小电流系统单相接地线路的判断方法及单相接地指示器

技术领域

本发明涉及一种小电流系统中，判别发生单相接地故障的线路的方法和使用该方法的 一种单相接地指示器。

背景技术

目前的小电流接地系统判断单相接地的技术一种是将所有同级线路的零序电流信号放 在一起比较大小和相位，适合于装在变电站内。第二种是装在各条出线各相线上的指示器， 各自采集电流信号，比较某一时刻前后的电流突变信号。这种方法仅比较大小，分不清楚 故障后电流变化是自有电容电流还是故障电流，且对于不平衡较大的线路，经常误报。对 于多为架空线路的城网和农网供电，每条线路的支线用有自动重合器功能的分接开关来开 断，现有的理论技术只是采集分接开关内的零序电流信号和定值比较来判断是否有单相接 地。这种方法受系统容量影响较大，不能准确判断是哪条支线。对于井下的防爆开关，第 一种技术由于需要集中采集所有零序信号，信号接线太多，不能保证防爆要求。市场上急 需要接线简单，装在开关内，能准确分辨本线路故障还是外线路故障的一种电流保护装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种小电流系统中，判别发生单相接地故障的线路的方法和使用 该方法的一种单相接地指示器，用以解决现有判别方式接线复杂、判断准确率低的问题。

为实现上述目的，本发明的方法方案是：小电流系统单相接地线路的判断方法，分别 采集各条线路CT的三相电流，判断对应线路是否发生单相接地故障；对于一条线路，判断 步骤如下：

1）采集数据：采集三相电流，每次采集时计算三相电流代数和的绝对值Y；设定第一 设定值C1、第二设定值C2、第三设定值C3、第四设定值C4、第五设定值C5、设定系数K、 设定时间间隔T；

若Y大于C1，记为触发点，继续步骤1），并记录从此触发点前5ms到触发点之后35ms， 共40ms的采样数据；记该40ms中前20ms为参比数据，后20ms数据为样本数据；触发点 后10ms的数据为判断数据；

2）预处理：记参比数据前10ms数据中，三相电流绝对值最大值分别为F1、F2、F3， F1<F2<F3；

记参比数据后10ms数据中，三相电流绝对值最大值分别为R1、R2、R3，R1<R2<R3；

记样本数据后10ms数据中，三相电流代数和的绝对值Y的最大值为M；

如果F1、F2、F3均≥C3，则对参比数据进行处理，如果(F2-F1)＜(F3-F2)，将F1所 在相与F2所在相对应采样点的电流值相加，相加后取绝对值，其最大值记为E4，记F3为 E5，E5所对应采样点与E4所对应采样点的采样间隔为S45；如果(a2-a1)＞(a3-a2)，将F3 所在相与F2所在相对应采样点的电流值相加，相加后取绝对值，其最大值记为E4，记F1 为E5，E5所对应采样点与E4所对应采样点的采样间隔为S45；

3）预报警：

判断A：如果R1≤C2、R2≥C3、R3≥C3，输出预报警A；

判断B：如果如F1≤C2、F2≤C2、F3≤C2，且M与D1相等（允许判断误差+/-K）、且 距离上次报警输出时间≤5S，输出预报警B；

判断C：如果E5-E4≥C4、S45≤T、E4和E5符号相反，输出预报警C；

4）判断输出：

当有至少一个预报警存在时，重新开启采集20ms，如果三相中，每相数据绝对值最大 值≤C2，判断线路无单相接地故障，否则，判断线路单相接地故障。

本发明的装置方案是：单相接地指示器，该单相接地指示器设有用于采集一条线路上 CT三相电流信号的AD采集模块，AD采集模块连接CPU，CPU通过驱动单元控制连接继电器单 元，继电器单元中的相应开关接点连接在报警装置回路中。

