中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)掃頻阻抗檢測(cè)法

劉小軍,祝令瑜,汲勝昌,潘亮,任富強(qiáng)

(西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

state detection

直流供電系統(tǒng)體現(xiàn)出很大的便利性以及低成本優(yōu)勢(shì),在工程各個(gè)領(lǐng)域中都得到了大量的應(yīng)用[1]。隨著直流供電系統(tǒng)的日益龐大及供電電壓的不斷提高,帶來(lái)一些潛在的危險(xiǎn):隨著電壓等級(jí)的提高,舊有的直接操作習(xí)慣會(huì)使原先安全隱患的危險(xiǎn)級(jí)別提升,易對(duì)人員造成的傷害[2-3]。根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)的功能,可以將中壓直流供電系統(tǒng)分為中心站點(diǎn)、傳輸線路及遠(yuǎn)端站點(diǎn)。在中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi),所有的通訊設(shè)備的金屬外殼均應(yīng)經(jīng)由線纜接地,但實(shí)際中常常會(huì)因接線不規(guī)范等原因?qū)е峦鈿そ拥財(cái)嚅_(kāi),致使遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)通訊設(shè)備外殼帶電[4],給操作人員的人身安全造成威脅,因此需要對(duì)遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備及機(jī)殼的接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)[5-7]。

針對(duì)遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備接地?cái)嚅_(kāi)故障,文獻(xiàn)[8]通過(guò)檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài),判斷掛接地線時(shí)接地夾鉗與接地體是否有效導(dǎo)通。文獻(xiàn)[9]依靠掛接地線人員通過(guò)手持PDA掃描條形碼標(biāo)牌來(lái)告知調(diào)度接地線狀態(tài),但依靠人工巡檢的成本較高,且設(shè)備接地點(diǎn)處出現(xiàn)斷線故障時(shí)僅憑借人工難以識(shí)別。文獻(xiàn)[10]向變電站接地網(wǎng)內(nèi)施加激勵(lì)信號(hào),通過(guò)測(cè)量地表磁場(chǎng)分布,對(duì)變電站接地?cái)帱c(diǎn)進(jìn)行診斷和定位,但該方法僅適用于交流系統(tǒng),無(wú)法同樣適用于直流系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)測(cè)量地面表面電壓的方式檢測(cè)接地網(wǎng)中斷點(diǎn)。在中壓直流供電系統(tǒng)中,一種易行的檢測(cè)方法是在遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)安裝檢測(cè)裝置,但是會(huì)干擾站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備的正常工作,因而具有極大的局限性。

本文提出了一種基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)檢測(cè)方法,并利用該方法分別在單線路及多線路中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

1 檢測(cè)方法的提出

頻率響應(yīng)法是向系統(tǒng)中注入掃頻電壓信號(hào),隨著頻率的改變,系統(tǒng)中輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值也會(huì)發(fā)生變化,以此判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

阻抗測(cè)量法需要測(cè)量在特定頻率下的系統(tǒng)阻抗值,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),阻抗值也會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量阻抗變化量,可以判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

掃頻阻抗法將頻率響應(yīng)法與特定頻率下的阻抗測(cè)量法相結(jié)合,可以準(zhǔn)確檢測(cè)系統(tǒng)中阻抗的變化,進(jìn)而判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。不同系統(tǒng)運(yùn)行狀況下,系統(tǒng)電路拓?fù)渲械碾娙?、電感、電阻及電?dǎo)會(huì)發(fā)生改變,電路拓?fù)鋵?duì)應(yīng)的諧振頻率也會(huì)發(fā)生改變。向系統(tǒng)中注入掃頻電壓信號(hào),電壓信號(hào)在系統(tǒng)中產(chǎn)生的電流幅值隨頻率變化曲線發(fā)生改變。不同系統(tǒng)運(yùn)行狀況對(duì)應(yīng)的阻抗變化與注入信號(hào)頻率有關(guān)。選擇系統(tǒng)諧振頻率為特定頻率測(cè)量系統(tǒng)阻抗,可以增加阻抗變化的分辨度,有助于提取基于阻抗變化的系統(tǒng)運(yùn)行狀況判據(jù)。

