一种小电流接地选线装置及单相接地检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种小电流接地选线装置及单相接地检测方法。
【背景技术】
[0002] 众所周知，电网的输电线路根据变电站变压器中性点接地方式不同，分为直接接 地系统和非直接接地系统，高压输电线路（220kV及以上）属于直接接地系统，又称之为大 电流接地系统。低压线路（IlOkV及以下）属于变压器中性点非直接接地系统，又称之为小 电流接地系统。由于小电流接地系统负责将电力配送到最终用户，因此，又称之为配电网， 简称配网。但由于配网处于人口稠密地区，且线路靠近建筑、居民区等，因此，也容易受各种 干扰造成事故。根据国家电网2015年的技术统计，单相接地约占配网故障的80%。但由于 配网单相接地故障特征不明显，单相接地故障的检测与处理较为困难。为此，国家网公司将 配电网单相接地故障处理技术研究列为2015年重点课题。这说明配网单相接地故障检测 一直未从根本上解决。目前普遍采用的处理方法是拉闸法，即，当发生单相接地故障后，由 于不能判断是哪条线路故障，因此，值班员采取逐一拉闸试验法，如果当某条线路拉闸后， 故障现象消失，则说明故障在该条线路上。这一方法严重影响了居民的供电质量，也影响了 电网公司的供电可靠率指标。
[0003] 从故障特征看，小电流系统发生单相接地后故障相接地电流小，A、B、C三相相位不 变，现场设备可以持续运行一段时间（规程要求2小时以内），这样可增加供电的可靠性。 但是为了使故障迅速消除，降低故障面，就要求及时找到并切除故障线路。自上世纪50年 代末60年代初我国第一台小电流系统接地选线装置研制成功，小电流选线设备已经经历 了几十年的风风雨雨。但实际现场运行结果表明，这种小电流接地选线装置的选线效果并 不理想。大批电力工作者仍致力于提高选线准确率的研究。
[0004] 从检测原理上看，目前检测小电流接地的方法主要有稳态分量法、谐波分量法、暂 态法、小波法。其中，稳态分量法，又分为零序电流比伏法，零序电流比相法，以及群体比伏 比相法。这种方法利用故障线路的零序电流在数值上等于非故障线路零序电流之和，即故 障线路的零序电流最大。这样就通过比较线路零序电流的幅值找出故障线路。这种方法是 一种实验室内理想的方法，对于现场当中各条线路有长有短，各条出线的负载不平衡，所用 电流互感器（TA)也不是完全平衡，这样就造成零序电流最大的线路不一定都是故障线路。 基于以上几点大家除了进行幅值比较外又加上了相位比较，因为故障线路和非故障线路相 位是相反的，这样就弥补了出线不平衡的影响。提高了选线的正确率。但从装置内部来讲 大家对故障量的采样一般都是循环采集，就是分几次采集才把所有的出线的计算数据采集 完毕，这样存在着一个弊端就是没有在同一时刻完全采集所有出线的故障量，就容易出现 误判，这种方法也不适用于消弧线圈接地的系统。
[0005] 谐波分量法，又分为5次谐波大小和方向，各次谐波平方和等方法。但5次谐波含 量太小，不能进行有效的判断，这就成了这种方法的瓶颈。
[0006] 暂态选线法，又分为首半波法和小波分析法。首半波法是基于接地发生在相电压 接近最大瞬间这一假设，此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，利用故障线 路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点实现选线。但这种方 法存在的前提是故障须发生在相电压接近最大值瞬间。
[0007] 小波分析法是利用小波分析原理对信号进行精确分析，特别是对暂态信号和微弱 信号比较敏感，能可靠地提取出故障特征。利用小波变换能把一个信号分析成不同尺度和 位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态量进行变换后，易分辨出故障线路和非 故障线路。
[0008] 以上四种方法，稳态分量法和小波法需要同步分析全部线路的暂态特征，计算量 很大，谐波法因5此谐波含量太小，不能有效检测，暂态选线法建立在假设前提上，实际用 处不大。
