10kV架空線路單相接地故障定位方法的研究與實現(xiàn)

1、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 學(xué)號：055a3010400110kv架空線路單相接地故障定位方法的研究與實現(xiàn)research and implementation of the 10kv overhead line single-phase ground fault location method學(xué)生姓名：鄭全爽指導(dǎo)老師：吳雅芹所在院系：網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院所學(xué)專業(yè)：電氣工程及其自動化研究方向：電氣工程及其自動化 東 北 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)中國哈爾濱2012年4月 10kv架空線路單相接地故障定位方法的研究與實現(xiàn)摘要 配電網(wǎng)輸電線路單相接地故障也稱為小電流接地故障，是61 0 kv配電網(wǎng)系統(tǒng)最常發(fā)生的故障。配

2、電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障的選線和定位一直是備受關(guān)注的研究課題。本文綜合多種近年來一些小電流接地故障選線和定位方法的研究文獻，分析了它們的優(yōu)缺點，提出了一種全新的小電流接地故障選線和定位的方案，并開展一些前期的實驗工作。在配電系統(tǒng)中變電站通過pt向電網(wǎng)注入相位差為120度的三相正弦信號，作為故障診斷信號，在正常情況下注入的三相診斷信號從線路分布的電容和其它變電站的ct經(jīng)大地返回信號注入點，返回的信號兩相抵消，和為零：當有小電流接地故障發(fā)生時，對故障相的診斷信號將從故障接點經(jīng)大地返回，破壞了原三相信號的抵消性，在信號注入點的ct將檢測到失衡電流。根據(jù)故障發(fā)生的相線可實現(xiàn)單相接地故障選線，應(yīng)用鎖相技術(shù)對

3、返回的信號提純、放大，并得到注入信號與返信號的相位差，可進一步計算得到接地故障發(fā)生點的距離，從而實現(xiàn)故障點的定位。文章分四個部分說明了l 0 k v配電網(wǎng)單相接地故障選線定能方案的研究意義和背景、系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理、系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)和總結(jié)。關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng) 10kv線路 接地abstract power distribution network one-phase ground fault also called the small current grounding fault, it is 6 1 0 kv power distribution network system the mos

4、t often the fault occurred unique original. single-fault to liver failure. ground fault location and orientation of has been of concern research subject. wenzong sets in various in recent years a few small current spindle fault location positioning method to design the research literature, this pape

5、r analyzes current ground fault location and the location of the project, and to develop some of the early experiments. in the distribution system through to power substation pt into the phase difference is 120 degrees of triphase signal, as a fault diagnosis signal, in normal conditions of the thre

6、e-phase permeability broken into the signal from the line distributed capacitance and other transformer substation of the return signal into the ct point, return signal two phase offset, and zero: when there is the small current grounding faults, the fault phases, diagnosis signal will return to the

7、 earth from the fault contacts, damaged the three-phase signal offset sex, in signal into the ct screening states will point to the current imbalance. according to the fault occurred in the line to achieve single filipacchi ground fault location, the application of phase lock technology to the signa

8、l with the purification and amplification, and get into the signal and return signal of the phase difference, can be calculated step ground fault occurrence point distance, so as to realize the fault point positioning.the article points that the four parts of the l 0 k v power distribution network o

9、ne-phase ground fault location will surely plan research significance and the background, the system of the whole structure principle, system each part of the realization and summarized.key words: distribution network,10 kv power line, ground 目 錄摘要abstract1 前言1 11 10kv配電網(wǎng)單相接地故障選線和定位的重要性1 12 近年來相關(guān)研究結(jié)

10、果的情況12. 10kv配電網(wǎng)單相小電流接地故障選線測距系統(tǒng)整體方案2 21 配電網(wǎng)及其常見故障2 22 中性點接地方式對單相接地故障結(jié)果的影響3 2.2.1直接接地方式-3 2.2.2電阻接地方式 4 2.2.3消弧線圈接地方式42.2.4不接地方式423 輸電線路的電氣特性5 2.3.1輸電線路的等效線路5 2.3.2線路參數(shù)的計算方法624 10kv配電網(wǎng)單相接地故障選線和定位方案原理8 2.4.1選線原理8 2.4.2測距原理82.5系統(tǒng)所能達到的指標的估計113. 10kv配電網(wǎng)單相小電流接地故障選線測距的實現(xiàn)12 31三相正弦信號的產(chǎn)生12 3.1.1文氏橋氏正弦波發(fā)生器+移相器方

11、法123.1.2鎖相頻率合成法133.1.3直接數(shù)字頻率合成法133.1.4三路da+低通濾波平滑方法14 32 音頻信號的放大和注入15 3.2.1功率放大電路應(yīng)注意的問題15 33 返回信號的放大和提純處理15 3.3.1信號的放大15 3.3.2信號的提純處理16 34主站和從站的通信實現(xiàn)173.4.1gsm網(wǎng)絡(luò)的無線通信173.4.2gprs通信方式184.總結(jié)185.參考文獻18- 20 -1 前言 1.1 10kv配電網(wǎng)單相接地故障選線和定位的重要性 由于配電網(wǎng)本身復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致配電網(wǎng)故障率高，主要反映為故障跳閘、電氣設(shè)備的損壞和繼電保護越級跳閘而造成大面積的停電等方面，這些故

