階躍響應法在浮地交流系統(tǒng)絕緣故障定位中的應用初探

針對交流系統(tǒng)絕緣故障定位現(xiàn)有方法存在的問題，提出了一種新的解決方案—階躍響應法。通過對階躍信號注入電網(wǎng)后的負載支路漏電流及其傳感器感應電流的理論分析，得到了支路阻性電流與容性電流在時域上分離，而與電網(wǎng)工頻信號在頻域分離，從而易于提取這一結論。并通過試驗驗證。
關鍵詞：階躍響應法；浮地交流系統(tǒng)；絕緣故障定位

The Application of Step-Response Method in The Insulation Fault-location of Earth Free AC System

Zhuang Jin-wu Zhang Xiao-feng

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033. China)

Abstract: Power network ground capacitor can influence the correctness of fault-location, which is hard to be overcome with existing fault-location method. To solve this problem, a new method—step-response method is developed and presented in this paper. The method can achieve separation between the characteristic value reflecting the ground resistance and the value reflecting the ground capacitor in time domination. Moreover, the characteristic value is also separated from the power network signal in frequency domination and can be picker up easily. The paper included both theoretical analysis and experimental research.
Keywords: earth free AC system; insulation fault-location; step-response method

0 引言
查找浮地交流系統(tǒng)對地絕緣故障最常用的方法是工頻零序電流判據(jù)^[1-3] ，但當出現(xiàn)三相絕緣同時降低或接地電阻較大時，該方法將難以判斷。為此，低頻信號注入法開始被用來解決該類問題，通過對直流電網(wǎng)的應用分析，發(fā)現(xiàn)該方法檢測靈敏度隨著電網(wǎng)對地電容的增大而降低 ^[3,4]，這一結論同樣適用于交流電網(wǎng)。為了克服電網(wǎng)對地電容的影響，筆者嘗試采用了穩(wěn)態(tài)直流信號注入方法，通過霍爾傳感器對負載支路漏電流的感應和直流成分的提取來判斷絕緣故障支路，理論上是優(yōu)越的，但在工程實現(xiàn)上較難。通過工業(yè)現(xiàn)場的應用，發(fā)現(xiàn)霍爾傳感器受空間雜散磁場的干擾大，尤其是在穿心口徑大且漏電流微弱的情況下；當霍爾傳感器數(shù)量多且較分散時，其工作電源的提供在工程上復雜且電源品質(zhì)難以保證；霍爾傳感器間的偏差校正較復雜，這些問題影響了穩(wěn)態(tài)直流信號注入方法在工程上的應用?；诖?，本文提出了一種能有效克服電網(wǎng)分布電容等參數(shù)和工頻變量影響，且工程上易實現(xiàn)的方案—階躍響應法，其基本思想是向電網(wǎng)注入一直流階躍信號，利用負載支路暫態(tài)漏電流響應中阻性電流與容性電流在時域上分離，而與電網(wǎng)工頻信號在頻域上分離的特性，通過高精度傳感器對暫態(tài)漏電流的感應，并采用數(shù)字濾波手段，將反映支路對地絕緣電阻大小的阻性電流提取出，從而判斷出絕緣故障支路。

1 階躍響應法原理
階躍響應法應用于浮地交流系統(tǒng)絕緣故障支路定位的原理如圖1(a)所示，三相電網(wǎng)母線給n條負載支路供電，每條支路對地電容分別為C₁,C₂,^...C_n，交流漏流傳感器環(huán)套在每條支路三相電纜上，當電網(wǎng)出現(xiàn)低絕緣故障時，假設第i條負載支路絕緣下降，且絕緣電阻為R_J，閉合開關K，即向電網(wǎng)投入了直流階躍信號，直流電勢為E，限流內(nèi)阻為R₀。
1.1 故障支路對階躍信號的電流響應
階躍注入電網(wǎng)時，負載支路暫態(tài)漏電流同時包含有階躍響應成分和工頻成分。為便于討論，首先以故障支路i為例，分析直流階躍信號單獨作用時的暫態(tài)電流響應。由于交流電源內(nèi)阻抗z遠小于限流內(nèi)阻和絕緣電阻，則圖1(a)所示電路可等效成如圖1(b)所示簡化電路。

向電網(wǎng)注入直流階躍信號時，故障支路的漏電流(傳感器的穿心電流)為

① 當I_R = I_C時，或電網(wǎng)對地無電容時，漏電流為階躍形式，階躍幅值為I_R，見圖2曲線b；
② 當I_R > I_C時，漏電流階躍上升至IC后，按指數(shù)規(guī)律上升至I_R，見圖2曲線c；
③ 當I_R I_C時，漏電流階躍上升至IC后，按指數(shù)規(guī)律下降至I_R，見圖2曲線a；

由圖2可知，階躍信號作用于電網(wǎng)時，流過絕緣故障支路的漏電流同時包含了反映接地電阻和對地電容信息量，而反映電容大小的電流量會按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，并收斂于僅反映電阻大小的電流量上。因此，若能采用高導磁率材料制成的高精度交流電流傳感器，使之能較準確地反映出故障電流的初始動態(tài)過程，則不難得到故障電流的波形，尤其是反映電阻大小的電流值，從而計算出故障支路接地電阻的大小。
1.2 穿心電流傳感器的模型及其感應電流的計算
電流傳感器電氣線路和磁路示意圖見圖3。原邊電流為i₁，副邊電流為i₂，副邊匝數(shù)為w₂，Φ為互磁通，Φ_2s為副漏磁通，副邊接負載電阻R，電流、電勢和磁通的正方向如圖示。