基于三相四线制IT系统的故障监测选线定位装置及方法与流程

本发明涉及配电网故障检测领域，特别涉及一种基于三相四线制it系统的故障监测选线定位装置及方法。

背景技术：

当前，我国配电网系统中用户端电网普遍采用的是380/220v中性点接地系统。在该连接方式下，大地与电网直接相连，若此时相线线路某处出现绝缘损坏或相关导线裸露触及人、设备时，将会产生很大的短路电流，形成弧光，严重的可能还会引发设备损坏、用户停电甚至造成火灾、烧伤事故。而且由于我国过去一段时间内低压电气用电设计规范接地保护方式不明确，导致某些地区存在接地与接零混合使用的情况，供配电系统存在的隐患较大。

为了改善上面中性点直接接地方式存在的弊端，有人提出了采用中性点不接地的低压配电网系统，也就是it系统。通过相关调查了解，在低压电网的运行过程中发生触电死亡现象多为单相触电，而采用中性点不接地系统后，电网相线和大地之间将通过线路绝缘电阻和对地电容形成回路，若发生人身单相触电，流经人体的电流受到人体阻抗和线路阻抗的双重限制后会大幅减小，触电风险将大大降低。同时，配电变压器低压侧的三条相线以及中性线上加装避雷装置，可以有效避免雷电正、逆变换过程中的过电压，保护配电设备。并且通过在浙江、福建等地的农村低压电网采用中性点不接地方式，其相关运行数据也很好的验证了上面的结论。此外，居民低压配电网采用中性点不接地方式后还能够防止用户采用“一线一地”方式进行照明、捕鱼等私接电网的行为，减少配电网安全稳定运行期间的隐患。

目前，我国现有民用生活设备大多采用的是220v的相电压，为了更好地满足相关需求，故采用三相四线制it系统实现中性点不接地的条件。三相四线制it系统连接方案主要是将原有的配电系统通过一个隔离变压器，在变压器的低压侧配出中性线，该中性线作为三条相线共用的零线但不与大地连接。虽然三相四线制it系统能够很好的实现上述功能，但其也存在着一定的缺陷，在该系统中相线的对地电压与线路的绝缘阻抗有关，若在其中某条相线的绝缘阻抗极低或相线触地情况下有人接触到其余的相线，则此时其身体将承受到380v电压的危害。另外，由于三相四线制it系统本身的特性，在其中性线接地后其电力参数一般不会出现明显变化，若此时出现人员误触某条相线或相线接地，其造成的后果也将是十分严重的。

通过相关数据查验与统计，表明在配电网中出现相线接地后，人体触及另外相线的概率是极低的，而且三相四线制it系统的中性线接地后相关的电力设备人能够正常工作，但是为了保障电力用户的人身绝对安全，必须对三相四线制it系统进行在线的绝缘监测，以实现系统故障后的快速切断与电力恢复。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的基于三相四线制it系统的故障监测选线定位装置，并提供一种算法简单、定位准确的基于三相四线制it系统的故障监测选线定位方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于三相四线制it系统的故障监测选线定位装置，包括配电网、隔离变压器、负载支路、电压信号发生器、电流信号发生器、支路电流传感器、漏感电流传感器和监测模块，其中配电网经过隔离变压器后将线路进行改进构造成三相四线制it系统，三相四线制it系统是在传统三相三线制it系统的基础上配出中性线构成的，即将配电网线路连接至隔离变压器一次侧，隔离变压器二次侧配出中性线连接负载支路；电压信号发生器安装在隔离变压器二次侧，且其输出端连接至中性线和三条相线；每条负载支路上均设置一个支路电流传感器；每条负载支路中，每条相线与负载之间均设置有电流信号发生器，每条相线与中性线组合悬挂一个漏感电流传感器；电压信号发生器、电流信号发生器、支路电流传感器、漏感电流传感器均连接监测模块。

一种基于三相四线制it系统的故障监测选线定位方法，包括以下步骤：

步骤一：采用交流式单频注入法，首先监测模块通过电压信号发生器向系统注入一个特征频率电压uf；

步骤二：通过支路电流互感器检测各负载支路在特征频率电压作用下的电流if；

步骤三：利用步骤一的特征频率电压uf和步骤二的电流if进行运算得出支路阻抗z：

其中，uf为频率为f的特征频率电压，为uf的导数，if为特征频率电压uf作用下的电流，为if的导数，c为支路的对地电容，ω为频率为f的特征电压角频率，z为根据特征频率电压计算得到的故障线路阻抗，r为支路的接地阻抗；