12、醉不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，其至造成嚴重的人身傷亡。引起配電網(wǎng)故障的原因主要有雷擊事故、污閃故障、鐵磁諧振過電壓、弧光掃地過電壓和單相小電流接地故障等原因。其中對10kv配電網(wǎng)系統(tǒng)，單相小電流接地故障是配電網(wǎng)發(fā)生幾率最高的故障類型，約占所有故障次數(shù)的80雖然規(guī)程規(guī)定10kv配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后配電網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)運行2小時，但由于我國10kv輸電線變壓器一側(cè)采用三角形接法，沒有中性點引出，一般也沒有安裝消弧線圈，發(fā)生單相接地故障后，非故障線對地工頻電壓升高，用電設(shè)備處于過電壓運行狀態(tài)，因而單相接地故障可能會進一步發(fā)展為兩點或多點故障或相間短路。引起跳閘停電事故，其至造成電纜爆炸、pt燒毀等事故

13、，造成巨人的經(jīng)濟損失和人員仇亡。因此準確地確定單相小電流接地故障的故障點位置，并及時地排除故障顯得非常重要。另一方面，現(xiàn)常見的10kv配電網(wǎng)一般采用中性點接地方式運行，當線路發(fā)生單相接地故障時，由于不能構(gòu)成低阻抗的短路回路，接地短路電流很小，僅表現(xiàn)為小電流接地(這正是把單相接地故障稱為小電流接地故障的原因)且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多為樹枝狀輻射型由單端電源供電，所以發(fā)生單相接地故障后，不易確定是哪一相輸電線發(fā)生了小電流接地故障，更難以準確地確定發(fā)生單相接地故障點的確切位置。對于這種情況，目前通常依舊采用拉路法進行單相接地選線，用人工巡線目測尋找接地點，使電力部門耗費了大量的人力、物力。這兩種落后的力法與當代

14、的電網(wǎng)高度自動化水平及不相適應(yīng)。小電流接地系統(tǒng)單相接地選線與定位問題，成為困擾電力系統(tǒng)數(shù)十年的難題。許多電力工作者為解決這一問題曾做出了長時間的巨大努力，進行了不斷的探索。 1.2 近年來相關(guān)研究結(jié)果的情況文1提出了通過變電站側(cè)的pt向10kv配電線路接地相注入基波頻率f0介于工頻n次諧波與n+1次諧波之間的“s信號”電流，再應(yīng)用中心頻率為f0的帶通電流探測器沿接地線進行走探測，注入信號消失點即為故障接地點：對分支線路的情況，則在兩個分支點離分支點10米的地方分別探測，檢測到注入的“s信號”的分支為故障分支。文2對文1進行了改進，在故障停電后向接地線路外加恒定直流高壓使接地點保持擊穿狀態(tài)，再以

15、文1的方法判定故障位置，從而解決了文1在故障停電后絕緣恢復(fù)和定位困難的問題。以上這兩種方法不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和線路參數(shù)的影響，也不受分布電容和過渡電阻的影響，對有無分支線路均適用定位精度高，這兩種方法還是需要人工沿線行走探測，只是在一定程度上配電網(wǎng)小電流接地故障發(fā)生后提高了故障選線和定位效率，還沒實現(xiàn)小電流接地故障選線和定位自動化。自20世紀30年代德國人用零序電流的極性來判斷按地線路以來。零序電流便成為小電流接地系統(tǒng)單相接地選線的方法之一，文3即是用零序故障電流在主線兩側(cè)的分布系數(shù)與故障位置的對應(yīng)性實現(xiàn)故障定位，缺點是它只適合電纜架空出線裝有三相ct的情況，而且故障點只能歸結(jié)為分支與主線的聯(lián)接點，

16、準確故障距離無法確定，因此實用性不強。文4從模量分量分解原理出發(fā)驗究配電線路故障測距算法?；诮拥刈杩篂榧冏栊缘募僭O(shè)求解定位方程式實現(xiàn)故障測距。但實際上接地阻抗并面純阻性，使測量定位結(jié)果有很大的誤差。文5基于對稱分量分解的原理，建立了線路分布參數(shù)模型從單相接地的特點“單相接地故障”，無論接地阻抗是否為純阻性，撥地故障點相(a相)對應(yīng)的的正、負，零序電流分量和相位均相等出發(fā)對測距判據(jù)進行了研究并構(gòu)造了判據(jù)函數(shù)，提出了利用單側(cè)信息的配電線路單相接地故障測距算法此法對單條線路和帶分支的線路均有效，并且與接地電阻是否純阻性無關(guān)。但經(jīng)分析，該算法必須事先知道配電網(wǎng)負載的等效電阻值，而實際上配電網(wǎng)的負載會

17、隨著用電情況的變化而發(fā)生變化，因此在現(xiàn)實的配電網(wǎng)中不太適用。綜合了上述文獻所提出的各種方法的優(yōu)缺點后。我們設(shè)計了以下的單相接地故障選線和定位的方案。2 10kv配電網(wǎng)單相小電流接地故障選線測距系統(tǒng)整體方案 21 配電網(wǎng)及其常見故障配電是電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電和配電（有時也稱供電和用電)中直接面向電力用戶的環(huán)節(jié)。配電系統(tǒng)由配電網(wǎng)(其中包括饋線、降壓變壓器、斷路器、各種開關(guān)等的配電設(shè)備)、繼電保護、自動裝置、測量儀表以及通信和控制設(shè)備等構(gòu)成，按照一定的規(guī)則運行，以高質(zhì)量的電能，持續(xù)地滿足電力用戶的需求。所謂配電網(wǎng)是指110kv及110kv以下電壓等級的電網(wǎng)。通常把110kv、35kv級稱為高壓，10k

