混合信號(hào)激勵(lì)檢測(cè)變電站接地點(diǎn)的方法

李燕青，沈博一，趙亮，魏方園

(華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003)

混合信號(hào)激勵(lì)檢測(cè)變電站接地點(diǎn)的方法

李燕青，沈博一，趙亮，魏方園

(華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003)

為了防止帶地線合閘事故的發(fā)生，提出了一種混合信號(hào)激勵(lì)下檢測(cè)變電站接地點(diǎn)的方法。直流電壓和高頻2 kHz電壓疊加成的混合信號(hào)經(jīng)過無感電阻對(duì)停運(yùn)三相線路同時(shí)施加激勵(lì)，通過分析線路直流響應(yīng)分壓和高頻響應(yīng)分壓的大小判斷有無接地點(diǎn)存在。由于變壓器中性點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致接地點(diǎn)檢測(cè)誤判，分析了不同頻率下中性點(diǎn)接地零序阻抗的變換趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明直流信號(hào)能將線路接地點(diǎn)檢測(cè)出來，高頻信號(hào)能夠進(jìn)一步排除中性點(diǎn)接地的影響。結(jié)論表明，在變電站接線復(fù)雜、設(shè)備種類繁多的情況下，直流和高頻混合信號(hào)激勵(lì)方法能夠有效檢測(cè)出接地點(diǎn)，有很大的靈敏性，且不會(huì)引起誤判。

混合信號(hào)；接地點(diǎn)檢測(cè)；零序阻抗；中性點(diǎn)接地

電力系統(tǒng)會(huì)因?yàn)槿藶樵虬l(fā)生帶地線合閘事故，究其原因是在合閘送電前沒有有效的技術(shù)手段確保本停運(yùn)線路、設(shè)備有無接地點(diǎn)。在變電站中，直接接地類型主要體現(xiàn)在接地刀閘接地、通過地線保護(hù)接地兩種類型。對(duì)于接地刀閘接地點(diǎn)，一般新式變電站都會(huì)和五防相連，接地刀閘動(dòng)作時(shí)給五防系統(tǒng)發(fā)信號(hào)，五防通過邏輯判斷功能發(fā)出或解除閉鎖信號(hào)，防止接地合閘事故發(fā)生。但在一些變電站中，沒能實(shí)現(xiàn)接地刀閘和五防的聯(lián)系，從而不能判斷是否存在接地刀閘接地點(diǎn)。對(duì)于通過地線保護(hù)接地點(diǎn)，合閘前拆除地線主要靠管理手段，如操作票、工作票等。工作人員由于疏忽忘拆地線會(huì)引起很嚴(yán)重的后果。本文基于以上兩種接地點(diǎn)目前狀況的不合理，提出了一種信號(hào)激勵(lì)法檢測(cè)變電站接地點(diǎn)的方法。

變電站內(nèi)接地類型有3種：工作接地(變壓器中性點(diǎn)接地)，防雷接地和保護(hù)接地。本文就是要將保護(hù)接地點(diǎn)檢測(cè)出來，并與工作接地和防雷接地區(qū)分，不造成誤判。因防雷接地與變電站設(shè)備之間沒有電氣連接，因此不會(huì)對(duì)信號(hào)激勵(lì)法產(chǎn)生影響。變電站中設(shè)備一般不會(huì)全部停電，停運(yùn)線路周圍存在諸多電磁干擾，因此會(huì)在停運(yùn)設(shè)備上感應(yīng)出靜電感應(yīng)電壓、靜電感應(yīng)電流、電磁感應(yīng)電壓、電磁感應(yīng)電流[1-6]。這些感應(yīng)電壓、電流都是50 Hz工頻分量，可以通過濾波將其濾除。因此本文對(duì)信號(hào)響應(yīng)的分析重點(diǎn)是對(duì)與激勵(lì)信號(hào)同頻率響應(yīng)的分析。

1 變壓器中性點(diǎn)接地零序阻抗分析

變壓器中性點(diǎn)接地的存在，可能會(huì)引起接地檢測(cè)時(shí)的誤判：即將中性點(diǎn)接地(工作接地)當(dāng)作設(shè)備直接接地(保護(hù)接地)。信號(hào)源通過無感電阻同時(shí)加在ABC三相線路上，相當(dāng)于對(duì)變壓器施加一個(gè)零序電壓。零序電壓加在變壓器繞組的三角形側(cè)或不接地星形側(cè)時(shí)，無論另一側(cè)繞組接線方式如何，變壓器中都無零序電流，這時(shí)零序阻抗無窮大，不會(huì)當(dāng)作設(shè)備直接接地，不引起誤判。本文對(duì)信號(hào)源加在接地星形一側(cè)時(shí)變壓器零序電抗的大小做重點(diǎn)分析。下面以三相三柱式雙繞組變壓器YNd(Y0/?)接線方式進(jìn)行分析。

