一种离线式接地故障检测系统及方法与流程

本发明涉及配电线路单相接地故障点巡查领域，具体涉及一种离线式接地故障检测系统及方法。

背景技术：

在我国6kV、10kV和35kV供配电网络中，单相接地故障是配网线路出现最多的线路故障，特别是10kV配网更是如此。而相当多的接地故障，尤其是隐形接地故障(即软接地)：如瓷瓶击穿、变压器内部接地、避雷器击穿、互感器接地、令克的绝缘子击穿等等，工作人员往往需要用几个小时，甚至是几十个小时才能将接地故障点找到。由于长时间不能恢复送电，不仅社会影响很大，供电的可靠性差，而且也使电力部门的售电量减少，直接影响到电力部们的经济效益。

为此行业内出现了很多针对单相接地故障的巡查的新技术与新方法，诸如行波法、阻抗法、高压脉冲法等，但就从投入产出比来讲，S信号注入法实为当之无愧的明星并得到了广泛的认同，尽管S信号注入法使用方便，但在实际使用中发现若发生单相接地的线路为多回线路架设(其它回线路正常供电)或有特高压线路从其上方经过时，会在发生了单相接地故障线路上感应出大小不确定的工频感应电流，这对高压钳流表基于S信号注入法的特征信号测量来数无疑是一种灭顶的灾难，直接带来的问题将是特征信号测量的稳定性与准确性，进一步出现接地点误判甚至S信号注入法将无法使用。传统虽然有抗工频干扰的相关技术，要特别注意的是传统的信号处理是对信号集中放大后进行滤波处理，但在S信号注入法中，S/N(信噪比)过小，按照工频干扰100A,S特征信号为40mA计算S/N＝1:2500,即原始信号信噪比为1:2500，若要实现S特征信号精度±1mA波动，那么初步估计硬件层滤波器必须实现将信噪比S/N调理到40:1以内，原始信号S/N太小，若采用集中放大滤波处理的话，有用信号会被彻底淹没在干扰信号中进一步影响后级信号处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种离线式接地故障检测系统及方法，能够解决信噪比过小的工频感应电流干扰问题。

为了达到上述目的，本发明方法采用如下技术方案：

包括以下步骤：

步骤一：通过两根三相短接线将三相被测线路短接；将信号源的信号输出端通过S注入信号线连接任意一根三相短接线，将信号源的接地端通过接地线接地；其中，三相短接线与三相被测线路短接点分别为O1、O2和O3，O1、O2和O3的连线L垂直于三相被测线路；

步骤二：通过信号源和S注入信号线输出S特征信号，将高压钳流表依次挂扣于连线L两侧任意一相被测线路上，获取被测线路的S特征信号I_n，n＝1,2,...,6；

步骤三：对S特征信号I_n交替进行若干级放大和若干级滤波，得到S特征正弦信号；

步骤四：将S特征正弦信号进行模数转换后通过快速傅里叶运算，获得S特征正弦信号所对应的向量值Y_正弦信号；

步骤五：根据向量值Y_正弦信号计算电流有效值I_RMS，通过电流有效值I_RMS计算实际S特征信号电流值I_{Sn特征电流}；

步骤六：比较实际S特征信号电流值I_{Sn特征电流}，I_{Sn特征电流}最大的被测线路为故障相，根据二分法判断接地故障点的位置。

进一步地，步骤三具体包括：

301、S特征信号I_n通过输入带截止频率为100Hz低通滤波的低增益差动放大器进行差分放大，得到信号S1；

302、信号S1通过多路反馈无限增益带通滤波器进行第一级滤波，得到信号S2；

303、信号S2依次通过二次放大、第二级滤波和整流，得到S特征正弦信号。

进一步地，步骤302中多路反馈无限增益带通滤波器是由5个二阶多路反馈无限增益带通滤波器组成的，其整体带有20倍增益；步骤303中第二级滤波采用的滤波器为8阶阻带频率-90dB衰减。

进一步地，步骤四中，将S特征正弦信号进行一个周波64点连续ADC采样后，得到一个周波瞬时连续64点模拟量信号所对应的数字信号量，通过对该数字信号量进行64点快速傅里叶运算，获得S特征正弦信号所对应的向量值Y_正弦信号＝a+bj；步骤五中，