在中壓直流供電系統(tǒng)中,在中心站點(diǎn)注入掃頻電壓信號(hào),獲得不同系統(tǒng)運(yùn)行狀況下掃頻源輸出端電流掃頻曲線及系統(tǒng)諧振頻率。比較不同系統(tǒng)運(yùn)行狀況下電流掃頻曲線的變化,提取特定諧振頻率。計(jì)算在該特定諧振頻率下,注入信號(hào)源輸出端對(duì)地阻抗值,基于對(duì)地阻抗值的變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷。注入掃頻信號(hào)幅值較低,僅為1～2 V,遠(yuǎn)低于中壓直流供電系統(tǒng)的運(yùn)行電壓,經(jīng)過(guò)變壓輸入到系統(tǒng)設(shè)備后,在設(shè)備正常工作電壓范圍內(nèi),不會(huì)影響設(shè)備正常工作,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作造成干擾,簡(jiǎn)單易行,理論上可以用于實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況。

2 中壓直流供電系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)功能,中壓直流供電系統(tǒng)主要由中心站點(diǎn)、傳輸線路以及遠(yuǎn)端站點(diǎn)組成,如圖1所示。其中,中心站點(diǎn)包括直流電源、檢測(cè)裝置以及控制系統(tǒng);傳輸線路用于將中心站點(diǎn)電能傳輸?shù)竭h(yuǎn)端站點(diǎn),為遠(yuǎn)端站點(diǎn)供電;遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)布置有用電設(shè)備。

圖1 中壓直流供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 中壓直流供電系統(tǒng)等效電路模型

為簡(jiǎn)化研究,對(duì)中壓直流供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效變換,建立等效電路模型,如圖2所示?？紤]到中心站點(diǎn)內(nèi)高壓直流配電單元一般為變壓器或整流器,由遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生的故障信號(hào)與高壓直流隔開(kāi)。因此,可以用兩組分別產(chǎn)生相同電壓幅值、極性相反的三相半波整流電路,等效中心站點(diǎn)內(nèi)的直流電壓源,搭建中壓直流供電系統(tǒng)仿真模型,如圖3所示。圖中Cf為濾波電容,值為4 700 μF,濾除半波整流產(chǎn)生的較大幅值的紋波,保證線路中直流的低紋波;Rn與Rp為鉗位電阻,同時(shí)作為首端線對(duì)地絕緣電阻,等效阻值為2 MΩ,電阻一端與直流正極性線路及直流負(fù)極性線路連接,另一端接地,以保證直流正極性線路及直流負(fù)極線線路上電壓保持平衡;Cn與Cp為遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備對(duì)地等效電容,分別為設(shè)備輸入端正、負(fù)極對(duì)地雜散電容,容值較小,本文取6 nF,分別連接于直流正、負(fù)極性線路與大地之間;RL為遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備的等效阻抗,取為5 Ω。

圖3 中壓直流供電系統(tǒng)仿真模型

傳輸電纜線路可以利用電纜分布參數(shù)來(lái)等效替代,中壓直流供電系統(tǒng)中電纜線路長(zhǎng)度一般為0.01～1 km。在較高頻率下,電纜的阻抗主要由分布電感與對(duì)地電容決定,電纜電導(dǎo)與電阻可以忽略不計(jì)[11-13]。

考慮工程實(shí)際,直流傳輸電纜一般為雙芯電纜或三芯電纜,其中雙芯分別作為正、負(fù)極性傳輸線路,另外一根芯線或屏蔽層作為接地。假定電纜為均勻傳輸線[14-16],則可以根據(jù)電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)得到雙芯電纜的對(duì)地電容C及分布電感L的近似表達(dá)式為