18、v級稱為中壓0.4kv級稱為低壓。目前配電自動化所涉及的主要是10kv及其以下的電網(wǎng)包括10kv中壓和0.4kv低壓，其中最主要的是10kv中壓系統(tǒng)。其范圍一般是從變電站的主變低壓10kv側(cè)和10kv母線開始，直至電力用戶為正。由于配電網(wǎng)本身復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致配也網(wǎng)故障率高，從發(fā)生故障的部位分，架空線上的故障有10，架空高壓配電線的故障有70地下電纜、變電所、發(fā)電廠占10，其它占10；從發(fā)生的原因看，由于自然現(xiàn)象引起的故障占65(雷擊：45，冰雪風(fēng)雨：20)，由于樹枝或其它物體接觸導(dǎo)線引起的故障占20，因操作不當和設(shè)備缺陷引起的故障占15。發(fā)生在高壓配也線上的故障最多，因為它架設(shè)在人員生活的地

19、區(qū)，受到雷擊的概率也最大。線路發(fā)生故障時，影響與它連接的較大范圍的用戶供電。在雙回線送電的同路中。發(fā)生的故障種類主要是單回線中的單相接地故障(70)、兩線接地故障(10)、引起雙回線的故障(10)，三相短路12年發(fā)生一次左右，斷線幾乎沒有。由此可見，單相接地故障高達70，是配電網(wǎng)故障中最主要的故障類型。 22 中性點接地方式對單相接地故障結(jié)果的影響由發(fā)電機發(fā)出的三相功率，經(jīng)變壓器升壓再經(jīng)過長距離的輸送到達用戶附近的變電所之后，再經(jīng)過分級降壓才能送到用戶。在三相變壓器的中性點上直接接地、通過電阻接地或消弧線圈接地、不接地，其種類因電壓大小等級而定。 2.2.1直接接地方式現(xiàn)今110kv及以上電網(wǎng)

20、中都采用中性點直接接地方式。在這種方式下。變壓器中性點通過金屬線直接接地，中性點就不可能積累電荷而發(fā)生電弧接地過電壓，即使發(fā)生單相接地，健全相的對地電壓也不會升高。因此可以降低線路設(shè)備的絕緣水平，但是由于接地為短路故障，特別是瞬間接地短路故障，接地故障電流很大，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，有可能給設(shè)備帶來機械或電磁的損害。因此直接接地方式的系統(tǒng)需要具有高性能的繼電器和斷路器，以便能快速地切除線路故障。故障排除后再依靠重合閘恢復(fù)正常供電。同時為降低電磁感應(yīng)的危害，要安裝屏敝線。 2.2.2電阻接地方式在35kv110kv的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，一般采用中性點通過電阻接地的方式。故障發(fā)生時，通過中性點的電阻來限制

21、短路電流，其主要的是為了限制單相接地時因為三相不平衡，從而對通信線路產(chǎn)生電磁干擾。故障時雖然健全相的電壓升高了，但是，這個電壓本身比其超高壓系統(tǒng)來說小得多，設(shè)備的絕緣強度還是可以得到保證；同時，接地故障電流降低，故一般通過零序電壓和零序電流組舍的方式，來檢測接地故障。 2.2.3消弧線圈接地方式抵消線路的分布電容，避免故障發(fā)生設(shè)備在工頻下產(chǎn)生電磁共振，中性點可通過消弧線圈接地。這樣當發(fā)生單相接地故障時，由于電容和電感抵消，使接地電流為零，電弧自然就沒有了，斷路器不切除也可以。但近年來這種接地方法應(yīng)用較少其原因是系統(tǒng)接線變化時，必須凋整消弧線圈的值，同時，隨著配也網(wǎng)規(guī)模變大，其系統(tǒng)的電阻量達到不

22、能忽視的程度，做不到完全抵消分布電容。 2.2.4不接地方式對較低電壓等級的電網(wǎng)若采用中性點接地的運行方式，則其接地事故頻繁將引起斷路器工作切斷出路，使供電可靠性降低，考慮到有些單相接地故障是由于風(fēng)搖擺樹枝碰觸輸電線引起的，單相接地只是短時間內(nèi)，故障一股會隨著樹枝離開配電網(wǎng)而解除，所以我國335kv甚至60kv的配電網(wǎng)中性點采用直接接地運行方式。在這種方式下，單相接地時的接地電流是線路分布電容和電流，這個也流很小，而非故障線對地工頻電壓升高，用電設(shè)備處過電壓運行狀態(tài)。雖然在短時內(nèi)配電系統(tǒng)可以在過壓狀態(tài)下運行，但時間長了，故障有可能擴大單相接地故障可能會進一步發(fā)展為兩點或多點故障或相問短路，引起

23、跳閘停電事故，甚至造成導(dǎo)致電纜爆炸、pt燒毀等事故。造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。本文研究對象是10kv配電網(wǎng)單相接地故障選線和測距。故下文只分析不接地運行的情況。在這種情況下，發(fā)生單相接地故障時，在變壓站ct上檢測到的接地電流很小采用零序電流和零序電壓等方法不易確定故障接地點的確切位置，但正如上文所述，短時內(nèi)配電系統(tǒng)可以在過壓狀態(tài)下運行，而且按規(guī)程規(guī)定10kv配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后配電網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)運行2小時，因此，系統(tǒng)可以采用相對復(fù)雜和費時的方法實現(xiàn)單相接地故障的選線和定位工作。 23 輸電線路的電氣特性 2.3.1輸電線路的等效線路電力系統(tǒng)是以三相交流方式運行的，在正常方式下三相是對稱的

