基于双频注入法的故障指示器的实现

张昊1刘浩1董超2韩秀艳2刘涛3

摘要：配电网系统单相接地故障的定位一直是个难以解决的问题，本文主要介绍一种基于双频注入法故障指示器的实现，以解决目前配电网系统单相接地故障定位的问题。介绍了双频信号的检测方法、设计了多级低通滤波电路、工频陷波电路、带通级联滤波电路，成功的将注入系统中微弱信号提取出来，抑制了干扰信号。并阐述利用双频信号进行单相接地故障定位的基本原理及实现。

关键词：双频信号注入；故障定位；滤波电路；单相接地

一、引言

目前我国大部分配电网均采用中性点不直接接地系统（NUGS），即小电流接地系统。NUGS发生单相接地故障的几率最高，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1～2h。但随着馈线的增多，电容电流也在增大，长时间运行就易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路予以切除。

而故障指示器是目前解决单相接地故障定位采用较多的设备，但目前基本更适用短路故障的定位，由于NUGS发生单相接地故障时，电容电流相较负荷电流较小，很难依据电流的变化对单相接地故障进行判别，因此目前也产生多种依据信号注入方式的故障指示器，该方式一般不依据线路上的电流变化进行判别，而是依据信号源注入的特殊波段电流信号进行判别，在原理上更易于接地故障的判断。由于注入法注入的信号在强度上一般较弱，因此目前在信号注入方法和信号检测方法上，各种故障指示器还存在一定的缺陷。

本文着重介绍了利用双频率小电流信号的故障定位方法及特殊频率小电流信号的提取方法，从而进一步优化故障指示器的定位判断依据及判断准确性。

二、双频注入法的方案及单相接地故障定位的基本原理

1、单相接地故障下信号注入的原理简化电路图：

小接地电流系统发生单相接地故障时，低励磁阻抗变压器接地转移装置控制对应相单相接地断路器合闸，与故障点形成并联接地回路；利用低励磁阻抗变压器注入特殊频率信号，故障指示器依据特征信号电流与频率的关系，故障路径由接地电组与分布电容构成，回路电流与频率不成比例；非故障路径只有分布电容，回路电流与频率成比例，确定故障路径与非故障路径，实现故障定位与故障隔离。

2、双频信号的比较原理与分析：

图中为注入双频特征信号模拟等效图

如图所示：其中Ui为注入信号电压，Xc为线路容抗，R为接地电阻

无接地线路支路，电阻支路不存在，线路与地之间只存在容性电流；

有单相接地支路，此支路等效于电容与接地电阻并联。

当发生单相接地后，经低励磁阻抗变压器向故障相分别注入电压幅值不变，频率分别为k倍频差的双频特征信号f1与f2（f1=3f2）。

对于非故障检测回路，回路阻抗呈容性，电流比值驱近于K，对于故障检测回路，回路阻抗呈阻性加容性，电流比值小于K

3、对比其他注入方式优点

由于小电流接地系统的自身特点，发生单相接地故障时，所产生的故障信号本身较弱，容易受到电磁干扰和谐波污染，导致信号失真，这些都直接影响了选线的选择性和准确性，甚至造成选线装置的误动。结合工作的实际情况并参考各种装置的实际特点，选用采用信号注入法的选线和定位装置作为配电网单相接地故障检测装置，较成功地解决了配电网中单相接地故障定位困难的问题。

经低励磁阻抗变压器注入双频信号的单相接地故障检测方法一方面采用信号电压源避免传统电流源信号注入方法，受分布容抗分流影响，故障回路信号特征不明显；另一方面采用双频信号注入方式，单相接地判定依据为两种频率信号检测值的比值，不受线路性质、地理条件、故障指示器测量精度、安装区间距离等因素影响。

三、注入信号的提取及检测

1、介绍注入信号及工频混合信号特征。

工频信号幅值范围在0~600A，特征信号的测量精度要求达到0.05A，所以工频信号最大情况下是特征信号的12000倍。所以混合信号通常情况下是叠加了微小特征信号的不光滑（呈锯齿状）的工频信号。