(1)

(2)

式中:S為雙芯電纜導(dǎo)體間的中心距離,mm;d為雙芯電纜導(dǎo)體外徑,mm;D為雙芯電纜導(dǎo)體的絕緣外徑,mm;ε為絕緣材料相對(duì)介電常數(shù)。

本文選用型號(hào)為UL2464 2*8AWG的屏蔽控制電纜,計(jì)算可得C=1.185×-7F/km,L=2.786×10-4H/km。實(shí)際測(cè)量1 km雙芯電纜的對(duì)地電容為0.12 μF,理論計(jì)算值與實(shí)際值能夠吻合。

3 高頻阻抗檢測(cè)法

在中壓直流供電系統(tǒng)中,遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備外殼通過(guò)接地電纜接地,傳輸電纜的接地芯線或屏蔽層單獨(dú)接地。遠(yuǎn)端接地狀態(tài)可以分為正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開(kāi)狀態(tài)。正常接地狀態(tài)即遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備和傳輸電纜正常接地;遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)即只有遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備接地?cái)嚅_(kāi),傳輸電纜屏蔽層正常接地;遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開(kāi)狀態(tài)即遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備接地與電纜屏蔽層的接地均斷開(kāi)。中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)不同接地狀態(tài)電路拓?fù)淙鐖D4所示。

(a)正常接地狀態(tài)

(b)遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)

(c)遠(yuǎn)端與電纜接地均斷開(kāi)狀態(tài)圖4 不同接地狀態(tài)電路拓?fù)?/p>

中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)處于不同狀態(tài)時(shí),電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化,其中對(duì)地回路中的元件參數(shù)變化尤其明顯。在高壓直流正極性線路靠中心站點(diǎn)側(cè)與地之間并聯(lián)一個(gè)高頻交流源支路,可以通過(guò)檢測(cè)高頻交流源輸出側(cè)對(duì)地阻抗的變化來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)端站點(diǎn)的接地狀態(tài),如圖5所示。其中,在高頻交流源輸出端串聯(lián)隔直電容C1,防止高壓直流流入高頻交流源;在直流源與高頻交流支路間串聯(lián)隔交電感L1,防止高頻交流流入直流源。通過(guò)測(cè)量高頻回路中高頻交流源輸出端對(duì)地阻抗及其相位,可以對(duì)遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行判斷。

在遠(yuǎn)端站點(diǎn)不同接地狀態(tài)時(shí)的高頻回路拓?fù)渲?可以列寫(xiě)求解高頻回路對(duì)地阻抗的節(jié)點(diǎn)電壓方程如下

圖5 阻抗檢測(cè)電路圖

(3)

(4)

(5)

Un1～Un5為圖5中①～⑤處節(jié)點(diǎn)電壓;B計(jì)算式為

正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開(kāi)狀態(tài)時(shí),阻抗矩陣分別為A0、A1、A2,表達(dá)式如下

A0=

由式(3)～(5)可看出,不同接地狀態(tài)時(shí)高頻回路接地阻抗,隨高頻交流源頻率的改變而改變。仿真中選擇高頻交流頻率為10 kHz,仿真驗(yàn)證可得:當(dāng)C1選為100 nF、L1選為1 H時(shí),不同接地狀態(tài)時(shí)Z區(qū)分度相對(duì)最大;傳輸電纜長(zhǎng)度為150 m時(shí),遠(yuǎn)端站點(diǎn)正常接地狀態(tài)時(shí)高頻回路對(duì)地阻抗Z0=1.26-j272.37 Ω,遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)高頻回路對(duì)地阻抗Z1=1.27-j284.72 Ω,遠(yuǎn)端接地與電纜接地均斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)高頻回路對(duì)地阻抗Z2=1×106-j141.62 Ω。