24、，故要理解三相電路的電氣特性，只要考慮一相電路即可。輸電線路可以由電阻r、電感l(wèi)、電容c、電導(dǎo)g構(gòu)成的等效電路來表示對不同輸電距離和工作情況下的輸配電線，應(yīng)采用不同的等效電路來表示。(a)短距離輸電線路(100km)或故障發(fā)生后的輸電線路圖3：遠距離輸電線路(100km)或故障發(fā)生后的輸電線路的等效電路連接遠距離的發(fā)電廠和城市地區(qū)的長距離輸電線距離較遠(100km)或電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，導(dǎo)線上的電壓和電流是作為一種波動在輸電線上傳送，這種情況下，需要進行嚴密的分析。輸電線的參數(shù)應(yīng)該用分布參數(shù)的r0、lo、c0、g0來構(gòu)成等效電路(如圖3)r0、l0、co、g0分別為單位長度的輸電線路的各分布電

25、阻、分布電感、分布電容和分布漏電導(dǎo)。 2.3.2線路參數(shù)的計算方法如上所述，輸電線路可以用 r、l、c、g組合的等效電路來表示，r、l、c、g叫做線路常數(shù)，它是代表輸電線路和電氣特性的重要參數(shù)。(a)電阻r輸電線的電阻是由導(dǎo)體的材料決定的，現(xiàn)在用的線路導(dǎo)體多采用多股硬銅線和硬鋁線并用的導(dǎo)線。設(shè)導(dǎo)線的截面積為smm2，則單位長度的電阻rqkm可由下式算出：一般地，單位長度的架空導(dǎo)線的電阻r大約是0010 05歐姆/km地下電纜的電阻r人約是0010 03歐姆/km。(b)電感l(wèi)輸電線的電感l(wèi)由各相導(dǎo)線的幾何形狀決定的。對稱三相輸電線的電感叫自感，單位長度的輸配電線，每相的平均電感由下式?jīng)Q定：式中

26、de m是等效線距，re m是等效，r是直徑。設(shè)三相導(dǎo)體之間的線間路距離為離為d12m, d23m, d31m,導(dǎo)體的半徑為。rm，則de m, re m為一般地單位長度的架空線路的電感是081.3mhkm，地下電纜的電感是02-04mhkm，另外電抗wl是電阻r的數(shù)十倍，故正如前文所述只有短距離的輸電線才可以用筒單的等效電路表示。(c)電容c輸電線的電容也和電感一樣，其值也由各相導(dǎo)線之間的兒何形狀來決定，對稱三相輸電線的電容量叫線間電容，單位長度輸配電線上，每相的平均容量可由下式求出.一股的每單位架空線的電容是000800015，電纜線的電容是0306。(d)漏電導(dǎo)g輸電線的漏電導(dǎo)線是由于絕

27、緣介質(zhì)和絕緣子的漏電流引起的，一般是非常小的。因此它對導(dǎo)線的輸電特性幾乎沒有多大的影響，故實際上可以忽略不計。 24 10kv配電網(wǎng)單相接地故障選線和定位方案原理 2.4.1選線原理我國目前10kv配電網(wǎng)的變壓站的y和繞組一般均安裝有三相電壓傳感器pt和零序電流探測器ct，這是我們設(shè)計的單相接地故障選線和定位方案的硬件基礎(chǔ)。以10kv系統(tǒng)、pt一二級變比為100為例，正常運行時，三相電壓均為10kv，故pt副邊電壓為：當發(fā)生單相接地故障時故障相輸電線對地電壓變?yōu)?，而非故障相的輸電線對地電壓變?yōu)樵瓉淼?倍，處于過壓狀態(tài)。故發(fā)生單相接地故障后，pt副邊電壓變?yōu)?以a相為例)：通過測量pt副邊電壓

28、的變化，可判斷出接地相別，從而實現(xiàn)單相接地故障選線。2.4.2測距原理電壓傳感器pt原本的作用是將輸電線高壓經(jīng)變壓變比后降為低壓，以利于電壓測量，我國目前10kv配電網(wǎng)的pt主副邊變壓比一般為10000：100，故主副邊的變流電壓將為100：1。若我們反其道而行，向pt的副邊加入一強度為v的正弦信號，則在pt的主邊上將感應(yīng)出強度為100v的信號，“s信號”注入配點網(wǎng)輸電線的原理。文1和文2只向故障相注入“s信號”作為故障診斷信號，使單相接地故障發(fā)生后，故障定位工作大為簡化(雖然還是需是人沿線行走探測)。由此啟發(fā)我們，若在三相輸電線均加入診斷信號，應(yīng)當是更有希望實現(xiàn)故障定位的方法?？紤]到：即幅度