星形側(cè)施加零序信號(hào)源時(shí)，星形側(cè)繞組流過零序電流，在三角形側(cè)繞組中感應(yīng)零序電動(dòng)勢(shì)，因零序電動(dòng)勢(shì)大小相等、相位相同，接成三角形的三相繞組為零序電流提供通路，在繞組中行成環(huán)流，但不流出。如圖1所示[7-8]，其中為信號(hào)源，為10 kΩ無感電阻，P為ABC三相公共連接點(diǎn)。

圖1 變壓器零序電流流通示意圖

用一相表示時(shí)，可以認(rèn)為三角形側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以電壓降的形式完全降落于三角形側(cè)漏抗上，相當(dāng)于繞組短路，其等值電路如圖2所示。

圖2 變壓器零序等值電路圖

零序電抗表達(dá)式為：

式中：I為星形側(cè)繞組漏抗；II為三角形測(cè)繞組漏抗；m(0)為零序勵(lì)磁電抗。

對(duì)于三相三柱式變壓器，在三相繞組上施加零序電壓后，因三相磁通同相位，在鐵芯中不能流通，只能由箱壁返回，此時(shí)磁阻較大，因此零序勵(lì)磁電抗較小，其值的大小受很多因素影響。有磁路定律得：

式中：為信號(hào)源頻率，Hz；為繞組匝數(shù)；為磁路截面積，m2；為磁路長(zhǎng)度，m；為磁導(dǎo)率，H/m。由于存在磁飽和，磁導(dǎo)率不是常數(shù)。且頻率變化時(shí)，m(0)值也會(huì)變化。=0時(shí)，m(0)=0，這時(shí)(0)也大致為零(線路直接接地時(shí)線路阻抗也大致為零)。

由以上分析可得出，判斷設(shè)備有無地線加信號(hào)源時(shí)，若設(shè)備沒有直接接地但存在中性點(diǎn)接地，其零序阻抗隨變動(dòng)。經(jīng)過分析，考慮飽和時(shí)，信號(hào)源頻率由小到大變化時(shí)，中性點(diǎn)接地阻抗由小到大再到小變化。其中存在一個(gè)阻抗最大的頻率點(diǎn)。區(qū)分中性點(diǎn)接地和直接接地時(shí)，在這個(gè)頻率點(diǎn)處有最大的靈敏性。本文通過分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)找到這個(gè)頻率點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按圖1的接線方式對(duì)星形接地側(cè)施加激勵(lì)電壓。信號(hào)源S為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，幅值為依12 V，無感電阻P=10 kΩ，用示波器測(cè)量P點(diǎn)對(duì)地電壓波形。正弦電壓頻率從0到5 kHz變化，記錄主要頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的P點(diǎn)電壓波形進(jìn)行分析。

以=1 kHz時(shí)為例：圖3上圖為采集到的P點(diǎn)的分壓波形，下圖為進(jìn)行FFT后的頻譜分析結(jié)果。從頻譜分析結(jié)果可以看出，幅值12 V的激勵(lì)信號(hào)頻率為1 kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的1 kHz響應(yīng)幅值為1.1 V。

圖3 1 kHz激勵(lì)下中性點(diǎn)分壓

同理，根據(jù)這個(gè)方法，對(duì)各個(gè)頻率點(diǎn)中性點(diǎn)分壓波形進(jìn)行FFT分析，將對(duì)應(yīng)響應(yīng)頻率的幅值記錄下來，并繪制出圖4各個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變壓器中性點(diǎn)零序阻抗的分壓。因無感電阻的阻抗不隨頻率改變，此分壓與零序阻抗值成正比關(guān)系。

圖4 中性點(diǎn)接地零序阻抗變化曲線

從圖4中可以看出，當(dāng)頻率在2 kHz左右時(shí)，對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)分壓最大，這時(shí)對(duì)應(yīng)的零序阻抗值最大，因此，用這個(gè)頻率點(diǎn)區(qū)分中性點(diǎn)接地和直接接地有最大的靈敏性。

3 混合信號(hào)監(jiān)測(cè)接地點(diǎn)方法

圖5和圖6分別是直流信號(hào)源激勵(lì)加在變電站停運(yùn)線路上，線路不接地和直接接地時(shí)采集的響應(yīng)波形。從圖中可以分析出，不接地時(shí)直流信號(hào)幅值為5.40 V，直接接地時(shí)為0.26 V，兩者相差較大，可以區(qū)分出線路是否接地。但是當(dāng)所加激勵(lì)回路中沒有直接接地點(diǎn)但存在中性點(diǎn)接地點(diǎn)時(shí)，測(cè)量的響應(yīng)信號(hào)如圖7所示，其直流分量幅值為0.54 V，與直接接地時(shí)幅值相近。因此，單純采用直流信號(hào)分析是否存在接地點(diǎn)時(shí)，會(huì)引起誤判。