中心站點(diǎn)與遠(yuǎn)端站點(diǎn)間的傳輸電纜對(duì)地電容值較大,且傳輸電纜對(duì)地電容隨傳輸電纜長(zhǎng)度增加而增大,遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)對(duì)地電容值較小。傳輸電纜的對(duì)地電容會(huì)將遠(yuǎn)端站點(diǎn)內(nèi)對(duì)地電容接地狀態(tài)掩蓋,遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)對(duì)Z的影響隨傳輸電纜長(zhǎng)度增加而減小。該方法可以區(qū)分遠(yuǎn)端站點(diǎn)不同接地狀態(tài),也可以區(qū)分遠(yuǎn)端及電纜全部接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài),但對(duì)只有遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)區(qū)分度相對(duì)較差。

測(cè)量Z的方式中,遠(yuǎn)端設(shè)備等效阻抗為正負(fù)極線間等效阻抗,阻抗的大小對(duì)本方法造成的影響可以忽略。當(dāng)遠(yuǎn)端設(shè)備增加或者變更設(shè)備時(shí),Cn、Cp及RL發(fā)生變化,但該變化被傳輸電纜對(duì)地電容所掩蓋,對(duì)Z測(cè)量的影響可以忽略。

在中壓直流供電系統(tǒng)中,還會(huì)出現(xiàn)傳輸電纜接地?cái)嚅_(kāi)而遠(yuǎn)端接地正常的狀態(tài)。由于傳輸電纜對(duì)地電容遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端設(shè)備對(duì)地電容,該狀態(tài)可以近似等效于遠(yuǎn)端及電纜接地全部斷開(kāi)狀態(tài),通過(guò)高頻阻抗檢測(cè)法可以將其區(qū)分出來(lái)。當(dāng)傳輸電纜接地?cái)嚅_(kāi)而遠(yuǎn)端接地正常時(shí),不會(huì)影響遠(yuǎn)端設(shè)備的正常工作,也不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備外殼帶電,因而本文不對(duì)其展開(kāi)分析。

4 掃頻阻抗檢測(cè)法

4.1 掃頻曲線分析

高頻回路對(duì)地阻抗與交流源頻率有關(guān),改變交流源頻率,不同接地狀態(tài)時(shí)Z會(huì)隨之發(fā)生變化。為了提高不同接地狀態(tài)時(shí)Z的區(qū)分度,用掃頻源代替高頻交流源,對(duì)交流回路進(jìn)行掃頻分析,測(cè)量掃頻源輸出側(cè)電流隨頻率變化的曲線[17-18],可得到不同接地狀態(tài)高頻回路中掃頻源輸出側(cè)電流諧振頻率[19-21]。掃頻電路如圖6所示。

圖6 掃頻電路圖

基于PSPICE軟件,對(duì)掃頻源輸出側(cè)電流的頻率曲線進(jìn)行仿真[22-23]。設(shè)置掃頻范圍為1～1 250 kHz,步長(zhǎng)為10 Hz。仿真可得150、500、1 000 m電纜線路中不同遠(yuǎn)端接地狀態(tài)時(shí)掃頻源輸出側(cè)電流掃頻曲線,如圖7所示,其中0、1及2分別表示正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)及遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)。

從圖7b可以看出,當(dāng)中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端接地與電纜接地全部斷開(kāi)時(shí),網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有完整回路,此時(shí)接地回路中電流幅值趨近于0,不隨掃頻頻率變化而變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于正常接地狀態(tài)或遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí),電流掃頻曲線諧振點(diǎn)頻率以及同一諧振點(diǎn)處電流幅值有較大區(qū)別。通過(guò)比較掃頻曲線,可以對(duì)中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端接地處于正常接地狀態(tài)或接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的區(qū)分判斷。正常接地狀態(tài)、遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)的掃頻曲線諧振頻率如表1所示。

