 实 际运行 中面临的情况比较复杂例如传感器极性、变比不统一,如 果单独 运 用 某 一 种 方 法,结果 均 不 够可靠。一在上述种选线方法基础上结合有功分量等方法制定了综合选线方案,增强 了系统的鲁棒性。特殊故障处理对于含有消弧线圈的支路,无论作为健全线路还是故障线路,其暂态特征均相 同,即零序电流均呈感性,容性电流或无功功率均 由线路流 向母线。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/新技术新产品薛永端等利用暂态特征的新型小电流接地故障监测 系统段或多段 母 线 并 联 运 行 时,任何 一 段母线 发生接地故障都将扩展 到所有母线。网络 中若存在不 同母 线线路手 拉手运行结构,非拉手线路接地故障时,不仅将故 障扩展 到其他母线,而且健全母线的拉 手线路 的暂态特 征将与故障线路相 同。一对上述特殊情况进行了针对性处理,使选线方法适应性更好、选线结果更为可靠。永久接地故障预报与线路绝缘状态监测接地故障一般是由于 电网绝缘薄弱点在电网瞬间或长期过 电压作用下击穿造成的。由于故障电流很小,故障点可能在接地 电流过零时 自动熄弧,形成瞬时性接地故障。瞬时性故障可发生在 架空线路,也可发生在 电缆线路。架空线路中,由于雷击、树枝等外物短时碰撞、绝缘子污损击穿等原因,发生可能性较大。而对于 电缆线路,习惯上认 为其绝缘击 穿是不可恢复的。而根据实际观察,电缆在永久接地 故障前,也可能出现多次瞬时性故 障现象。瞬时性故障的持续 时间一般从几毫秒到数秒不等。对于持续 时间较 短 的瞬 时性 故障,运行 部 门和传统的故障检测装置均未予以重视。但发生过瞬时性接地故障的绝缘薄弱点,在 过电压 等条件具备时还会再次击穿,直至造成永 久 接地故障。如果能够捕捉、记录到瞬时性接地 故障并 给出报警信息,及早采取处理措施,就可防止 由此 造成的突然停电等恶性事故发生。进一步,可为线 路和设 备由定期检修转变到状态检修提供有 益信息,减少定期 高压预 防性试验 的次数,减少停电时 间和预 防试验 对 电缆的损坏等。对于电缆线路,相对于测量局部放 电量、绝缘层损耗角、直 流 电阻等其他在线检测方法,瞬时接地后的绝缘状态更接近于永久故障。利用瞬时性故 障预报线路绝缘状态,抗噪声干扰能力更强,能更准确地用来估计线路的绝缘状态。一可记 录延 时时间最短 在内的瞬时接地故障,对瞬时故障进行分析统计,根据瞬时故障出现 的频率和间隔时间提 出线路绝缘预警。关键技术的确定对于消弧线 圈接 地 电网来 说,的下限 可 选为,而对于中性 点 不 接 地电 网,下 限就是直流分量。由于可以证明故障暂态过程的主谐振频率包含在内川,故障后可先计算零 序暂态电流的主谐振频率。的上 限可确定 为 在 主谐 振 频率基 础上加一预设阂值。实际应用 中也可以根据网络结构直接将其设为固定值,一般为一。高速数据采集 与存储技 术由于故 障暂态信号频率较高、同一前置机需要监测 的信号最多达路,对信号 的高速采集、实 时存储和的处理能力提 出了较高的要求。一前置机设计了专 用 的高速,与相互独立。负责路信号监视、采集及循环存储,故障后由读 出故 障数 据 并 离 线 处理。故障类型的识别故障类型是指该次故障是永久接地故障还是瞬时性接地故障。永久故障和瞬时性故障均可以得到选线结果,进行数据存储、显示、统计等操作。但只有永久接地故障才将选线结果上报。由于不 同的用户对如何区分永久接地故障和瞬时接地故障认识不 同,特别是在间歇性接地故障时。所以,本系统将故障持续时 间作为区分 的标准,持续时间阑值可现场整定。相电压 过零故障传统观点认为,利用暂态信号选线的一个 主要困难是过零故障时不产生暂态信号。根据分析,非外力作用 下的绝缘损坏故障,故障点击穿时两端需要一定 的 电势差,因此绝大多数将发生在相电压接 近峰值时刻。同时,根据理论 分析和仿真证明,即使在相电压过零时刻发生接地故障,其暂态零序电流的峰值也接近未经补偿的工频稳态零序电流川。因此,传统对 过 零故障的担心是没有必要的。内含暂态零序 电流绝大部分能最的证明在外界 干扰一定 的条件下,一种检测方法 的可靠性与其利用的信息量信号强度直接相关。利用的信息量越大,检测越可靠。尽管前人已经证明了小电流接地故障产生的暂态电流幅值远大于稳态电流,但根据分析,对于本文所提出的选线方法,暂态零序电流 中只有内的分量可作为选线依据,其他分量对选线起干扰作用,必须滤除。因此,段内暂态 电流 的含量大小就与对应检测方法的可靠性 息息相关。根据文献巨的分析,证明了内保留了暂态零序电流 中的大部分能量,保证了选线结果 的可靠性和灵敏度。