小电流接地系统单相接地故障定位的双频信号注入信号源的设计

高浩 张昊 董超 韩秀艳 刘涛

摘要：随着配网单相接地故障定位技术的不断发展，目前基于故障指示器的单相接地故障定位多采用外施信号源的方式，因此外施信号对单相接地故障定位的准确性就变得尤为重要，信号源注入信号的方式、方法以及稳定性对单相接地故障定位系统设计影响深远。本文介绍了一种基于低励磁阻抗变压器的双频信号源的设计，该信号源在注入方式上采用了稳态电压源的方式，受分支影响较小，且双频率信号开出的方式对于线路侧故障指示器的故障定位提供了稳定的信号支撑。

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.

关键词： 信号源， 信号注入，稳态电压源，单相接地故障定位

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

引言：

1. 介绍目前信号源的方式及缺点

配电网发生单相接地故障时，通过信号源发生器向母线的非故障相和地间输入短时的特殊信号，然后检测故障线中短时的特殊信号，这样可以选择故障线，并通过线路干线与分支线上安装的故障指示器确定故障点。

信号源发生器产生恒定频率、恒定功率的信号。目前应用的在线注入信号源发生器可以产生直流高压信号和交流低压信号。做为电流源，它们的缺点是易受分布电容的影响，电流会随着离输入点距离的增加而变小。另外单频交流信号判断故障点算法复杂，且容易受到易变量及不稳定因数的影响，导致计算结果不准确而难以得到正确的结论。

2. 新型雙频信号电压源解决了以上问题，介绍信号源的设计

一、 信号源研制的背景及整体思路

市场上几年前就出现了集接地选相、选线等功能于一体的智能化设备。在实际应用中，光选出故障线路已经不能满足人们对供电可靠性越来越高的需求，定位故障点技术被提上日程。而要定位故障点，外施信号是必然的选择。接下来所要考虑的是通过什么方式施加信号和施加什么样的信号。经过反复推敲论证及结合小电流接地转移装置的特点，把接地点处串接的低阻抗电抗器改为低励磁阻抗变压器，然后在其二次侧注入特征信号，使其经过低励磁阻抗变压器进入电网，再检测特征信号在故障线路故障点前后的不同，来进行故障定位是一个切实可行的解决方案。

注入的方式有了，注入什么样的信号也是面临着选择，单频信号简单但其要计算阻抗、容抗等，其计算过程复杂。双频信号注入可采用两信号的比值来确定故障点，而不一定非要计算出容抗和阻抗的大小，简化了计算且滤除了其它信号对计算结果的干扰和影响，而成为更好的选择。

二、 数字合成信号源的设计与分析

由于低励磁阻抗变压器的特点，需要在二次侧注入双频的恒定的电流信号，经过低励磁阻抗变压器后变成双频的恒定的电压信号。且由于低励磁阻抗变压器的电抗很小，要在其一次侧达到一定的电压值（几十伏），则要求在二次侧注入的双频信号的电流要满足一定的幅值需求。也即要求双频信号注入信号源的输出电流要达到100A以上。

三、 功率源的设计与实现

为了稳定输出100A以上的双频电流，特选用了IGBT做为电流输出器件。整个功率源的设计包括输入端采用单相交流电，经整流后变为直流信号，在直流信号的输出端并联直流支撑电容，在直流电容后接H桥逆变电路，在逆变输出后加平波电抗器和滤波电容。由于输出的是两个频率幅值恒定的电流，算法上要应用电流反馈来达成，所以出口处的CT是必不可少的一个重要组件。

IGBT是功率器件，可以工作在大电流和高频率开关的条件下，基于此其散热非常重要，所以此功率源不但设计有符合温升要求的散热片，还要设计风扇来加速空气流动，增强散热效率。

四、 仿真分析及软硬件实现

控制系统选择TMS320F28335做为主控芯片（CPU），应用CPU内部AD进行采样，采用SPWM逆变控制技术，利用CPU内部16位ePWM进行输出控制，输出频率和幅值可调的双频信号。

软件设计上用其它ePWM的定时功能触发AD采样，在AD中断中依据采样值实时计算输出波形当前电流点值，与预期的双频正弦波电流值进行逐点比较，逐点调整。

三角波载波频率设为10kHz，则IGBT开关频率为10kHz，采用单极性倍频，用两个IGBT组成桥式倍频开出，开出频率可达20kHz。定义AD在三角波的顶底点进行采样，采样速率也是20kHz，即采样中断间隔时间为50us。

预期电流值用Asin （mWt）+Bsin（nWt）公式，A为频率1幅值，B为频率2幅值。由于硬件设计的逆变电路是一个电压型的逆变电路，要输出恒定的电流，还要知道负载的阻抗（参数设置），用阻抗与电流的相乘才能得到控制电压。用此控制电压与直流电压的比值乘以载波幅值，就可以做为ePWM控制寄存器值。基于此就达到一个初略的双频电流的输出控制。由于只有一个反馈量，输出的波形精度不高，如果要提高输出精度，要引入更多的反馈控制，比如引入负载两端的电压，及感性负载的电感量等来做为反馈量，这样经过平波电抗器后，输出电流的幅值更接近于正弦波。

另外由于IGBT的自身特点，是一种用MOS来控制晶体管的电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。为此，必须但对IGBT进行相关保护。保护分为过流保护，过压保护和过热保护。

过流保护采用瞬时点过流判断，如果瞬时点电流幅值的绝对值超过保护电流的最大瞬时值，且连续10个点达到0.5ms，则停止逆变，关闭IGBT开出。

过压保护采用瞬时点控制电压幅值判断，如果控制电压值超过设定电压值，且连续30～50个点1ms～3ms，则停止逆变，关闭IGBT开出。

此处过流和过压保护都是采用瞬时点保护，而非常用的周波计算保护，使保护动作更迅速，能更好的保护IGBT。

过热保护采用IGBT内部热电偶温度检测及温控开关（80℃）进行保护。

下图为负载两端电压与输出电流的波形，频率1为75Hz，幅值为90A，频率2为225Hz，幅值為30A，分别接1欧电阻负载和1mH电抗负载。

五、结论

由于能稳定、精准地输出双频信号，与双频检测装置配合，为故障定位技术提供了判断的依据。双频信号注入信号源在小电流系统单相接地故障定位装置中发挥了重要的作用。

参考文献

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作者简介：高浩（1990-）男，汉，工程师，从事电力系统研究工作，现就职于云南电网有限责任公司西双版纳供电局