由圖7b可以看出,在700 kHz附近諧振點(diǎn)處不同曲線諧振頻率差值較大,且在該諧振頻率處流過(guò)C1的諧振電流幅值較高。根據(jù)表1,正常接地狀態(tài)掃頻曲線該點(diǎn)處諧振頻率f0為663.7 kHz,遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)掃頻曲線該點(diǎn)處諧振頻率f1為678.9 kHz,遠(yuǎn)端接地與電纜接地全部斷開(kāi)狀態(tài)該點(diǎn)處無(wú)諧振。663.7 kHz為正常接地狀態(tài)高頻回路發(fā)生諧振,電流幅值較大,此頻率不是遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)回路諧振頻率。因而在663.7 kHz處,正常接地狀態(tài)時(shí)電流幅值遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)電流幅值。相比于選用10 kHz作為交流高頻源頻率,利用掃頻諧振方法選擇高頻交流源頻率可以增大遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)與正常接地狀態(tài)的區(qū)分度。

表1 不同接地狀態(tài)掃頻曲線諧振頻率

(a)150 m

(b)500 m

實(shí)際檢測(cè)中,每一次檢測(cè)都基于掃頻曲線的方法較為復(fù)雜,對(duì)操作人員要求較高,且僅通過(guò)掃頻曲線提出判據(jù)難度很大。在進(jìn)行多線路接地狀態(tài)檢測(cè)時(shí),僅通過(guò)掃頻曲線的方式難以甄別多條線路中發(fā)生接地故障。將掃頻曲線方法與高頻阻抗法相結(jié)合,可以有效解決單條線路檢測(cè)復(fù)雜度及多線路接地狀態(tài)檢測(cè)的問(wèn)題。針對(duì)一固定線路,首先測(cè)得其掃頻曲線,通過(guò)掃頻曲線可以得到不同接地狀態(tài)時(shí)電路拓?fù)涞闹C振點(diǎn)頻率。綜合考慮不同接地狀態(tài)時(shí)同一諧振點(diǎn)頻率差值與該點(diǎn)諧振電流幅值,選定高頻交流電壓源頻率。在該頻率下,正常接地狀態(tài)時(shí)Z與遠(yuǎn)端及電纜接地均斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)的差別較大,區(qū)分度較高,可以準(zhǔn)確分辨出遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)。

(c)1 000 m圖7 不同長(zhǎng)度電纜電流掃頻曲線

4.2 單條線路接地狀態(tài)

在中壓直流供電系統(tǒng)中,中心站點(diǎn)只與一個(gè)遠(yuǎn)端站點(diǎn)連接,利用掃頻阻抗法對(duì)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)?；赑SCAD,對(duì)單條線路中遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)進(jìn)行仿真,仿真電路如圖5所示。

考慮傳輸電纜對(duì)地電容對(duì)遠(yuǎn)端接地狀態(tài)檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響,改變傳輸電纜長(zhǎng)度,檢測(cè)不同傳輸電纜長(zhǎng)度下遠(yuǎn)端接地狀態(tài),結(jié)果如圖7所示。掃頻曲線中諧振峰頻率與電纜分布電感、電纜對(duì)地雜散電容有關(guān),電感與電容越小,諧振點(diǎn)頻率越高。電感、電容與電纜長(zhǎng)度成正比,因而電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),諧振點(diǎn)頻率越低,設(shè)置掃頻范圍上限頻率越低。其中,150 m線路中分布電感為4.179 μH,對(duì)地電容為1.777 5 nF;500 m線路中分布電感為13.93 μH,對(duì)地電容為5.925 nF;1 000 m線路中分布電感為27.86 μH,對(duì)地電容為11.85 nF。

圖8 多線路情況阻抗檢測(cè)電路

為了進(jìn)一步對(duì)遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行判定,綜合考慮不同電流掃頻曲線諧振頻率差值與諧振電流幅值,分別選定2.187 MHz、663.7 kHz及335.0 kHz作為150、500及1 000 m線路的高頻回路頻率,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出,當(dāng)選定正常接地狀態(tài)諧振頻率作為高頻回路中高頻交流源頻率時(shí),遠(yuǎn)端不同接地狀態(tài)時(shí)Z的區(qū)分度比10 kHz交流源頻率時(shí)的阻抗區(qū)分度更大,可以通過(guò)掃頻阻抗的方法對(duì)單條線路中遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