进一步地，步骤五中，I_{Sn特征电流}＝I_RMS×K，K为标定系数。

本发明系统的技术方案是：包括两根三相短接线、用于挂扣于任意一相被测线路的高压钳流表以及用于输出S特征信号的信号源，三相短接线将三相被测线路短接；信号源的接地端通过接地线接地，信号源的信号输出端通过S注入信号线连接任意一根三相短接线；高压钳流表通过滤波器连接用于计算实际S特征信号电流值并判断接地故障点的控制器。

进一步地，控制器采用智能掌上终端PDA。

进一步地，三相被测线路上分别悬挂有一根信号线挂接令克棒，信号线挂接令克棒均包括上端的工作头和下端的绝缘杆，工作头通过保险丝与三相短接线相连。

进一步地，高压钳流表包括上端挂扣于任意一相被测线路上的钳头和下端的绝缘杆连接头，绝缘杆连接头与钳流表令克棒相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法中针对目前采用S注入法使用的高压钳流表在进行S特征信号测量时，未考虑到接地线路可能会存在工频感应干扰电流情况，对高压钳流表获取的S特征信号进行逐级放大、滤波和快速傅里叶运算等求得实际S特征信号电流值，有效避免接地故障特征数据测量偏差进而造成接地误判，本发明采用逐级放大逐级滤波的方式可以有效解决信噪比过小时对后级滤波器的影响，能够达到理想的滤波效果；本发明方法可有效的针对存在工频干扰的接地故障线路使用。

进一步地，本发明首先感应到的杂乱无章且微弱的S特征信号I_n通过输入带截止频率为100Hz低通滤波的低增益差动放大器进行差分放大，这样有利于消除信号中的共模干扰信号以及大部分高频背景噪声等；通过多路反馈无限增益带通滤波器来实现S1信号边放大边滤波的效果；本发明采用两级滤波有效解决了单级滤波器设计困难效果不理想的问题，同时采用逐级放大逐级滤波的方式可以避免随负荷干扰增大有用信号会被明显衰减的缺陷。

本发明系统中通过给传统全通带高压钳流表增设带通滤波器，实现了故障线路若存在感应电流情况下能够通过滤波器将工频干扰滤除的效能，实际使用中发现在工频干扰小于10A条件下，工频干扰对施加的S特征信号没有产生影响，这种情况完全满足现场使用情况，很好地解决了现场感应干扰带来的接地故障误判状况。

【附图说明】

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明单相接地故障巡检原理图；

图3是本发明的电路框图；

图4是高压钳流表的结构示意图。

其中：1-三相短接线；2-信号线挂接令克棒；3-高压钳流表；4-S注入信号线；5-接地线；6-信号源；7-钳流表令克棒；8-智能掌上终端PDA；9-接地故障点。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1至图4所示，本发明系统包括两根三相短接线1、用于挂扣于任意一相被测线路的高压钳流表3以及用于输出S特征信号的信号源6，三相短接线1将三相被测线路短接；信号源6的接地端通过接地线5接地，信号源6的信号输出端通过S注入信号线4连接任意一根三相短接线1；高压钳流表3通过滤波器连接用于计算实际S特征信号电流值并判断接地故障点9的控制器；控制器采用智能掌上终端PDA8。

三相被测线路上分别悬挂有一根信号线挂接令克棒2，信号线挂接令克棒2均包括上端的工作头和下端的绝缘杆，工作头通过保险丝与三相短接线1相连。高压钳流表3包括上端挂扣于任意一相被测线路上的钳头和下端的绝缘杆连接头，绝缘杆连接头与钳流表令克棒7相连。

当前基于高压钳流表S特征信号测量(S注入法)的单相接地故障巡检原理，具体巡查过程如下：假设线路C相发生接地故障，那么在特征信号施加后会出现非接地侧，图2所示小号侧，非接地侧的三相S特征信号基本相等即ABC三相都等于a，接地故障侧如图2所示大号侧，这是由于接地故障相S特征信号比非接地相信号大，由此可确定故障方向与故障向别；在故障侧的故障点前方三相S特征信号一直处于故障相较大非故障相较小的特征即a+Z>a而接地点后方三相特征S信号又基本相等即ABC三相都等于c，由此可以判断接地点位置。

