基于电弧外特性的故障定位信号发生器优化设计-刘隆华.pdf

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1、基于电弧外特性的故障定位信号发生器优化设计刘隆华1 ,黄洪全2 ,黄启哲1 ,李民强1 ,卢绍成1 ,邓春明1( 1.广西电网有限责任公司河池供电局,广西壮族自治区河池市547000;2.广西大学电气工程学院,广西壮族自治区南宁市530004)摘要:配电网的复杂性导致其故障测距精度不高。停电检修时,在线测距和定位方法无用武之地。由于离线式故障定位信号发生器实现难度大,离线故障定位技术也未获得广泛应用。文中分析了弧光接地故障的伏安特性,提出了双信号发生器并联轮换的设计方案:高压小电流信号发生器用于产生高电压,重新击穿故障点;低压大电流信号发生器提供大电流维持故障状态稳定。给出了双信号发生器功率容

2、量优化设计方法,分析了信号发生器切换及工作过程。优化的双信号发生器总功率容量不足单信号发生器功率容量的1/ 10。理论分析和现场实验证实了方案的可行性。关键词:故障定位;离线定位;电弧特性;信号发生器;优化设计收稿日期: 2015- 06- 09;修回日期: 2015- 10- 19。上网日期: 2016- 03- 01。中国南方电网公司科技项目( K- GX2014- 047) 。0引言配电网接地故障率很高,约占总故障率的80% 。接地故障测距和定位技术是业界一直关注的研究课题。测距方法主要有基于电路模型参数的故障测距 1- 7和基于行波的故障测距 8 。由于配电网分支多、用户杂、分布广、故

3、障电流小,包括行波测距在内的许多在输电线路上成功应用的测距方法,移植到配电网后,效果并不令人满意。目前,还没有能满足实际需求并被广泛应用的配电网故障定位与测距装置,故障维修时,主要以人工目视巡线的方式查找故障点。文献 9提出了一种基于注入法的在线式配电网故障定位方法,即在配电网发生单相接地故障时,在不停电的情况下,向电网注入特定频率的探测信号,用远距离信号探测器追踪探测信号,从而找到故障点。电力行业规范规定:当小电流接地系统发生单相接地故障时,允许暂时运行2 h。在这段时间内,可以用在线式故障定位方法查找故障点。许多学者对这种定位方法进行了研究 9- 13 ,技术日益成熟。随着电力自动化程度的

4、提高,变电站已无人值守,发生接地故障后,系统会立即自动切断故障线路。在这种情况下,在线式的故障寻踪定位方法已无用武之地。文献 14提出了离线式的配电网故障定位方法,即在故障线路停电检修时,用信号发生器向故障线路注入直流电流,将故障点重新击穿,再叠加特定频率的交流信号,用远距离信号探测器追踪交流信号,直接找到故障点,即通常所说的“直流开路,交流寻踪” 。离线式故障定位方法符合故障维修工作的实际需求,在配电网故障属于电阻接地故障时,流过线路及故障点的探测信号稳定,故障寻踪定位效果好,因而得到了广泛的关注和研究 14- 16 。然而,配电网的接地故障中,有很大一部分属于弧光接地。若要恢复故障,并维持

5、故障状态,为交流寻踪打开门路,则要求信号发生器输出电压高,输出电流大,使其功率容量大、成本高、体积大而笨重,工程上难以实现和使用。由于远距离的周期性电磁信号的检测技术已经成熟,离线式故障定位的难点在于提高信号电流的稳定性和降低信号发生器的功率容量。研究电弧的外特性可知:在弧光接地故障点未被击穿时呈高阻状态,需要提供很高的电压方能击穿,而流过故障点的泄漏电流很小;故障点被击穿后,电流增加,电压下降,故障点呈负阻状态,维持故障状态稳定需要较大的电流,而电压却很小。根据这一特性,提出新的信号发生器设计方法,用双信号发生器轮换工作代替单一的信号发生器。通过选择合理的工作切换点,在保证维持故障状态稳定的