29、相等，相位依次相差l20度的三路同頻正弦信號，其和值為零。基于這個原理我設(shè)計了如以下的10kv配電網(wǎng)單相接地故障測距方案。圖4：10kv配電網(wǎng)單相接地故障選線和測距原理如圖在配電網(wǎng)m點處變電站的三相pt二次端a、b、c處加入三個幅值相等、相位依次相差120度的同頻正弦信號其頻率介于配電網(wǎng)：工頻50hz的n次諧波與n+l諧波之間，即注入信號的頻率f應(yīng)滿足：50nf50(n+1)。注入的三相正弦信號經(jīng)pt耦合感應(yīng)到pt的一次端，從而注入到配電網(wǎng)的三相輸電線中，作為故障診斷信號。在正常情況下診斷信號從配電網(wǎng)的分布電容和其它變電站的ct經(jīng)大地返回信號注入點(圖4：m點)，因三相診斷信號的相位依次相差1

30、20度，診斷信號的傳輸條件義相同故返回信號的相位差也依次相差120度由(6)式，其和ff值為零，在信號注入點ct上檢測不到電流。當配電網(wǎng)的某一相(例如a相)輸電線發(fā)生單相接地故障時，故障相的對地，工頻電壓變?yōu)榱?，非故障相處于過壓狀態(tài)。接地故障點為p(如圖4)。則對故障相，診斷信號將從故障接地點(p點)經(jīng)大地返回到信號注入點的ct，從而破壞了原返回信號的三相抵消性，返回信號之和將不再為零，信號注入點(m點)的ct上將檢測到頻率與注入信號頻率相同的電流信號，這個信號與原注入信號有一個相位差。當然單相接地故障發(fā)生后，在ct上還將檢測由于三相失衡而產(chǎn)生的單相接地工頻電流，但因工頻電流頻率額定為50hz

31、，應(yīng)用中心頻點為50hz的限波器即將其濾除故可不加考慮，而只考慮注入的診斷信號。根據(jù)文獻1的實驗結(jié)果，10kv配電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障后，在故障相輸電線注入診斷信號，則用靈敏電流檢測計在接地點前后探測結(jié)果約為100：1。可見，發(fā)生接地故障時，絕人部分的診斷信號電流將從接地點經(jīng)人地返回信號注入點，只有少部分從接地點后的分布電容和另端ct經(jīng)大地返回信號注入點或近似地可認為，發(fā)生單相接地故障時，對故障相而言，在接地點之后將檢測不到注入的正弦診斷信號。這樣，在診斷信號注入點(m點)與接地點(p點)之間的線路，配電網(wǎng)上三相正弦診斷信號均可從分布電容經(jīng)人地返回診斷信號注入點，因三相傳輸條件一樣，從mp之間

32、分布電容返回電流幅值和相位也應(yīng)相同故診斷信號在mp點之間三相輸電線上從分布電容經(jīng)大地返回信號信入點的電流之和應(yīng)為零；在接地點(p點)之后，故障相輸電線上無診斷信號，而其它兩個正常相上正弦診斷信號仍然存在，會從分布電容經(jīng)大地返回診斷信號注入點，由于對地電容的分布性這兩個正常相輸電線返回注入點的電流將表現(xiàn)為相位連續(xù)的一系列同頻正弦小信號，可認為是噪聲，應(yīng)用鎖相或數(shù)字信息處理手段可以將其去除。又從另端ct返回的電流和故障接地點電流相比很小可忽略不計，從而，最終返回信號注入點(m點)的電流值將近似等于注入的診斷信號在故障相接地點的電流。應(yīng)用中心頻點等于注入的正弦信號頻率的帶通濾波器，即可得到單相接地故

33、障發(fā)生后診斷信號從接地點返回的電流信號，將這個電流和原始注入的診斷信號相比得到返回信號和注入信號的相位差v，這個相位差v包括二個部分：由電磁波在輸電線上的傳輸帶來的傳輸延時引起的相差，由于輸點線分布電容和分布電感引起的相差lc，由接地電阻非純阻性而引起的相差 (有可能滯后也有可能超前)，即：記wro為電磁波在單位比變輸電線上傳輸帶米的相位時延，vlco為單位氏度傳輸線因分布電容和分布電感帶來的相差，則上式可改寫為：式中，lmp為診斷信號注入點和單相接地故障點的距離，wro+wlco的值用實驗的方法測出。因wc不能直接確定，故從n點的pt副邊也注入三路完全相同的診斷信號，類似地故障發(fā)生時，返回信

34、號與診斷信號也將存在一個相差，記為v7，同理，lf滿足：又lmn可由配電網(wǎng)的拓樸結(jié)構(gòu)得到， 聯(lián)立三式，可求得lmp，即單相接地故障點到診斷信號點之間的距離。 2.5系統(tǒng)所能達到的指標的估計由上文的選線測距原理可知，配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，故障選線的正確率為100%，而測距結(jié)果精度與注入的診斷信號的頻率和相差的求解精度相關(guān)。真空中電磁波傳播速度為常數(shù)c，對配電網(wǎng)而言由于輸電線存在分布電感和分布電容，電磁波在輸電線中的傳播速度將會有所降低，具體值可由前文長距離輸電線路的等效電路模型算出，一般文獻中，這個值取為善f，即每秒鐘20萬公里。故系統(tǒng)的主要指標理論估計如下： 最大無模糊距離決定可注入的診斷