步骤四：将z的实、虚部的数值分别与公式(2)、(3)对应，联立方程组即可计算得到支路的接地阻抗r和对地电容c；

步骤五：根据接地阻抗值的大小与限定值进行比较，若接地阻抗值小于限定值，则判定此支路发生绝缘故障；

步骤六：监测模块通过电流信号发生器向故障支路注入特征频率电流；

步骤七：通过漏感电流传感器检测故障支路各相线上是否存在特征频率电流，从而对故障支路中故障的位置进行定位。

上述基于三相四线制it系统的故障监测选线定位方法，所述步骤七中，对故障支路中故障的位置进行定位的过程为：若某一相线上存在特征频率电流，则此相线产生接地故障，若三个相线上均不存在特征频率电流，则故障支路上的零线发生接地故障。

本发明的有益效果在于：

(1)在故障监测方面，能够实施在线的监控策略。本发明首先采用单频注入式方案避免了多频注入提取的工序，简化了相关的计算过程；然后，通过联立故障线路的特征阻抗实、虚部表达式，可以精确得到接地电阻和线路对地电容，实现对绝缘支路阻抗的精确测量，便于后续处理分析；接着针对三相四线制it系统中性线接地故障后不会产生电气常量变化的特点，能够及时地判断线路故障，避免事故隐患。

(2)在选线定位方面，利用特征电流与漏感电流器相结合，在已有故障支路检测的前提下对配电故障线路进行定位，方便进一步寻找接地故障发生的位置。采用具体定位到故障线路的检测方案，能够快速准确检测故障，同时大大减少故障查找工序，降低故障处理时间，降低电力用户的风险。

附图说明

图1是本发明的基于三相四线制it系统的故障监测选线定位装置的结构示意图。

图2是本发明中的故障监测的原理示意图。

图3是本发明中的故障监测模块特征信号流通等效电路图。

图4是本发明中的故障相、零线定位的特征信号流通等效电路图。

图5是本发明中的故障监测选线定位方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于三相四线制it系统的故障监测选线定位装置，包括配电网1、隔离变压器2、负载支路、电压信号发生器3、电流信号发生器6、支路电流传感器4、漏感电流传感器7和监测模块，其中配电网1经过隔离变压器2后将线路进行改进构造成三相四线制it系统，三相四线制it系统是在传统三相三线制it系统的基础上配出中性线构成的，即将配电网1线路连接至隔离变压器2一次侧，隔离变压器2二次侧配出中性线连接负载支路中的负荷5；三相四线制it系统实现了二次侧线路与地之间回路的隔离，同时三相四线的结构能够很好地满足居民日常生活中220v电源设备的用电需求。

电压信号发生器3安装在隔离变压器2二次侧，且其输出端连接至中性线和三条相线；每条负载支路上均设置一个支路电流传感器4；每条负载支路中，每条相线与负载之间均设置有电流信号发生器6，每条相线与中性线组合悬挂一个漏感电流传感器7；电压信号发生器3、电流信号发生器6、支路电流传感器4、漏感电流传感器7均连接监测模块。其中电压信号发生器3与支路电流传感器4主要参与三相四线制it系统的绝缘阻抗实时监测和故障支路定位；电流信号发生器6和漏感电流传感器7将针对故障支路情况进一步检测，确定支路中故障线路的位置。

一种基于三相四线制it系统的故障监测选线定位方法，包括以下步骤：

步骤一：采用交流式单频注入法，首先监测模块通过电压信号发生器3向系统注入一个特征频率电压uf。

注入特征频率信号的选择，要是具有稳定正弦波。畸变系数较小，同时也要尽量避免注入信号对线路产生电磁干扰；产生的特征电量的提取，要能够从包含着电网工频信号的复合电量中提取有注入电源所产生的特征分量。

步骤二：通过支路电流互感器检测各负载支路在特征频率电压作用下的电流if；

步骤三：利用步骤一的特征频率电压uf和步骤二的电流if进行运算得出支路阻抗z：

其中，uf为频率为f的特征频率电压，为uf的导数，if为特征频率电压uf作用下的电流，为if的导数，c为支路的对地电容，ω为频率为f的特征电压角频率，z为根据特征频率电压计算得到的故障线路阻抗，r为支路的接地阻抗；