6、前提下,使信号发生器总功率容量最小。基于电弧外特性的信号发生器设计方法可以极大地降低信号发生器的功率容量,使之在工程上容易实现和使用。001第40卷第9期 20 1 6年5月1 0日Vol. 40 No. 9 M ay 10, 2016DOI: 10. 7500/ AEPS20150609007http: / / www. aeps- info. com1 直流驱动下弧光接地故障电弧特性分析及等效模型在故障线路停电后,用信号发生器向线路注入直流电流,击穿故障点,在弧光接地情况下,故障点可能会经历以下3种状态。1)在线路电压未达到故障击穿电压时,故障点呈高阻状态,只有很小的泄漏电流,近似于开路。

7、2)当线路电压达到故障击穿电压时,故障点被击穿,电流迅速增加,电压急剧下降。图1是在大气环境下,电弧电压和电流与时间的关系曲线 17 。从图中可以看出,弧光接地故障点击穿时,电弧发展很迅速,通常在10 ns时间内,电弧电压已从击穿值显著下降,电流从接近0快速上升,大约在1 s后,电弧电压和电流就已接近稳定状态。故障线路的分布电感、分布电容等线路参数所决定的瞬态响应时间,通常是几十微秒至几十毫秒。在研究故障线路故障点直流击穿过程时,可忽略电弧响应时间,用电弧的静态特性代替电弧的动态特性。10510-1010-810-610-410-2100102104104103102101+#IA+UAIA/

8、AUA/Vt/s图1电极间隙击穿时电流和电压随时间的变化Fig. 1 Current and voltage changed with timeunder electrode gap breakdown故障击穿后,电弧的静态伏安特性可由经验公式来表述 17 :U A= a + bl + c + dlIA( 1)式中: U A为电弧电压; I A为电弧电流; l为电弧长度; a , b , c , d为常数;电弧可等效为非线性负电阻,电流越大,电压越小。3)故障点被击穿后,为了能进行“交流寻踪” ,必须要保证故障电弧稳定,特别要确保电弧电流大于零,防止导通的电弧熄灭、恢复高阻状态。维持故障点稳定

9、的条件比较复杂,和故障击穿距离、介质特性以及气候条件都有关系。一般认为,电流越大,电弧能量越大,故障点状态越稳定。图2是不同击穿间隙下电弧电压和电流的关系曲线 17 。当电流小于2 A时,电弧电压上升斜率增大,呈现出不稳定的趋势。为探索维持电弧稳定所需的最小电流,做了大量实验。实验结果和图2基本吻合:在电弧长度不大于15 mm、电流为5 A时,在一般气候条件下,能保持电弧稳定。在离线故障定位过程中,故障点被击穿后,故障定位仪输出到故障点的电流应维持在5 A左右。UA/V0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30303540455055606570758

10、085IA/A7 mm6 mm5 mm4 mm3 mm2 mm1 mm 0 & 图2不同弧隙下的小电流电弧伏安特性Fig. 2 Volt- ampere characteristic of the arc with smallcurrent under different arc gaps2故障定位仪信号发生器设计方案及优化典型的直流电弧静态伏安特性曲线如图3中的曲线A所示。图3直流电弧伏安特性及信号发生器功率容量Fig. 3 Volt- ampere characteristic of DC arcand the power capacity of signal generator要击穿故障

11、点并维持故障电流稳定,应满足2个条件: 信号发生器输出电压大于故障击穿电压; 输出电流大于维持故障状态稳定所需的最小电流。以10 kV配电网故障定位为例,信号发生器最大输出电压为14 kV,最大输出电流为5 A。采用常规的设计方法,信号发生器的功率容量将达到70 kVA,如图3中的折线BDE所示。过大的功率容量,导致设备成本高、体积大、不便于户外使用。2. 1 功率容量最小化的信号发生器设计根据弧光接地故障的特性,可采用双信号发生器轮换工作方式:一个高压小电流信号发生器(简称高压信号发生器) ,用于击穿故障点;另一个低压大101刘隆华,等基于电弧外特性的故障定位信号发生器优化设计电流信号发生器

