階躍響應(yīng)法在浮地交流系統(tǒng)絕緣故障定位中的應(yīng)用初探

針對(duì)交流系統(tǒng)絕緣故障定位現(xiàn)有方法存在的問(wèn)題，提出了一種新的解決方案—階躍響應(yīng)法。通過(guò)對(duì)階躍信號(hào)注入電網(wǎng)后的負(fù)載支路漏電流及其傳感器感應(yīng)電流的理論分析，得到了支路阻性電流與容性電流在時(shí)域上分離，而與電網(wǎng)工頻信號(hào)在頻域分離，從而易于提取這一結(jié)論。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：階躍響應(yīng)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(duì)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(dāng)出現(xiàn)三相絕緣同時(shí)降低或接地電阻較大時(shí)，該方法將難以判斷。為此，低頻信號(hào)注入法開始被用來(lái)解決該類問(wèn)題，通過(guò)對(duì)直流電網(wǎng)的應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)該方法檢測(cè)靈敏度隨著電網(wǎng)對(duì)地電容的增大而降低 ^[3,4]，這一結(jié)論同樣適用于交流電網(wǎng)。為了克服電網(wǎng)對(duì)地電容的影響，筆者嘗試采用了穩(wěn)態(tài)直流信號(hào)注入方法，通過(guò)霍爾傳感器對(duì)負(fù)載支路漏電流的感應(yīng)和直流成分的提取來(lái)判斷絕緣故障支路，理論上是優(yōu)越的，但在工程實(shí)現(xiàn)上較難。通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)霍爾傳感器受空間雜散磁場(chǎng)的干擾大，尤其是在穿心口徑大且漏電流微弱的情況下；當(dāng)霍爾傳感器數(shù)量多且較分散時(shí)，其工作電源的提供在工程上復(fù)雜且電源品質(zhì)難以保證；霍爾傳感器間的偏差校正較復(fù)雜，這些問(wèn)題影響了穩(wěn)態(tài)直流信號(hào)注入方法在工程上的應(yīng)用。基于此，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(shí)現(xiàn)的方案—階躍響應(yīng)法，其基本思想是向電網(wǎng)注入一直流階躍信號(hào)，利用負(fù)載支路暫態(tài)漏電流響應(yīng)中阻性電流與容性電流在時(shí)域上分離，而與電網(wǎng)工頻信號(hào)在頻域上分離的特性，通過(guò)高精度傳感器對(duì)暫態(tài)漏電流的感應(yīng)，并采用數(shù)字濾波手段，將反映支路對(duì)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(yīng)法原理
階躍響應(yīng)法應(yīng)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(fù)載支路供電，每條支路對(duì)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(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)低絕緣故障時(shí)，假設(shè)第i條負(fù)載支路絕緣下降，且絕緣電阻為R_J，閉合開關(guān)K，即向電網(wǎng)投入了直流階躍信號(hào)，直流電勢(shì)為E，限流內(nèi)阻為R₀。
1.1 故障支路對(duì)階躍信號(hào)的電流響應(yīng)
階躍注入電網(wǎng)時(shí)，負(fù)載支路暫態(tài)漏電流同時(shí)包含有階躍響應(yīng)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(hào)單獨(dú)作用時(shí)的暫態(tài)電流響應(yīng)。由于交流電源內(nèi)阻抗z遠(yuǎn)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(jiǎn)化電路。

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

① 當(dāng)I_R = I_C時(shí)，或電網(wǎng)對(duì)地?zé)o電容時(shí)，漏電流為階躍形式，階躍幅值為I_R，見圖2曲線b；
② 當(dāng)I_R > I_C時(shí)，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(dāng)I_R I_C時(shí)，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(hào)作用于電網(wǎng)時(shí)，流過(guò)絕緣故障支路的漏電流同時(shí)包含了反映接地電阻和對(duì)地電容信息量，而反映電容大小的電流量會(huì)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(dǎo)磁率材料制成的高精度交流電流傳感器，使之能較準(zhǔn)確地反映出故障電流的初始動(dòng)態(tài)過(guò)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(jì)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(yīng)電流的計(jì)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(fù)載電阻R，電流、電勢(shì)和磁通的正方向如圖示。