35、信號頻率式中u為電磁波在輸電線中的傳播速度，c為電磁波在真空中的傳播速度，f為注入的診斷信號頻率。當f取 220hz，則這個值遠大于一般的10kv配電網(wǎng)兩變點站之間的距離，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計目的。測距分辨力由可知，測距分辨力取決于p和p7即返回信號與注入信號的相位差求解精度，由于式中的計算中已用兩端測量的方法抵消了接地電阻的非純阻性帶來的相位延時相位延時值只受電磁波在帶有分布電容和分布電感的輸電線中傳播速度的影響故對相位延時求精度為01。的情況，測距分辨力r為：當f取220hz則這樣，就把單相接地的故障發(fā)e點定位在一個比較小的范同內(nèi)。從而加快了故障定位和排除工作。3 10kv配電網(wǎng)單相小電流接

36、地故障選線測距的實現(xiàn)10kv配電網(wǎng)單相小電流接地故障選線測距的實現(xiàn)包括三相正弦診斷信號的產(chǎn)生、診斷信號的功率放大和注入配電網(wǎng)、返回信號的提取放大利提純、診斷信號和返回信號的相差計算、不同信號注入和測量點間的數(shù)據(jù)通信等。其中難度最大是返回信號的提純放大和注入信號與診斷信號的相莘計算，對測距結(jié)果的精度影響也最為關(guān)鍵。 31三相正弦信號的產(chǎn)生整個系統(tǒng)工作的前提是產(chǎn)生高頻率純度、低相位抖動的三相正弦診斷信號，而且要求這三相正弦信號的幅值相等、頻率同步可調(diào)。為此，我們設(shè)汁了以下四種方案 3.1.1文氏橋氏正弦波發(fā)生器+移相器方法此法是先用文氏橋式正弦波發(fā)生器產(chǎn)生所需的正弦信號。再分三路分別送到移相器進行

37、移相，從而得到三個幅頻相等而相位依次相等120度的正弦信號。用集成運放搭建成的正弦波發(fā)生器 3.1.2鎖相頻率合成法由于文氏橋氏正弦波發(fā)生器要求r1=r2=r,c1=c2=c，而且最終產(chǎn)生的正弦信號頻率完全取決于r,c的值，這對電阻和電容的精度提出了很高的要求，我們要求的正弦信號精度至少達到10的6次方量級，通常的電阻和電容達不到這樣的精度，產(chǎn)生的正弦信號有較大誤差。 更好模擬頻率合成的方法是應(yīng)用鎖相頻率合成，其基本方法是：鎖相環(huán)對高穩(wěn)度的參考振蕩器鎖定，環(huán)內(nèi)串接可編程的分頻器，通過程序改變分頻器的分頻比n，從而得到n倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。鎖相頻率合成器的頻普純度高、相位噪聲小，非常適合于測距

38、系統(tǒng)。 早期的頻率合成器都是用分立元件或小規(guī)模集成電路板搭建，線路復(fù)雜，可靠性低，功耗體積大，成本也比較高，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，頻率合成器逐漸向全集成化的方向發(fā)展，美國的motorola公司等相繼推出了多種中、大規(guī)模的集成鎖相環(huán)頻率合成器，把頻率合成器的主要部件集成在同一芯片上，只要少量的外接元件就可構(gòu)成完整的頻率合成器。 3.1.3直接數(shù)字頻率合成法 因為系統(tǒng)在測距是希望用多種頻率的三相正弦診斷信號，它要求頻率合成時輸出的頻率可調(diào)，然而模擬器合成技術(shù)不管是文氏橋氏正弦波發(fā)生器還是鎖相頻率合成法均不便于用微控制器和單片機控制輸出的頻率：而且正弦信號產(chǎn)生后應(yīng)用移相器對信號移相時，移相的精度

39、嚴重依整于移相電路元件的精度，常用的元件電器達不到所需的精度要求。所以我們引入了數(shù)字頻率合成技術(shù)。直接數(shù)字合成技術(shù)是一種很好的數(shù)字頻率合成技術(shù)，它主要由參考頻率源、相位累加器、正弦函數(shù)波形存儲器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成。dds根據(jù)奈奎斯特取樣定理，從連續(xù)信號的相位中將一個正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個正弦函數(shù)表，正于eprom中。dds 工作時，相位累加器在時鐘正的作用下以步長k作模2“加法(其中k為頻率控制字n為相位累加器的位數(shù))，再按相位累加器輸出的相位碼尋址eprom中固化的正弦函數(shù)表得到相成的正弦幅值數(shù)字量，經(jīng)da得到階梯正弦波，低通濾波器平滑，即得到我們所需的正弦波進行數(shù)合

40、成時。在eprom正弦函數(shù)表取樣頻率不變的情況下，通過故變相位累加器的頻率控制字k來改變相位增量，相位增量不同將導(dǎo)致一同期取樣點數(shù)不同。dds最終的輸出的頻率由頻率控制字k，相位累加器的位數(shù)n和參考時鐘源決定因此，dds芯片具有輸出頻率和相位程控可調(diào)，很高的頻率分辨力、很小相位抖動性，以及頻率轉(zhuǎn)換時相位保持連續(xù)性等特性，易于微處理器控制，實現(xiàn)各種頻率、相位的信號合成。例如ad9854芯片即是美國analogdevice公司于1999年推出的cmos工藝dds單片集成電路，其參考時鐘頻率可達300mhz(按輸出最高頻率為時鐘頻率的40計算，最大輸出頻率可達120mhz)內(nèi)含48位的頻率控制字最小