系统主要特 点在最大限度保留暂态信号的基础上,剔 除 了其中不支持选线要求 的分量,提高了暂态检测方法 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/奄力系玩自,的可靠性,原理更先进。利用 多种方法选线,互为补充,结果更可靠。不受消 弧 线圈影 响,可适用 于不接 地消弧线圈接地 高 阻接地 系统。相对于首半波法,本装置的检 测 判据在整个故障时 间区段均成立。因此,不受不稳定电弧影 响,且弧光接地或间歇性接地 时检测更 可靠。不受 系统规模和线路结构 变化 的影 响,可满足配 电网 自动化的需求。采用普通 电压 互感 器和电流互感器,不需 要安装专用藕合设备和其他高压设备。可永 久保留故障数 据、处理结 果等故障 信息。适应 电站 自动化系统,选 线 结果可以多种方式上报调度或控制 中心。数 据可 远传,可实现 远程故障诊 断。可对瞬时性故障分析 进行 统计,利 用其对线路绝缘状况监测提供有益信息,并提前 给出报警。从 图中还 可以看出,该故障为间歇性接地型,稳态零序电 流 远 小于暂 态 零 序 电 流,健全 线路大树线 工频零序电流大于故 障线路且极性相 同,因此,传统基于工频零序电流无功分量 的检测方法将不能正确选择故障线路。根据对现场记录的故障数据分析、统计还发现故障零序电流中谐波分量和有 功分量含 量很小,虽然可以工作但对原 始信号的利用率较低,可靠性不高绝大部分故障为瞬时性接地故 障 间歇性接地故障、弧光接地故障也较为普遍 有多次永久故障前出现了次数不等的瞬时性接地 故障,验证了利 用 瞬 时性接地故障信息对线路绝缘预警思路的正确性。现场 应用简介从年起,共有 多套一在全国多 个电业局的电站投人运行。被监测 系统均 为消弧线圈接地其中多台为自动 调谐 消弧 线圈,出线一 般 为 电缆 架空线 混合线 路,各段 母线最 大 接 地 电 流 为。经过 数 次人 工接 地 试 验和年多 实 地 运行,共检测到数 十次永久接地故障和数百次瞬时性接地故障,未发现选线算法原理性错误。同时,监测系统经过逐 步完善业已成 熟,达到实用要求。图为。年月日在某地茅山头电站记录的实际故障波形,具体包含了母 线三相对地 电压、零序电压 及各出线零序电流信号。根据暂态信号特征及选线原理能可靠确定久瑞线接地。图现场记录的实际故障波形结语解决小 电流接地故 障检测难题,一方 面需 要研究故障特征、提出新 的检测原理,另一方面需要改进装置 系统构成、工作方式,解决应用中面临 的各种问题。本文给出的小 电流接地监测 系统,利用故障暂态特征选线,原理更先进、结果更 可靠,系统构 成和工作方式能适用于配 电网自动化系统和变 电站自动化系统,适用性更广。本监测系统可对瞬时性和永久性故障进行统计分析,并利用瞬时性故 障信息 对 可 能发 生 的永久故障提 出预警。参考文献贺家李,宋从矩,电力系统继电保护原 理北 京中 国 电 力 出 版社,贾清泉,刘连光杨以涵,等,一,应用小波检测故障突变特性实现 配电网小电流故障选线保护中国 电机工程学报,一桑在中,张慧芬,潘贞存,等,用 注人法实现小电流接地 系统单相 接地选 线保护电力系统 自动化,一薛永端基于暂态特征信息的配电 网单相 接地故障检测研究博士学位论 文一,西 安西安交通大 学 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/新技术新产品薛永端等利用暂态特征 的新型小电流接地故障监测系统,薛永端,冯 祖仁,徐丙垠,等,。基于暂态零序 电流比较 的小电流接地选线研究一主、电力 系统自动化,陈羽利用暂态信息的小 电流接地 电网接地故障选线 系统的研 制硕士学位论文一,北 京清华大学,薛永端一,男,博士,研究 方 向 为 配 电网自动化及其故障检测。一,陈羽一,男,硕士,研究 方 向 为基于暂态特 性的电 力系统故障检测。徐丙垠一,男,博士,教授,研究方向 为电力系统故障检测、配电网自动化。一一,、,夕,刀二,一,介,上接 第页总之,县级城市配电自动 化 系统模 式 的选择是一项系统工程,它涉及配 电网一次网架结构、一次设备、通信系统及配 电 自动化系统本身的技术方案。参考文献林功平配 电 自动化与智能化开关电力系统自动化,一韩国良南通供电 局配电自动 化 试 点方案电 力系统 自动 化,一,一林功平配 电网馈线 自动化解决方案的技术策略王一电力系统 自动化,一林功平一,男,教授级高级工程师,研究方 向 为电力系统 自动化及配电网自动化。一奚国富一,男,硕士,研究 方向为 电 力系统自动化及配电网自动 化。徐石民一,男,硕士,研究 方向为 电 力系统 自动化及配电网自动化。刀艺,机,一,