12、(简称低压信号发生器) ,用于维持故障点击穿后的故障状态。两个信号发生器根据故障状态轮换工作,如图3中的折线BCHGE所示。仅考虑稳态情况,忽略线路电感和电容的影响,信号发生器接入故障线路的静态等效电路见图4。RSFRLRLERFFDCUA图4故障线路的静态等效电路Fig. 4 Static equivalent circuit of the fault line图4中,信号发生器由两个信号发生器轮换工作, R LE为线路故障点未被击穿时的泄漏电阻, R SF为信号发生器接地过渡电阻, R FF为故障点接地过渡电阻, R L为线路电阻, U A为故障电弧电压。记式( 2)所示R为回路总电阻。R

13、 = R SF+ R L+ R FF ( 2)在故障点未被击穿时,高压信号发生器接入电路。记高压信号发生器的输出电压为U HO,故障点击穿电压为U B,则在故障击穿时的电路方程为:U HO= I LER + U B ( 3)式中: I LE= U B/ R LE,为故障点击穿时的泄漏电流。高压信号发生器的输出电压为:U HO= U B 1+ RRLE ( 4)故障点被击穿后,线路上的电压急剧下降,在图3的H点切换到低压信号发生器。为保证故障状态连续, H点应高于电弧伏安特性曲线A。设切换点的电流为I SW ,也即是高压信号发生器的最大输出电流,高压信号发生器的功率容量为:P H = U HOI

14、 SW ( 5)设低压信号发生器的最大输出电流为I M AX,最大输出电压为U LO,故障点弧光电压为U A,忽略泄漏电阻R LE,在图3的H点有电路方程:U LO= U A+ I SW R ( 6)低压信号发生器的功率容量为:P L= U LOI M AX ( 7)两个信号发生器的总功率容量为:P = P H + P L ( 8)进一步,设故障是大气状态下电极间隙电弧,电弧长度为l ,则根据电弧的经验公式可得切换点的电弧方程:U A= a + bl + c + dlISW( 9)根据式( 2) 式( 9) ,可得信号发生器的总功率容量为:P = ( a + bl ) I M AX+ R I

15、M AX+ U B 1+ RRLEI SW +I M AX( c + dl )I SW ( 10)式( 10)对I SW求导:dPdI SW = R I M AX+ U B 1+RR LE-I M AX( c + dl )I 2SW( 11)令dPdISW= 0,得I SW = I M AX( c + dl )R I M AX+ U B 1+ RRLE( 12)即为使信号发生器总功率容量最小的切换电流。此时,高压信号发生器的功率容量为:P H = U B 1+ RRLEI M AX( c + dl )R I M AX+ U B 1+ RRLE( 13)低压信号发生器的功率容量为:P L=a +

16、 bl + c + dlI M AX( c + dl )R I M AX+ U B 1+ RRLE+R I M AX( c + dl )R I M AX+ U B 1+ RRLEI M AX( 14)两个信号发生器总的功率容量与电弧长度有关。算例1:设信号发生器用于10 kV配电网,回路总电阻小于100 ,最大的故障电弧长度为7 mm,则可得高压信号发生器最大输出电压14 kV,最大输出电流160 mA,功率容量为2. 24 kVA;低压信号发生器最大输出电压550 V,最大输出电流5 A,功率容量为2. 75 kVA。两个信号发生器总的功率容量为5 kVA,是单个信号发生器功率容量的1/ 1

17、4。电弧实际消耗功率仅为350 W 。算例2:设最大故障电弧长度为14 mm,其他条件和算例1相同,则可得高压信号发生器最大输出电压14 kV,最大输出电流220 mA,功率容量为3. 08 kVA;低压信号发生器最大输出电压736 V,最2012016, 40( 9) 研制与开发http: / / www. aeps- info. com大输出电流5 A,功率容量为3. 68 kVA。两个信号发生器总的功率容量为6. 76 kVA,小于单个信号发生器功率容量的1/ 10。电弧实际消耗功率仅为518 W 。上述算例表明,故障电弧长度增加,所需的信号发生器功率也有所增加,但增加的幅度不大。根据空