[0009] 综上所述，从检测原理上，小电流接地选线尚缺乏可靠有效的方法。
【发明内容】
[0010] 本发明为了解决上述问题，提出了一种小电流接地选线装置及单相接地检测方 法，该发明通过同步监测线路电压和电流相量，实时计算其复阻抗，配网线路正常时，阻抗 较小，且电压电流相位关系较为稳定，当发生单相接地故障时，故障相除了正常电流外，还 产生了对地电流，阻抗有明显的变化，且电流与电压相位也产生了较大的差异。此外，发生 单相接地时，瞬间有一个不稳定过程，接地期间特征更加明显。利用这一方法，在无需与其 它线路的特征比较的情况下，可准确检测出接地线路的故障。该方法不仅有很强的适用性， 而且还大大降低了计算工作量，使检测装置具有很高的性价比，经济和社会效益巨大。
[0011] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种小电流接地单相接地检测方法，包括以下步骤：
[0013] (1)根据电压、电流信号的表现形式及检测目的，确定时间窗及采样周期，计算最 小二乘滤波器；
[0014] (2)计算电压、电流的大小和两者的相位差；
[0015] (3)用复数表示电压和电流的相量值，计算复阻抗；
[0016] (4)当前、后两个采样时间窗内的电压-电流相位差以及阻抗变化均超过各自门 滥值时，则判断发生小电流接地故障。
[0017] 所述步骤（1)中，明确电压与电流信号的表示形式及检测目的的具体方法为：
[0018] 配网出线的电压与相电流经电压互感器和电流互感器变换后，均可表示为如下的 带有直流分量、特征分量及其谐波成分的电压信号：
[0020] 式中：U。一直流分量，代表了信号中的非周期成分；
[0021] A -直流分量衰减时间常数；
[0022] Uk-第k次谐波分量峰值，k = 1，…，M ;
[0023] 9 k-第k次谐波的相位角；
[0024] 〇 一转速角频率，《 = 2 Ji f，f一50Hz，电网工作频率，简称工频；
[0025] 仏和0 :是对应于工频的幅值和相对于采样时间窗的相位角。
[0026] 所述步骤⑴中，确定时间窗的大小以及采样周期的方法为：
[0027] 时间窗，是指CPU -次处理的从第一个米样样本到最后一个米样样本之间的时间 长度，时间窗的大小Tw要等于函数固有周期，采样周期T小于函数固有周期；
[0028] 确定时间窗的大小Tw，以及采样周期T之间后，一个采样窗内的样本数N确定方法 为：N与T w以及T的关系为：
[0030] 所述步骤（1)中，计算最小二乘滤波器的具体方法为：
[0031] 将电压信号的UQe At按泰勒基数展开并取前两项，Uksin(kc〇t+0k)按三角函数展 开，则公式（1)可表示为如下形式：
[0035] ^一第i次采样时刻；
[0036] 由于采样时刻h已知，因此，公式⑷中sin(k〇 t J，cos (k〇 tj为是已知量，将N 个采样方程按公式（4)逐一列出，并得到如下所示一个矩阵方程，将^用T表示：
[0038] 将系数矩阵用A，未知变量矩阵用X，采样矩阵用U表示，则矩阵方程（5)又可表示 如下：
[0039] A ? X = U (6)
[0040] 因此，A是一个N行，2 (M+1)列的定参数矩阵，X是一个2 (M+1)行1列的变量矩 阵，U是一个N行1列的定参数矩阵，令2 (M+l) = N，A就一个方阵，且最高可识别谐波倍数 M = N/2-1，符合申农采样定理；
[0041] 根据矩阵理论，系数矩阵A存在逆矩阵A-I的条件为：I A|乒0,且A*A-1 = I，I为 单位矩阵，即对角线元素为1 ;
[0042] 因此，待测的未知参数矩阵为：
[0043] X = A 1 ? U (7)
[0044] A 1即为最小二乘滤波器。
[0045]所述步骤（2)中，具体方法为：变量矩阵X为，
[0047] 用\表示矩阵X的第i行的元素，则：x 1= U。，即直流分量，且
[0048] X3= U!cos 91;X4= U !sin9J(8)
[0049] 13就是电压或电流矢量的X-轴投影，X 4为振Y-轴投影，因此，电压、电流的峰-峰 值为：
[0054] 配网线路正常工作时，电压相位超前于电流，