圖5 線路不接地、直流激勵(lì)

圖6 線路直接接地、直流激勵(lì)

圖7 中性點(diǎn)接地、直流激勵(lì)

通過變壓器中性點(diǎn)識(shí)別實(shí)驗(yàn)的分析，可以得知，信號(hào)源頻率在2 kHz附近時(shí)變壓器中性點(diǎn)接地零序阻抗最大。其測(cè)量響應(yīng)信號(hào)分析如圖8所示，其響應(yīng)頻率2 kHz處幅值為11.04 V。但是當(dāng)線路直接接地時(shí)，其阻抗分壓對(duì)2 kHz信號(hào)大致為零。據(jù)此可以用高頻信號(hào)將中性點(diǎn)接地和直接接地區(qū)分開。

圖8 中性點(diǎn)接地、2 kHz激勵(lì)

由以上分析，形成以下混合信號(hào)激勵(lì)法檢測(cè)變電站接地點(diǎn)的過程：

(1)將停運(yùn)線路A、B、C相短路連接后加混合信號(hào)激勵(lì)源，信號(hào)激勵(lì)源由依6 V標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓和+6 V直流電壓疊加而成(產(chǎn)生此信號(hào)的芯片可單電源+12 V供電，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單)；

(2)將短路連接處信號(hào)通過低通濾波器，計(jì)算直流信號(hào)幅值，若為高電位，則本回路無接地點(diǎn)；若為低電位則進(jìn)行下一步驟；

(3)將短路連接處信號(hào)再通過高通濾波器，計(jì)算2 kHz信號(hào)幅值，若也為低電位，則本回路有接地點(diǎn)，禁止合閘；若為高電位，則為中性點(diǎn)接地，無直接接地點(diǎn)，可以合閘。

4 結(jié)論

為了防止帶地線合閘事故的發(fā)生，本文提出了一種對(duì)線路加信號(hào)源激勵(lì)分析響應(yīng)特征的方法檢測(cè)是否存在接地點(diǎn)。在直流和高頻混合信號(hào)作用下，不僅能夠判斷線路有無接地點(diǎn)，而且能夠識(shí)別變壓器中性點(diǎn)接地點(diǎn)，從而防止誤判?？偨Y(jié)如下：

(1)信號(hào)源激勵(lì)電壓同時(shí)加在線路ABC三相上，為零序電壓，變壓器中性點(diǎn)接地的零序阻抗隨頻率變化而變化，在2 kHz處零序阻抗最大；

(2)直流信號(hào)可以很好地區(qū)分線路是否接地，但是當(dāng)有變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)，會(huì)引起誤判；

(3)本文所設(shè)計(jì)的方法不僅能夠檢測(cè)出停運(yùn)線路是否掛接地線，還能判斷出是否有接地刀閘的接地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)保護(hù)接地點(diǎn)的所有檢測(cè)。

[1]胡丹暉,涂彩琪,蔣偉,等.500 kV同桿并架線路感應(yīng)電壓和電流的計(jì)算分析[J].高電壓技術(shù),2008(9):1927-1931.

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[8]王莉,劉明予,張予鄂,等.電網(wǎng)中常用變壓器零序阻抗計(jì)算方法及實(shí)例[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,24:118-120.

Earth point detecting method with mixed signal excitation

LI Yan-qing,SHEN Bo-yi,ZHAO Liang,WEI Fang-yuan

In order to prevent the belt ground switching accident,a hybrid excitation signal detection substation earth point method was put forward.DC voltage and high frequency 2 kHZ voltage were stacked into the mixed signal through non-inductive resistance to decommissioning three phase line at the same time imposed incentives.Through the analysis of line DC response partial pressure and high frequency response of the size,whether earth point exist was judged through the partial pressure.Earth point detection miscarriage of justice was mislead due to the transformer neutral point grounding.Zero sequence impedance transformation trend was analyzed on the different frequency under neutral ground.Test results show that the DC signal can be detected line joint location,high frequency signal to further eliminate the influence of the neutral grounding.The results show that in the substation connection complex,equipment a wide variety of cases,DC and high frequency mixed signal incentive method can effectively detect joint site,there are a lot of sensitivity,and did not cause miscarriage of justice.

mixed signal;earth point detecting:zero sequence impedance;neutral point grounding

TM 63

A

1002-087 X(2015)03-0613-03

2014-08-17

李燕青(1974—)，男，河北省人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。