2、对各级滤波电路进行技术分析。

先要对工频混合信号进行信号分离，从工频信号中分离出两个特征信号，分离电路采用带通滤波电路，对两个特征信号分别进行筛选，两路带通滤波电路的输出是两个特征信号，然后工频和两个特征信号进入不同的AD通道进行检测计算。如果工频信号幅值较大，超过200A，要采用两级滤波电路级联的方式，以保障特征信号中工频信号的大小与其在同一数量级，保障特征信号的测量精度。

3、从软件角度对双频信号进行采集及分析。

软件对工频和两个特征信号均采用快速傅里叶变换算法即FFT算法，我们把两个特征信号选为75hz和225hz，那么它们与工频的混合信号就是以40ms为周期的周期性连续信号，即复合波形的频率为25hz。而连续的模拟信号经过计算机采样变成离散的数字信号。由此正好可以应用DFT算法。但DFT算法计算复杂，计算时间长，所以要进行简化。方法为把N点DFT分解为几个较短的DFT，由于复乘次数与N2成正比，分解后可使乘法次数大大减少。分解的办法有时域抽取法和频域抽取法，这里用到时域抽取法--基2的FFT算法。

假设采样频率为Fs，信号频率F，采样点数为N。那么FFT之后结果就是一个为N点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。程序中用到的采样频率为1280hz，采256点，用时200ms，所以点间隔频率为Fs/N=1280/256=5hz。在采样频率一定的情况下，如果要缩小点间隔频率，就要增加采样点数即采样时间。

四、故障指示器的实现

1.故障指示器硬件系统框图：

2.故障指示器软件主程序流程图：

3.中断程序流程图：

五、仿真、实验及结论

将各个环节仿真结果进行数据分析及对比。介绍现场试验环境及结果。

模拟实验场：10V线路一条，挂高压电容器及变压器后带低压电阻负载，总负荷在6A左右。

结论性说明：

在发生接地故障时，注入特征电流，模拟金属性接地、低阻接地、高阻接地等情况，故障指示器均动作正确，且向后台服务器上传故障信息正确。

模拟一次图

后台服务器接收信息：

[INFO][15：33：11]收到消息：【C相接地故障报文】

[681313688301001E01030001000800012823210F0803134916]，客户端IP：117.136.72.15，端口：5011

[INFO][15：33：11]服务端消息发送，客户端IP：/117.136.72.15：5011，[100001000116]

[INFO][15：34：28]收到消息：【C相接地故障复归报文】

[681313688301001E01030001000800009065220F080313F316]，客户端IP：117.136.72.15，端口：5011

[INFO][15：34：28]服务端消息发送，客户端IP：/117.136.72.15：5011，[100001000116]

[INFO][15：45：17]收到消息：【B相接地故障报文】

[681313688301001E0103000100050001983A2D0F080313D916]，客户端IP：117.136.72.15，端口：5011

[INFO][15：45：17]服务端消息发送，客户端IP：/117.136.72.15：5011，[100001000116]

[INFO][15：46：34]收到消息：【B相接地故障复归报文】

[681313688301001E0103000100050000007D2E0F0803138416]，客户端IP：117.136.72.15，端口：5011

[INFO][15：46：34]服务端消息发送，客户端IP：/117.136.72.15：5011，[100001000116]

[INFO][16：12：15]收到消息：【A相接地故障报文】

[681313688301001E0103000100020001C8320C10080313DE16]，客户端IP：117.136.72.15，端口：5011

[INFO][16：12：15]服务端消息发送，客户端IP：/117.136.72.15：5011，[100001000116]

[INFO][16：13：32]收到消息：【A相接地故障复归报文】

[681313688301001E010300010002000030750D100803138916]，客户端IP：117.136.72.15，端口：5011

[INFO][16：13：32]服务端消息发送，客户端IP：/117.136.72.15：5011，[100001000116]

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