CPU还连接有通讯接口模块。

所述单相接地指示器还包括电源模块，电源模块包括稳压单元，稳压单元连接有一个 用于连接市电的整流单元，稳压单元还设有用于连接直流输入的直流输入端口。

所述电源模块还包括用于检测装置掉电的掉电检测单元，掉电检测单元与所述继电器 单元中的对应继电器控制连接。

所述报警装置为声光报警装置。

本发明的判断方法能够准确判断CT下方的线路是否有单相接地现象，而且为了减少投 资和简化接线，只需要采集三相CT信号，不需要另加装零序CT和零序电压信号。由于故 障线路的零序电流和所有非故障线路的零序电流相位相反，单相接地指示器将三相CT信号 采集后，利用小波算法判断是否出现故障，并对电流信号进行小波分析。区分本级信号和 外部信号，逻辑后输出，即判断和输出结果。

本发明仅需要三相电流信号，采用了双小波故障信号算法，能够在发生单相接地故障 后50ms以内，自动判断断路器或重合器下方线路是否出现单相接地和断线，准确率达到97% 以上，远高于其他零序保护不到50%的准确率，对城网和农网的供配电系统的安全运行有重 大意义。对于井下的防爆开关内安装此保护后，可以准确的选择单相接地故障线路，对于 井下的安全供电尤为重要。

附图说明

图1是使用本发明的单相接地指示器的小电流系统示意图；

图2是接地指示器结构框图；

图3是接地指示器输入接线图；

图4是接地指示器报警输出和电源接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

单相接地指示器实施例

如图1所示，小电流系统中，母线下的所有同级线路，每个线路CT二次信号均接入一 个单相接地指示器，如图，单相接地指示器1-单相接地指示器n。单相接地指示器通过相 应输入端口采集CT三相电流信号，单相接地指示器根据采集情况进行判断，通过相应输出 端口输出判断结果。

如图2所示，单相接地指示器设有用于采集一条线路上CT三相电流信号的AD采集模块， AD采集模块连接CPU，CPU通过驱动单元控制连接继电器单元，继电器单元中的相应开关接 点连接在报警装置回路中。CPU还连接有通讯接口模块。单相接地指示器还包括电源模块， 电源模块包括稳压单元，稳压单元连接有一个用于连接市电的整流单元，稳压单元还设有 用于连接直流输入的直流输入端口。报警装置为声光报警装置。通讯模块支持方式包括 RS232、RS485（选配）CDT和MODBUS规约（选配）。

图3为单相接地指示器输入接线，除了必需的三相CT二次信号接线，还设置了连接零序 电压信号的接口以备用。图4为报警输出和电源接线。指示器本身使用DC12V、DC24V、AC220V 可选。指示器带电时，电源绿灯发绿平光，无论有何种电流保护动作，故障红灯都由暗现 变为亮显。单相接地故障时，继电器单元控制接地闭合使K1和K6导通，并可传给跳闸回路 和信号回路。指示器失电、指示器死机、程序故障时，控制接地使K5和K6导通。

K1到K6分别为单相接地、过流、速断、定时限、装置故障、COM；J1、J2为厂家调试。

判断方法实施例

在单相接地指示器复位时，可以进行参数设置，设定第一设定值C1、第二设定值C2、 第三设定值C3、第四设定值C4、第五设定值C5、设定系数K、设定时间间隔T；

单相接地指示器按照设定的周期进行采集，设定每个50Hz的周波采集200点，理论采 样速度为10KSPS。单相接地指示器MCU从ADC读取转换的数据，按照3相和时间先后依次 保存到RAM中。RAM是一个环形存储器，永远保存当前时刻前一定长度的采样数据，只要不 处于分析状态，采集一直进行并循环更新RAM中的数据。这3相数据实际形成一个以相为 行的矩阵，称为瞬态数据矩阵，如下：

$\left(\begin{array}{c}a1,a2,a3...\mathrm{an}\\ b1,b2,b3...\mathrm{bn}\\ c1,c2,c3...\mathrm{cn}\end{array}\right)---\left(1\right)$

判断步骤如下：

1)数据采集：每次采集时计算三相电流代数和的绝对值Y，Y=|ai+bi+ci|，i=1、2…n， i为采样点序号；若Y大于C1，记为触发点。发生触发后，MCU再进行一定长度的采集，然 后，结束采集进入数据分析过程。此时，将禁止采集数据继续写到RAM中，也不再执行是 否发生超限触发判断，这段时间是判断死区。