41、頻率分辨力可達000lhz，14位的相位寄存器，兩路12位da轉(zhuǎn)抉器可輸出正弦和余弦信號。在程序控制下，ad9854可方便地產(chǎn)生包括fsk、psk、am等啁制信號。應(yīng)用三片dds芯片將其頻率控制字設(shè)為同一個值而相位控制字依次相差120度即可產(chǎn)生三路頻率相等、相位依次相差120度的正弦信號。需要注意的是，微控制器對三片dds芯片的頻率控制控度特別是相似控制字的更新應(yīng)做到嚴格的同步這樣才能保證三片dds芯片輸出的正弦信號的相位精確地依次120度。 3.1.4三路da+低通濾波平滑方法考慮到一片dds一般只能產(chǎn)生一路正弦信號，要產(chǎn)生三路正弦信號需三片高性能的dds芯片，成本比較高。因此，我們設(shè)計了以

42、下產(chǎn)生三相正交正弦信號的方案：三弦信號產(chǎn)生子系統(tǒng)主要由一組帶溫度補償?shù)母呔染д?、一個頻率選擇器、一個n分頻的預(yù)分頻器、一個計數(shù)器、三片用于存貯正弦函數(shù)表的eeprom、三個高速da芯片和三路lp f低通濾波平猾電路組成。帶溫度補償?shù)母呔染д窠?jīng)分頻器幣作為系統(tǒng)的參考時鐘源，在參考時鐘源的上升沿，計數(shù)器加1，然后在參考時鐘的下降沿，eeprom根據(jù)計數(shù)器當前的計數(shù)值q同步尋址，得到三個相位相差120度的正弦信號輻值，在第二個參考時鐘的上升沿，da完成數(shù)模轉(zhuǎn)化，經(jīng)lpf低通濾波平滑后得到三相正交的正弦信號。子系統(tǒng)設(shè)計要點是交替在參考時鐘第一個上升沿計數(shù)、在r降沿從存于eeprom的正弦函數(shù)表中讀

43、取正弦幅值、在第二個時鐘上升沿對數(shù)字化的正弦幅值進行da轉(zhuǎn)化，同時開始下一個計數(shù)，從而使得計數(shù)、查正弦函數(shù)表、da轉(zhuǎn)化在參考時鐘的上、下觸發(fā)邊沿交替錯開進行。否則若計數(shù)器和eeprom同在時鐘信號的上升沿(或下降沿)工作，就有可能出現(xiàn)計數(shù)同時 eeprom也開始輸出而這個時候，計數(shù)器的輸出值還未穩(wěn)定，出現(xiàn)不穩(wěn)態(tài)，對eeprom和da也是如此。而交替應(yīng)用時鐘上升沿和下降沿觸發(fā)計數(shù)、尋址和啟動da，消除了這種不穩(wěn)態(tài)。 32 音頻信號的放大和注入因為若加到配電網(wǎng)的診斷信號的功率較小，從故障接地點返回的信號也就很弱，不便于我們對返回信號進行處理，因為加到配電網(wǎng)的診斷信號的應(yīng)有一定的功率，經(jīng)分析，這個功

44、率以100w左右為佳。而經(jīng)da出來的信號功率很小，故正弦信號注入到p1、副邊前應(yīng)先應(yīng)用功率放大電路將信號放大，以保證從接地故障點返回的診斷信號具有一定的強度。 3.2.1功率放大電路應(yīng)注意的問題放大電路實質(zhì)上都是能量轉(zhuǎn)換電路，從能量控制的觀點來看，功率放大電路和電壓放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別。但是功率放大電路和電壓放大電路所要完成的任務(wù)是不同的，包含著一系列在電壓放大電路中沒有出現(xiàn)過的特殊問題這些問題是：要求輸出功率盡可能大：為了獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作：效率要高于輸出功率因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個效率問題。所謂

45、效率就是負載得到的有用信號功率和電源供給的直流功率的比值，這個比值越大，意味著效率越高；非線性失真要?。汗β史糯箅娐肥窃诖笮盘栂鹿ぷ鳎圆豢杀苊獾貢a(chǎn)生非線性失真，而同一功放管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾，這根據(jù)不同場合、對非線性失真的要求不同，做適當?shù)娜∩幔篵jt的散熱問題：在功率放大電路中，有相當大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使管殼溫度升高，故一般應(yīng)為功放管安裝散熱裝置。 33 返回信號的放大和提純處理因為定位測距原理是比較注入的診斷信號和從接地點返回的信號的相位差間，而信號在輸電線上傳播不可避免地會發(fā)生衰減和畸變，為了比較故障相返回信號

46、診斷信號的相差，必須先對返回的信號進行放大和提純。 3.3.1信號的放大診斷信號經(jīng)線路傳輸，再從故障接地點經(jīng)大地返回信號注入點后，已經(jīng)衰減到一個很小的電流值，很難直接用數(shù)字或鎖相的方法求返回信號和注入信號的相差，故需對返回信號進行電流放大處理。tcl450213i是美國tj公司出品的自穩(wěn)零軌對軌精密cmos集成功放其輸出失調(diào)電壓很小(40uv)，輸入失調(diào)電流僅為lpa，開環(huán)增益達120db。這樣，當加在集成運放反相端的電流為i。為，由于運放的輸入火調(diào)電流很小，可認為全部的電流均流向經(jīng)rl、r2流向遠放的輸出端。又由“慮短”概念。運放的反相端電壓等1：同相端電壓等于25v，故運放輸出電壓v為：