表2 不同長(zhǎng)度傳輸電纜線路高頻對(duì)地阻抗

4.3 多條線路接地狀態(tài)

中壓直流供電系統(tǒng)中心站點(diǎn)與多個(gè)遠(yuǎn)端站點(diǎn)連接,利用掃頻阻抗法對(duì)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。基于PSCAD,對(duì)兩條線路中遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)進(jìn)行仿真,仿真電路如圖8所示。其中,Lc1與Cc1為線路1中傳輸電纜的分布電感與對(duì)地電容;Lc2與Cc2為線路2中傳輸電纜的分布電感與對(duì)地電容。

考慮傳輸電纜對(duì)地電容對(duì)遠(yuǎn)端接地狀態(tài)檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響,改變傳輸電纜長(zhǎng)度,對(duì)不同傳輸電纜長(zhǎng)度情況下遠(yuǎn)端接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。分別對(duì)500 m & 1 000 m及300 m & 800 m雙傳輸線路進(jìn)行掃頻阻抗計(jì)算。當(dāng)線路1與線路2傳輸電纜長(zhǎng)度分別為500 m與1 000 m時(shí),對(duì)線路進(jìn)行掃頻分析,分別測(cè)量得到不同接地狀態(tài)下的電流掃頻曲線如圖9所示。其中,00、01、02、10、11、12、20、21及22分別表示500 m線路正常接地且1 000 m線路正常接地、500 m線路正常接地且1 000 m線路遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)、500 m線路正常接地且1 000 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)、500 m線路遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)且1 000 m線路正常接地、500 m線路遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)且1 000 m線路遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)、500 m線路遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)且1 000 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)、500 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)且1 000 m線路正常接地、500 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)且1 000 m線路遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)、500 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)且1 000 m線路遠(yuǎn)端與電纜接地?cái)嚅_(kāi)。

圖9 500 m & 1 000 m多線路不同接地狀態(tài)電流掃頻曲線

根據(jù)圖9,可以得到500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路中不同接地狀態(tài)時(shí)電流的諧振頻率。以?xún)蓷l線路中均正常接地時(shí)電流諧振頻率作為基準(zhǔn)值,比較不同接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)的諧振頻率。當(dāng)諧振頻率為247 kHz時(shí),其他接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)與正常接地諧振頻率差值最大。選擇247 kHz為高頻交流源的頻率,如圖9所示,由測(cè)量線路輸入端對(duì)地電壓Ea、高頻源輸出電壓U、流過(guò)隔直電容C1的電流Is、流過(guò)線路1的電流I1以及流過(guò)線路2的電流I2,可以計(jì)算得到不同接地狀態(tài)時(shí)的線路1對(duì)地阻抗Z11、線路2對(duì)地阻抗Z12以及高頻輸出端對(duì)地阻抗Zs,不同接地狀態(tài)時(shí)500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路阻抗如表3所示。

當(dāng)線路1與線路2傳輸電纜長(zhǎng)度分別為300 m與800 m時(shí),對(duì)線路進(jìn)行掃頻分析,得到不同接地狀態(tài)下的電流掃頻曲線如圖10所示。根據(jù)圖10,可以得到500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路中不同接地狀態(tài)時(shí)電流的諧振頻率。以?xún)蓷l線路中均正常接地時(shí)電流諧振頻率作為基準(zhǔn)值,比較不同接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)諧振頻率,當(dāng)諧振頻率為357 kHz時(shí),其他接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)與正常接地諧振頻率差值最大。選擇357 kHz為高頻交流源的頻率,如圖8所示電路,可以計(jì)算得到Z11、Z12以及Zs見(jiàn)表4。