18、气的击穿强度可知,对10 kV配电网而言,出现稳定的14 mm间距击穿故障的概率是很小的。2. 2双信号发生器的切换策略图3所示的双信号发生器工作轨迹由4条线段构成。线段EG为低压信号发生器工作在恒流源状态,线段GH为低压信号发生器工作在恒压源状态,线段HC为高压信号发生器工作在恒流源状态,线段CB为高压信号发生器工作在恒压源状态。通常,信号发生器采用双闭环控制,内环为电流环,外环为电压环。信号发生器可随负载的变化自动变换输出状态:当负载电阻较小时,信号发生器为恒流源,当负载电阻较大时,信号发生器为恒压源。两个信号发生器轮换工作时,高压信号发生器和低压信号发生器的切换则需要切换逻辑来控制。信号

19、发生器切换发生在图3的H点。 H点的坐标为电流I SW ,电压U LO。为了避免扰动引起的不必要的频繁切换,实际切换控制还需设置一定的滞后值。由此可确定双信号发生器的切换策略如下。1)如果当前状态为低压信号发生器工作,当控制量达到最大(例如脉宽调制( PW M )占空比最大) ,而输出电流小于I SW - I时,切换到高压信号发生器。否则,继续维持低压信号发生器工作。 I为电流切换滞后值,通常可取为( 1/ 10) I SW 。2)如果当前状态为高压信号发生器工作,当控制量达到最大(例如PW M占空比最大) ,而输出电压小于U LO - V时,切换到低压信号发生器。否则,继续维持高压信号发生器

20、工作。 V为电压切换滞后值,通常可取为( 1/ 10) U LO。2. 3双信号发生器故障定位工作过程分析先分析非弧光接地(或弧光间隙很短)故障情况下的故障定位工作过程。相当于图4中的U A = 0,电路方程为:U= IR ( 15)式中: U为信号发生器输出电压; I为回路电流。回路电阻R的伏安特性曲线与信号发生器工作轨迹的交点即为信号发生器的工作点(参见图3) 。容易证明,当R 0时,工作点总是稳定的。故障定位信号发生器开始工作时,线路初始电压为零,同时,线路电容和信号发生器的输出电容使输出电压不会突变,低压信号发生器首先投入工作。如果线路没有故障,信号发生器的工作轨迹将沿图3中的折线EG

21、H向左上方移动,在H点切换到高压信号发生器,工作轨迹沿折线HCB继续向左上方移动,直至输出电压达到设定的最大电压。如果线路故障属金属性接地, R很小,信号发生器的工作轨迹和R的伏安特性曲线在EG段相交于R 1点。同理,如果线路故障接地电阻较大, R也较大,信号发生器的工作轨迹和R的伏安特性曲线的交点将上移。接地电阻越大,交点处电压越高,电流越小。图3中,标示了几个典型的交点: R 2 , R 3 , R 4 。容易看出,这些交点都稳定工作。根据稳定工作点的电流和电压,可以计算回路电阻,从而可以估算故障点接地电阻,判断故障性质。若故障为弧光接地故障,在故障点未击穿时,相当于开路,信号发生器的工作

22、轨迹沿图3中的折线EGHCB向左上方移动,直至输出电压达到故障击穿电压。故障被重新击穿后,故障点的伏安特性如图3中的曲线A所示。信号发生器的工作轨迹沿图3中的折线BCHGF向右下方移动。当回路电阻较小时,信号发生器的工作轨迹和曲线A相交于F点。容易看出, F点也是稳定的工作点。从上述分析可知,信号发生器在提供故障定位信号的同时,根据其输出电压、电流及其变化过程,可以区分弧光接地、金属性接地和高阻接地等典型故障类型,并估算接地电阻或弧光击穿电压。3故障定位仪信号发生器的研制研制了故障定位仪,其信号发生器主电路拓扑结构如图5所示。Q1Q2Q3Q4Q5Q6L1T1T2D1CLQ0图5主电路结构示意图

23、Fig. 5 Structure diagram of main circuit信号发生器由BUCK电路和两个并联的全桥DC- DC变换器组成。功率管Q0 、电抗器L1及其他元件组成BUCK斩波恒流电路,保证后续电路有稳定的工作电流。 6个功率管Q1至Q6组成分时轮换工作的两个全桥DC- DC变换器。当Q3 , Q4 , Q5 , Q6工作时, Q1和Q2处于截止状态,变压器T1工作,经301刘隆华,等基于电弧外特性的故障定位信号发生器优化设计过整流电路后,得到高压小电流输出,其最大输出电压14 kV,最大输出电流0. 25 A。当Q1 , Q2 , Q3 , Q4工作时, Q5和Q6处于截止