47、3.3.2信號的提純處理帶通濾波器過濾去了50hz工頻電流的影響也使200hz一400hz以外的噪聲得到衰減，故經(jīng)上述信號放大處理后在信號注入點的ct上檢測刨的電流信號將基本反映了注入信號的返回波形，但不可避免帶有噪聲的干擾，特別是200hz-400hz頻帶的噪聲。噪聲和純減的信號疊加在一起會干擾信號，使原米的信號失真。故我們需對信號進行提純。常用的測量被噪聲埋沒了的信號是鎖相放大的方法。鎖相放大器不容易受到噪聲影響的原因是因為很好地利用了噪聲(白噪聲)與目的信號(正弦波)之間在性質(zhì)上的差別。噪聲(白噪聲)在寬闊的頻率范圍內(nèi)具有幾乎相同的頻譜。若用毫伏計測最白噪聲時，得到的測量值和白噪聲所具有

48、的頻譜帶寬b的平方根以及電平成比例，即對于同樣的噪聲，如果帶通濾波器(bpf)來限制所通過的頻帶，那么測量所得的電壓值就會不同，頻道寬度如果縮小到1/100那測量所得的噪聲電壓就縮小到1/10.測量所得的噪聲電壓(vrms)，除以頻帶寬度的平方根，就得到噪聲電壓密度。而我們要測量正弦信號頻譜非常集中，例如，對lkhz正弦波信號的頻譜，只存在于1 khz的位置。其他地方的頻譜的電平都為零。故測量所得的電壓保持一定的值，與頻帶寬度無關(guān)。故對白噪聲與正弦波進行加法運算所得的信號，當帶通濾波器的頻帶寬度變狹窄縮小到的1n時，那么噪聲就減小到(1n)而信號卻不改變，其結(jié)果sn比(信躁比)改善為(1n)。

49、從這些結(jié)果可知，為了測量被噪聲所掩埋的信號，應(yīng)該將帶通濾波器的頻帶寬度變窄。但是，使帶通濾波器的通帶寬度變窄是有限度的。在帶通濾波器中，中心頻率與通帶寬度的比值稱作q值作為衡量帶通濾波器的濾波尖銳幅度的一項指標來使用。q值越大，通帶寬度就越窄，抑制噪聲的能力就越強。但是，一般的濾波器所能夠?qū)崿F(xiàn)的e值，大約在100左右。對于1khz的中心頻率，相應(yīng)通帶寬度的限界大約往10hz左右。0值不能任意增大的原因，在于組成濾波器的零部件的確度和時間溫度的穩(wěn)定性是有限的。鎖相放大器用特殊的方法使q提高到約為107(通常的帶通濾波器約為100)，而且實現(xiàn)了一種特殊的帶通濾波器，能夠白動地將中心頻率跟蹤和保持在

50、測量頻率上。 34主站和從站的通信實現(xiàn)根據(jù)上文所述，因為接地電阻為復(fù)阻抗，診斷信號與返回信號的相差將包括接地地阻復(fù)阻性所帶來的影響，故需在輸電線路的兩端依次加入同頻的三相診斷信號，分別比較診斷信號與返回信號的相位差，再結(jié)合線路常數(shù)和配電網(wǎng)的拓樸結(jié)構(gòu)，才能解得單相接地故障礙發(fā)生點與信號注入點的距離，這樣，就涉及到輸電線兩端的通信問題。近年來，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的通信方式主要有串行通信法，plc動力線載波法，光遷通信法和無線通信法等等。 3.4.1gsm網(wǎng)絡(luò)的無線通信隨著gsm移動通信網(wǎng)絡(luò)的完善和發(fā)展，各種基于gsm網(wǎng)絡(luò)的無線通信應(yīng)用應(yīng)運而生，特別是在一些不便架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的場所，基于gsm網(wǎng)絡(luò)的遠

51、程信息傳遞更顯出它的優(yōu)勢。在gsm模式上，我們可以以短信息或wap的方式傳遞數(shù)據(jù)，目前，隨著中國移動gprs的應(yīng)用，基于gprs的無線通信應(yīng)用也開始多了起來。gsm短消息(sms)通信方式：一條sms短消息能在點對點的移動終端設(shè)備之間傳輸不超過160個英文字符或70個漢字，其費用卻很低，當雙通信的信息量不是很大時，是一種很好的選擇。這種方式采用通常的無線gsm發(fā)送接收設(shè)備就能實現(xiàn)短消息的傳送，實現(xiàn)簡單具有無需架改有線通信網(wǎng)絡(luò)、通信成本低、保密性能高、擾能力強等優(yōu)點，它利用信號傳輸不用撥號建立連接直接把發(fā)的信息加上目的地、發(fā)送到短消息服務(wù)中心，由短消息服務(wù)中心在發(fā)給最終的用戶數(shù)據(jù)的遠程無線通信。目前相當多監(jiān)控子系統(tǒng)例如無人值守電站、水電站、油田控制與主控中心之間選擇通過短消息方式傳送數(shù)據(jù)。目前，在相關(guān)的系統(tǒng)中往往使用單片機+手機模塊來實現(xiàn)與短消息中心的聯(lián)系，主要原因在于：使用手機模塊利于系統(tǒng)集成，成本較低，而使用手機雖然也可以實現(xiàn)相應(yīng)功能，但是需要外加數(shù)據(jù)線，成本較高，穩(wěn)定性也較差。siemens公司的tc35f141即是一種性價比很高的gs