步骤四：将z的实、虚部的数值分别与公式(2)、(3)对应，联立方程组即可计算得到支路的接地阻抗r和对地电容c；

步骤五：根据接地阻抗值的大小与限定值进行比较，若接地阻抗值小于限定值，则判定此支路发生绝缘故障；

步骤六：监测模块通过电流信号发生器6向故障支路注入特征频率电流；

步骤七：通过漏感电流传感器7检测故障支路各相线上是否存在特征频率电流，从而对故障支路中故障的位置进行定位。对故障支路中故障的位置进行定位的过程为：若某一相线上存在特征频率电流，则此相线产生接地故障，若三个相线上均不存在特征频率电流，则故障支路上的零线发生接地故障。

实施例

依据具体的故障在线监测原理图(见图2)、特征频率电压信号流通路径的等效电路图(见图3)进行分析。

1)该故障检测方案首先需要向系统注入频率为f的特征电压信号uf；

2)然后通过支路电流互感器检测各负载支路在特征频率电压作用下的电流；ea、eb、ec分别为隔离变压器二次侧的三相对称电源，c1、c2、…cn分别为三相支路整体的对地电容。假设支路2出现相线接地故障，r为接地故障电阻。根据特征信号流通等效电路图，可以得到支路2在发生相线接地故障后的电流：

式中if2为支路2的特征频率电压作用下的电流，为if2的导数，uf为特征频率电压，r2为支路2的接地故障电阻，ω为频率为f的特征信号角频率，c2为支路2整体的对地电容。

3)根据式(4)可以计算得到故障支路2的整体阻抗为：

式(5)中uf为给定的特征频率电压值，if2为支路2的特征频率电压信号作用下的电流，可以通过悬挂在支路2上面的支路电流传感器4测量得到。r2为支路2的接地故障电阻，ω为频率为f的特征信号角频率，c2为支路2整体的对地电容。

4)将式(5)进一步分析可以分别得到阻抗的实、虚部表达式：

通过给定的uf和测量得到的if2可以很容易的计算出支路2整体的阻抗z2，将z2的实、虚部的数值分别与公式(6)、(7)对应，联立该方程组即可准确计算得到故障支路的接地阻抗r2和对地电容c2。

5)三相四线制it系统在正常工作情况下其支路是对地绝缘的，其绝缘阻抗值是很大的。在出现支路相线接地故障后，该支路绝缘阻抗会明显减小，因此根据上述方法监测计算得到的支路接地电阻具体数值，能够快速判断该支路是否发生短路故障。

6)故障选线定位整体的工作流程如图5所示，故障选线定位方案主要包含两个部分：故障支路定位8和故障相、零线定位9，故障支路定位可以通过故障监测方法实现，通过故障支路定位可以对系统运行情况进行快速判断并做处理，保障用电安全。故障相、零线定位则是在具体支路上对发生接地故障的相或零线进行选线，利用故障相、零线定位可以简化故障查找工序、缩短工作时间、提升工作效率，实现在故障发生后短时间的精准查找。

通过上述介绍可以了解到，故障支路定位的功能需求可以由实施故障监测方案满足。故障相、零线定位的方法具体介绍参考图4，首先对支路的三条相线a2、b2、c2分别注入频率为fi的特征电流信号，同时将a2、b2、c2分别与零线n组合悬挂漏感电流互感器i2a、i2b、i2c，通过参数设置，漏感电流器采集的信号只针对特征频率电流信号。

7)故障相、零线定位是在故障支路定位基础上进行了，在已经确定配电线路存在故障及具体支路后，针对该支路的故障相、零线定位方案漏感电流互感器输出信号可以分为两种状态，对应的分别是故障定位的两种情况。

相线接地故障：假设在a2相线上出现接地故障后，由图4的等效电路图可以很明显的看到特征电流在经过接地电阻后形成回路，a2相线也就不可避免的存在特征频率电流，而相线b2、c2与零线n没有出现接地情况，相线b2、c2与零线n上也就不存在特征电流，因此只有漏感电流器i2a存在输出信号。所以，可以利用漏感电流器i2a的输出信号来判断是a2相线产生接地故。

零线接地故障：一般正常工作条件下，由于采用了三相四线制it系统，隔离变压器二次侧的相线是与地分离的，因此注入的特征电流信号无法在系统的线路中形成回路，相线a2、b2、c2上也就不存在相应的特征频率电流，而零线由于未接入特征电流信号，零线n上也不存在特征频率电流，故漏感电流器i2a、i2b、i2c的检测没有输出。所以在故障监测判定该条支路存在接地故障情况下三相漏感电流器均没有输出时，表征结果是该条支路上的零线发生接地故障。

上述案例操作过程只为了便于方案理解而做出的说明，其内容较为具体和详细，但并不代表上述内容为本发明专利的限制范围。本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，在不脱离本发明构思的前提下做出的任何变形和改进，都属于本发明的保护范围。