由于多回线路或故障线路附近特高压线路的存在，就会在接地的故障线路A/B/C三相线路上感应到工频干扰电流从而混入注入的S特征信号当中，使得巡查过程中使用高压钳流表测量到的S特征信号大小失去参与故障判断的参考意义。因此本发明提出了一种具有工频滤波特性的高压钳流表测量系统及方法，本发明方法包括以下步骤：

步骤一：通过两根三相短接线1将三相被测线路短接；将信号源6的信号输出端通过S注入信号线4连接任意一根三相短接线1，将信号源6的接地端通过接地线5接地；其中，三相短接线1与三相被测线路短接点分别为O1、O2和O3，O1、O2和O3的连线L垂直于三相被测线路；

步骤二：通过信号源6和S注入信号线4输出S特征信号，将高压钳流表3依次挂扣于连线L两侧任意一相被测线路上，获取被测线路的S特征信号I_n，n＝1,2,...,6；

步骤三：对S特征信号I_n进行放大和滤波，得到S特征正弦信号；

步骤四：将S特征正弦信号进行一个周波64点连续ADC采样后，就得到了一个周波瞬时连续64点模拟量信号所对应的数字信号量，通过对这64点数字信号量进行64点快速傅里叶运算，获得S特征正弦信号所对应的向量值Y_正弦信号＝a+bj；

步骤五：根据向量值Y_正弦信号计算电流有效值通过电流有效值I_RMS计算实际S特征信号电流值I_{Sn特征电流}＝I_RMS×K，K为标定系数；

步骤六：比较连线L同一侧的三相被测线路的实际S特征信号电流值I_{Sn特征电流}，I_{Sn特征电流}最大的被测线路为故障相，根据二分法判断接地故障点9的位置。

本发明的难点在于S/N(信噪比)过小，即通过滤波器幅频特性可知对工频干扰需要-80dB衰减才能满足要求。为了能够达到理想的滤波效果，本发明采用两级滤波两级放大的信号处理方案，首先传感器感应到杂乱无章且微弱的S特征信号I_n通过输入带截止频率为100Hz低通滤波的低增益差动放大器进行差分放大，这样有利于消除信号中的共模干扰信号以及大部分高频背景噪声等，这样得到初步信号S1，S1通过一个由5个电路单元组成的10阶整体带有20倍增益的多路反馈无限增益带通滤波器来实现S1信号边放大边滤波的效果，每个电路单元有1个二阶多路反馈无限增益带通滤波器；通过滤波器幅频特性可知该滤波器实现阻带衰减-30dB通带26dB放大，即完成将S/N调理到1:4，这样完成了大部分干扰信号的处理，这样得到了信号S2，S2再次通过信号二次放大后，通过采用linear公司专用滤波滤波器芯片LTC1068完全可以将S/N＝1:4调理到S/N＝40:1范围内，该滤波器为8阶阻带频率-90dB衰减。采用两级滤波方案有效解决了单级滤波器设计困难效果不理想，同时采用逐级放大逐级滤波的一级滤波方式可以有效解决信噪比过小时对后级滤波器的影响(随负荷干扰增大有用信号会被明显衰减)。最后通过整流电路处理后得到S特征正弦信号s3。

将S特征正弦信号s3送入数据处理器内部的12位模数转换器，便可获得1/2¹²的采样分辨率，通过模数转换器ADC对S特征正弦信号s3进行一个周波64点离散采样(满足采样频率F>2F_信号)后得到了一个周波瞬时连续64点模拟量信号所对应的数字信号量S4，数字信号量S4通过64点快速傅里叶算法FFT对信号进行运算后便可得到此正弦信号所对应的向量值Y_正弦信号＝a+bj，此时数据处理器会根据此向量与电流有效值关系便可计算出电流有效值，最后通过I_{Sn特征电流}＝I_RMS×K(其中K为标定系数)就计算出了实际被测线路的实际S特征信号电流值。

本发明主要针对目前采用S注入法使用的高压钳流表在进行S特征信号测量时未考虑到接地线路可能会存在工频感应干扰电流情况，导致接地故障特征数据测量偏差进而造成接地误判的问题而提出一种加设了工频滤波的高压钳流表方案，此方案可就有效的针对存在工频干扰的接地故障线路使用。