小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的雙頻信號注入信號源的設計

高浩 張昊 董超 韓秀艷 劉濤

摘要：隨著配網單相接地故障定位技術的不斷發(fā)展，目前基于故障指示器的單相接地故障定位多采用外施信號源的方式，因此外施信號對單相接地故障定位的準確性就變得尤為重要，信號源注入信號的方式、方法以及穩(wěn)定性對單相接地故障定位系統(tǒng)設計影響深遠。本文介紹了一種基于低勵磁阻抗變壓器的雙頻信號源的設計，該信號源在注入方式上采用了穩(wěn)態(tài)電壓源的方式，受分支影響較小，且雙頻率信號開出的方式對于線路側故障指示器的故障定位提供了穩(wěn)定的信號支撐。

Abstract： This paper analyzes the neutral point ungrounded system， the fault location and isolation system based on the dual-frequency injection method to solve the problem of single-phase ground fault location in the current distribution network system; the technology of the dual-frequency injection method in the distribution network The signal acquisition unit and the control unit are installed at the demarcation and sectional switches to realize segment positioning and fault isolation of single-phase ground faults.

關鍵詞： 信號源， 信號注入，穩(wěn)態(tài)電壓源，單相接地故障定位

Keyword： single-phase ground，fault location and isolation，dual frequency injection technique.

引言：

1. 介紹目前信號源的方式及缺點

配電網發(fā)生單相接地故障時，通過信號源發(fā)生器向母線的非故障相和地間輸入短時的特殊信號，然后檢測故障線中短時的特殊信號，這樣可以選擇故障線，并通過線路干線與分支線上安裝的故障指示器確定故障點。

信號源發(fā)生器產生恒定頻率、恒定功率的信號。目前應用的在線注入信號源發(fā)生器可以產生直流高壓信號和交流低壓信號。做為電流源，它們的缺點是易受分布電容的影響，電流會隨著離輸入點距離的增加而變小。另外單頻交流信號判斷故障點算法復雜，且容易受到易變量及不穩(wěn)定因數的影響，導致計算結果不準確而難以得到正確的結論。

2. 新型雙頻信號電壓源解決了以上問題，介紹信號源的設計

一、 信號源研制的背景及整體思路

市場上幾年前就出現了集接地選相、選線等功能于一體的智能化設備。在實際應用中，光選出故障線路已經不能滿足人們對供電可靠性越來越高的需求，定位故障點技術被提上日程。而要定位故障點，外施信號是必然的選擇。接下來所要考慮的是通過什么方式施加信號和施加什么樣的信號。經過反復推敲論證及結合小電流接地轉移裝置的特點，把接地點處串接的低阻抗電抗器改為低勵磁阻抗變壓器，然后在其二次側注入特征信號，使其經過低勵磁阻抗變壓器進入電網，再檢測特征信號在故障線路故障點前后的不同，來進行故障定位是一個切實可行的解決方案。

注入的方式有了，注入什么樣的信號也是面臨著選擇，單頻信號簡單但其要計算阻抗、容抗等，其計算過程復雜。雙頻信號注入可采用兩信號的比值來確定故障點，而不一定非要計算出容抗和阻抗的大小，簡化了計算且濾除了其它信號對計算結果的干擾和影響，而成為更好的選擇。

二、 數字合成信號源的設計與分析

由于低勵磁阻抗變壓器的特點，需要在二次側注入雙頻的恒定的電流信號，經過低勵磁阻抗變壓器后變成雙頻的恒定的電壓信號。且由于低勵磁阻抗變壓器的電抗很小，要在其一次側達到一定的電壓值（幾十伏），則要求在二次側注入的雙頻信號的電流要滿足一定的幅值需求。也即要求雙頻信號注入信號源的輸出電流要達到100A以上。

三、 功率源的設計與實現

為了穩(wěn)定輸出100A以上的雙頻電流，特選用了IGBT做為電流輸出器件。整個功率源的設計包括輸入端采用單相交流電，經整流后變?yōu)橹绷餍盘枺谥绷餍盘柕妮敵龆瞬⒙撝绷髦坞娙?，在直流電容后接H橋逆變電路，在逆變輸出后加平波電抗器和濾波電容。由于輸出的是兩個頻率幅值恒定的電流，算法上要應用電流反饋來達成，所以出口處的CT是必不可少的一個重要組件。

IGBT是功率器件，可以工作在大電流和高頻率開關的條件下，基于此其散熱非常重要，所以此功率源不但設計有符合溫升要求的散熱片，還要設計風扇來加速空氣流動，增強散熱效率。

四、 仿真分析及軟硬件實現

控制系統(tǒng)選擇TMS320F28335做為主控芯片（CPU），應用CPU內部AD進行采樣，采用SPWM逆變控制技術，利用CPU內部16位ePWM進行輸出控制，輸出頻率和幅值可調的雙頻信號。

軟件設計上用其它ePWM的定時功能觸發(fā)AD采樣，在AD中斷中依據采樣值實時計算輸出波形當前電流點值，與預期的雙頻正弦波電流值進行逐點比較，逐點調整。

三角波載波頻率設為10kHz，則IGBT開關頻率為10kHz，采用單極性倍頻，用兩個IGBT組成橋式倍頻開出，開出頻率可達20kHz。定義AD在三角波的頂底點進行采樣，采樣速率也是20kHz，即采樣中斷間隔時間為50us。

預期電流值用Asin （mWt）+Bsin（nWt）公式，A為頻率1幅值，B為頻率2幅值。由于硬件設計的逆變電路是一個電壓型的逆變電路，要輸出恒定的電流，還要知道負載的阻抗（參數設置），用阻抗與電流的相乘才能得到控制電壓。用此控制電壓與直流電壓的比值乘以載波幅值，就可以做為ePWM控制寄存器值。基于此就達到一個初略的雙頻電流的輸出控制。由于只有一個反饋量，輸出的波形精度不高，如果要提高輸出精度，要引入更多的反饋控制，比如引入負載兩端的電壓，及感性負載的電感量等來做為反饋量，這樣經過平波電抗器后，輸出電流的幅值更接近于正弦波。

另外由于IGBT的自身特點，是一種用MOS來控制晶體管的電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點，但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現意外就會使它損壞。為此，必須但對IGBT進行相關保護。保護分為過流保護，過壓保護和過熱保護。

過流保護采用瞬時點過流判斷，如果瞬時點電流幅值的絕對值超過保護電流的最大瞬時值，且連續(xù)10個點達到0.5ms，則停止逆變，關閉IGBT開出。

過壓保護采用瞬時點控制電壓幅值判斷，如果控制電壓值超過設定電壓值，且連續(xù)30～50個點1ms～3ms，則停止逆變，關閉IGBT開出。

此處過流和過壓保護都是采用瞬時點保護，而非常用的周波計算保護，使保護動作更迅速，能更好的保護IGBT。

過熱保護采用IGBT內部熱電偶溫度檢測及溫控開關（80℃）進行保護。

下圖為負載兩端電壓與輸出電流的波形，頻率1為75Hz，幅值為90A，頻率2為225Hz，幅值為30A，分別接1歐電阻負載和1mH電抗負載。

五、結論

由于能穩(wěn)定、精準地輸出雙頻信號，與雙頻檢測裝置配合，為故障定位技術提供了判斷的依據。雙頻信號注入信號源在小電流系統(tǒng)單相接地故障定位裝置中發(fā)揮了重要的作用。

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作者簡介：高浩（1990-）男，漢，工程師，從事電力系統(tǒng)研究工作，現就職于云南電網有限責任公司西雙版納供電局