24、状态,变压器T2工作,经过整流电路后,得到低压大电流输出,其最大输出电压700 V,最大输出电流5 A。两路信号输出通过二极管D1并联在一起,防止高压电压传输到低压电路。信号发生器用TM S320F2810DSP控制,控制原理框图如图6所示。状态切换逻辑模块根据输出电压和电流实时判断故障状态,控制两个信号发生器高速切换。采用双闭环控制方案,内环为电流负反馈,保证在负载突变时,电流不超过最大值。外环为电压负反馈,保证输出电压不超出允许电压。PIIOUOURIRU0+I0+( FE+ PIP * * 图6控制原理框图Fig. 6 Block diagram of control principle

25、4现场实验波形及使用效果将研制的故障定位仪接入全长5. 6 km的10 kV配电网线路中,配电网线路上并接带放电间隙的绝缘子,通过地桩接地,用LA100霍尔电流传感器测量流过接地线的电流,用S1133光电传感器测量弧光强度。示波器记录故障点被击穿时,故障点电流和弧光强度的瞬态波形如图7所示。图7故障点电流及弧光强度瞬态波形Fig. 7 Transient waveforms of fault current andintensity of arc light在故障点击穿瞬间,由于电容的放电效应,接地电流和弧光强度都很大。故障进入稳态后,电流和弧光强度减小,故障电流稳定在5 A,弧光强度也趋于稳

26、定。实验结果表明:本文提出的双信号发生器并联轮换工作方案,能重新击穿弧光故障点,并维持稳定的故障状态,为交流寻踪和测距提供了前提条件。研制的离线式接地故障定位仪,功率容量适中、体积小、重量轻,便于户外使用。于2015年1月开始在广西电网公司河池供电局实验运行,在多次故障检测维修中使用,效果令人满意。5结语根据弧光接地的特点,提出了双信号发生器并联轮换工作的故障定位信号发生器优化设计方案。研制的故障定位仪功率容量小、体积小、重量轻,现场实验和实际应用证实了方案的可行性。但现有的分析和设计都是基于静态模型,线路电感和电容等动态参数对使用效果的影响,还需进一步研究。参考文献 1刘玉萍,林圣,何文,等

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42、 ,男,硕士,助理工程师,主要研究方向:电力系统运行。 E- mail: liu_lh. hcg gx. csg. cn黄洪全( 1962 ) ,男,通信作者,副教授,硕士生导师,主要研究方向:检测技术、电力电子技术。 E- mail: hhq5839163. com黄启哲( 1973 ) ,男,高级工程师,主要研究方向:电网规划、电力节能技术。 E- mail: qizhe. huang 189. cn(编辑蔡静雯)Arc Characteristics Based Optimization Design of Fault Location Signal GeneratorLIU Longh

43、ua 1 , HUANG Hongquan 2 , HUANG Qizhe 1 , LI M inqiang 1 , LU Shaocheng 1 , DENG Chunming 1( 1. Hechi Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co. Ltd. , Hechi 547000, China;2. College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)Abstract: Owing to the complexity of the dist

44、ribution network, the accuracy of its fault location is not high. All on- line distancemeasurement and fault location methods become useless during a power line outage. The off- line fault location technology isalso not widely used for the realization difficulty of the off- line fault location signa

45、l generator. This paper analyzes the vol-tampere characteristics of arc grounding fault, and then proposes a design scheme for two parallel signal generators working inrotation. In the scheme, the smaller generator provides high voltage but less current to re- breakdown the fault point. Afterbreakdo

46、wn, the other one provides high current but less voltage to keep the fault current stable. An optimization designmethod of minimizing the power capacity of the two fault location signal generators is proposed. The total power capacity of theoptimized dual generator is less than one- tenth of the sin

47、gle generator” s. The feasibility of the design scheme is verified bytheoretical analysis and experimental results.This work is supported by China Southern Power Grid Co. Ltd. ( No. K- GX2014- 047) .Key words: fault location; off- line location; arc characteristics; signal generator; optimization design501刘隆华,等基于电弧外特性的故障定位信号发生器优化设计