再采集的时间为35ms，记录从此触发点前5ms到触发点之后35ms，共40ms的采样数 据；记该40ms中前20ms为参比数据，后20ms数据为样本数据；触发点后10ms的数据为 判断数据；

2）预处理：记参比数据前10ms数据中，三相电流绝对值最大值分别为F1、F2、F3， F1<F2<F3；

记参比数据后10ms数据中，三相电流绝对值最大值分别为R1、R2、R3，R1<R2<R3；

记样本数据后10ms数据中，三相电流代数和的绝对值Y的最大值为M；

如果参比数据的前10ms数据中，每相数据的绝对值最大值，即F1、F2、F3均≥C3， 则参比数据形成一个3行的运行时故障数据——故障矩阵，行为相，列为采样点数。故障 矩阵与前述瞬态数据矩阵表示方法相同，如（1）。

$\left(\begin{array}{c}a1,a2,a3...\mathrm{an}\\ b1,b2,b3...\mathrm{bn}\\ c1,c2,c3...\mathrm{cn}\end{array}\right)---\left(1\right)$

如果F1、F2、F3均≥C3，则对参比数据进行处理，如果(F2-F1)＜(F3-F2)，将F1和 F2所在的行逐点相加形成运行时故障矩阵（2）的第4行，h1=ai+bi，i=1、2…n。F3所在 行数据作为故障矩阵（2）的第5行，gi=ci，i=1、2…n；。如果(F2F1)＞(F3F2)，将F3 和F2所在的行逐点相加形成运行时故障矩阵（2）的第4行，h1=ci+bi，i=1、2…n。F1所 在行数据作为故障矩阵（2）的第5行，gi=ai，i=1、2…n。

$\left(\begin{array}{c}a1,a2,a3...\mathrm{an}\\ b1,b2,b3...\mathrm{bn}\\ c1,c2,c3...\mathrm{cn}\\ h1,h2,h3...\mathrm{hn}\\ g1,g2,g3...\mathrm{gn}\end{array}\right)---\left(2\right)$

（2）第四行绝对值最大值记为E4，第五行绝对值最大值为E5，E5所对应采样点与E4 所对应采样点的采样间隔为S45。

3）预报警：

判断A：如果R1≤C2、R2≥C3、R3≥C3，输出预报警A；

判断B：如果如F1≤C2、F2≤C2、F3≤C2，且M与D1相等（允许判断误差+/-K）、且 距离上次报警输出时间≤T1，输出预报警B；T1取5s。

判断C：如果|E5-E4|≥C4、S45≤T2、E4和E5符号相反，输出预报警C；本实施例中， S45以采样序号间隔表示采样间隔，T2取5，以100uS为采样间隔时等于0.5mS。

4）判断输出：

当有至少一个预报警存在时，重新开启采集20ms，如果三相中，每相数据绝对值最大 值≤C2，判断线路无单相接地故障，否则，判断线路单相接地故障。

判断为故障则进行报警。正常输出报警时，驱动报警继电器和报警灯。报警的最短时 间要求为1秒，超过1秒的由如下报警结束条件确定。

(一)已经有报警输出；

(二)报警输出最短时间计时器到则继续，不到则继续报警。

(三)重新开始采集后，三相实时数据代数和的绝对值最大值≤C1时结束报警,否则 报警输出不变。

(四)结束报警时，如果是预报警C导致的报警输出，则记录结束报警时刻，并记录 结束时刻前最后一个三相代数和绝对值最大值（10mS内），并把此最大值绝对值赋 值到D1。

C1、C2、C3、C4和K参数允许用户或工程技术人员，根据具体情况予以设置。这些设置 参数和D1都支持掉电保存功能。

作为一种实施方式，C1定为25mA，C2定为5mA，C3定为500mA，C4定为25mA，K定为 3，D1默认为0。C1～C4所涉及到的电流单位：毫安(mA)均以二次侧满度5000mA计算。由 于传感器的精度和线性度只能确保到0.1%，因此，最好的相对精度就是二次侧5mA，小于 此数值的电流可能难以确保准确。