根據(jù)表3與表4,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生接地?cái)嚅_(kāi)故障時(shí),各線路對(duì)地阻抗的幅值發(fā)生較大變化。定義參數(shù)α表示線路對(duì)地阻抗幅值的變化程度計(jì)算得到雙傳輸電纜線路中不同接地狀態(tài)時(shí)的α值,如表5所示。從中可以看出:認(rèn)為遠(yuǎn)端與電纜接地均斷開(kāi)的狀況比遠(yuǎn)端接地?cái)嚅_(kāi)狀況更加惡劣;當(dāng)較長(zhǎng)線路發(fā)生的接地故障比較短的線路發(fā)生的接地故障更加惡劣時(shí),即01、02、12狀態(tài)時(shí),α值比正常接地時(shí)大;當(dāng)較短線路發(fā)生的接地故障比較長(zhǎng)的線路中發(fā)生的接地故障更加惡劣時(shí),即10、20、21狀態(tài)時(shí),α值比正常接地時(shí)的比較小。

圖10 300 m & 800 m多線路不同接地狀態(tài)電流掃頻曲線

狀態(tài)Zs/ΩZ11/ΩZ12/Ω001.00-j68.451.97-j8.202.01-j7.91011.00-j69.341.93-j9.822.06-j9.860279.26-j101.720.51-j45.1414.78-j214.18101.00-j68.812.01-j9.141.97-j8.44111.00-j69.761.96-j10.902.02-j10.471279.31-j107.090.44-j51.6416.25-j244.99200.87-j73.312.31-j24.581.40-j13.92210.87-j75.052.29-j29.381.41-j16.64221.00×106-j35.581.50×106-j2.88×1042.99×106+j1.14×105

表4 300 m & 800 m雙傳輸電纜線路不同接地狀態(tài)對(duì)地阻抗

α=|Z2|/|Z1|

(6)

綜合考慮對(duì)地阻抗幅值以及α值的變化,可以對(duì)遠(yuǎn)端接地狀態(tài)及接地故障所在線路進(jìn)行檢測(cè)判斷。當(dāng)線路1阻抗比正常接地時(shí)對(duì)地阻抗大,說(shuō)明有接地?cái)嚅_(kāi)故障存在,若α值比正常接地時(shí)的α值大,說(shuō)明接地?cái)嚅_(kāi)故障在較長(zhǎng)線路中出現(xiàn),且更加惡劣;若值α比正常接地時(shí)的α值小,說(shuō)明接地?cái)嚅_(kāi)故障在較短線路中出現(xiàn),且更加惡劣。

表5 不同傳輸電纜線路中各接地狀態(tài)

4.4 接地狀態(tài)檢測(cè)算法

針對(duì)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)檢測(cè)的問(wèn)題,基于掃頻阻抗的計(jì)算提出檢測(cè)算法,算法流程見(jiàn)圖11。

圖11 接地狀態(tài)檢測(cè)算法流程圖

對(duì)單條線路或多條線路進(jìn)行人為選擇,當(dāng)對(duì)單條線路中的接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),保證一次正常接地狀態(tài),對(duì)正常接地狀態(tài)下的電路掃頻曲線進(jìn)行測(cè)量,并測(cè)量計(jì)算每一諧振頻率點(diǎn)處的對(duì)地阻抗。測(cè)量實(shí)際線路中高頻源輸出端電流掃頻曲線,將該實(shí)際線路掃頻曲線與正常掃頻曲線進(jìn)行對(duì)比,若諧振點(diǎn)頻率均值之差未超過(guò)設(shè)定閾值,則認(rèn)為線路接地正常;否則測(cè)量計(jì)算實(shí)際線路的諧振點(diǎn)處對(duì)地阻抗Z1,并與正常對(duì)地阻抗Z0進(jìn)行比較,若二者之差超過(guò)閾值,則認(rèn)為線路存在接地?cái)嚅_(kāi)故障。

當(dāng)對(duì)多條線路中的接地狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),保證一次正常接地狀態(tài),測(cè)量得到該狀態(tài)下的電路掃頻曲線,并計(jì)算每一諧振頻率點(diǎn)處的各線路對(duì)地阻抗以及α值,以此為基準(zhǔn)值。測(cè)量實(shí)際線路中高頻源輸出端電流掃頻曲線,比較實(shí)際線路掃頻曲線與正常掃頻曲線,根據(jù)諧振點(diǎn)頻率差值選取特定諧振頻率,在該諧振點(diǎn)頻率下,測(cè)量實(shí)際線路中各線路對(duì)地阻抗,并與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。若對(duì)地阻抗差值超過(guò)設(shè)定閾值,則測(cè)量計(jì)算實(shí)際線路中的α值,將實(shí)際線路α值與基準(zhǔn)值對(duì)比,若二者差值超過(guò)設(shè)定閾值,認(rèn)為線路存在接地?cái)嚅_(kāi)故障。根據(jù)實(shí)際線路中各線路對(duì)地阻抗與α值的變化趨勢(shì),可以對(duì)接地?cái)嚅_(kāi)故障所在線路進(jìn)行判斷。

5 結(jié) 論

本文對(duì)中壓直流供電系統(tǒng)中的遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)進(jìn)行了研究,提出了一種基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)檢測(cè)方法,得到以下結(jié)論。

(1)在中壓直流供電系統(tǒng)中心站點(diǎn)電源輸出側(cè)并聯(lián)高頻交流支路,測(cè)量高頻交流源輸出側(cè)對(duì)地阻抗,可以用于檢測(cè)中壓直流供電系統(tǒng)中遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)。仿真研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)選擇遠(yuǎn)端站點(diǎn)正常接地狀態(tài)諧振頻率作為高頻交流源頻率、遠(yuǎn)端站點(diǎn)發(fā)生接地?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí),高頻回路對(duì)地阻抗區(qū)分度更大。

(2)研究高頻交流源輸出側(cè)電流掃頻曲線,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端站點(diǎn)不同接地狀態(tài)時(shí)的掃頻電流諧振頻率會(huì)發(fā)生改變,遠(yuǎn)端站點(diǎn)發(fā)生接地?cái)嚅_(kāi)故障時(shí)的平均諧振頻率比遠(yuǎn)端站點(diǎn)正常接地狀態(tài)時(shí)的平均諧振頻率更高,且平均諧振頻率隨中壓直流供電系統(tǒng)傳輸電纜長(zhǎng)度的增加而降低。

(3)與正常接地狀態(tài)相比,遠(yuǎn)端站點(diǎn)發(fā)生接地?cái)嚅_(kāi)故障時(shí),對(duì)地阻抗與電流掃頻曲線均會(huì)發(fā)生較大改變,可以作為檢測(cè)中壓直流供電系統(tǒng)單條線路中遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)的判據(jù)。

(4)對(duì)地阻抗與α值的變化趨勢(shì)可以作為判據(jù),檢測(cè)中壓直流供電系統(tǒng)多條線路中遠(yuǎn)端站點(diǎn)的接地狀態(tài),并對(duì)接地?cái)嚅_(kāi)故障所在線路定位。

總之,在中壓直流供電系統(tǒng)中心站點(diǎn)輸出側(cè)并聯(lián)高頻交流支路,利用本文提出的基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統(tǒng)遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地狀態(tài)檢測(cè)方法,可以準(zhǔn)確判斷中壓直流供電系統(tǒng)單條線路是否發(fā)生接地?cái)嚅_(kāi)故障,也可以準(zhǔn)確判斷及定位發(fā)生在中壓直流供電系統(tǒng)多條線路中的遠(yuǎn)端站點(diǎn)接地?cái)嚅_(kāi)故障,在工程實(shí)踐中具有較高的實(shí)用價(jià)值。