信号注入法小电流接地故障保护中注入信号检测技术研究

信号注入法小电流接地故障保护中注入信号检测技术研究

李盼盼，潘贞存，陈 青,丛 伟，施啸寒

（山东大学电气工程学院，济南 250061）

摘 要：针对基于信号注入法的小电流接地故障保护中注入信号由于幅值较小、干扰严重而导致检测困难的现状，研究了一种模拟滤波和数字滤波相结合的注入信号检测方法，分别设计了模拟滤波器和数字滤波器，分析了各自的传递函数特性，采用PSPICE和MATLAB分别对模拟滤波器和数字滤波器的工作特性进行了仿真，仿真结果表明，本文所研究的注入信号检测方法具有较高的灵敏度和可靠性，完全能够满足现场应用的要求。

关键词：注入信号小电流接地系统信号检测滤波器

0 引言

通过电压互感器的二次侧注入特殊信号进行小电流接地故障选线原理自上世纪90年代初被提出以来，已获得了较为广泛的应用。理论上该方法具有较高的选线准确率，并能够进行故障定位。但由于注入信号微弱，加之现场运行环境恶劣，难于准确提取出注入信号，致使容易出现误选或漏选等选线失败的现象，特别是过渡电阻较大且系统对地分布电容也较大时，对选线的准确率的影响也进一步增大。

与配网自身的高电压、大电流相比，注入信号不仅量值很小、而且能量很低，因此，能否准确、可靠的检测出注入信号，是保证选线准确率的根本。本文设计了一种模拟滤波与数字滤波相结合的信号处理方法，通过设计不同特性的滤波器，能够可靠的将弱信号与强信号分离，并通过仿真试验验证了信号检测的效果。

1 信号注入法基本原理与注入信号的选取

信号注入法是在发生单相接地故障后向系统注入特殊频率的信号，通过跟踪、检测注入信号的路径和特征来实现故障选线。系统正常运行时，三相对称，系统中没有零序分量；线路发生金属性单相接地故障后，故障相对地电压降为零，两非故障相电压升高为线电压，零序电压升高为相电压。此时TV的故障相一次绕组被短接，其二次绕组中也无感应电压，使TV的故障相在故障期间处于“闲置”状态。利用这一特点，可以通过TV 的故障相二次侧将信号电流注入到故障系统中[1]。注入信号仅在故障线路中流通，且越过接地点后注入信号不再存在，只要检测各出线中有无注入信号电流，便可找出故障线路[2]，这就是信号注入法选线的基本原理。

从TV二次侧注入的信号电流感应到一次系统中，实质上是人为增加了故障系统的零序电流，因此需保证在不影响配电系统的正常运行的前提下合理的选择注入信号的幅值和频率，并分析不同幅值频率对检测环节的影响。

1.1注入信号幅值的选取

对注入信号幅值的选取首先要不影响配电系统的正常运行，其次要考虑到TV的容量有限，注入信号过大容易烧毁二次保险，另外由于信号源本身经济性的制约，注入信号源宜向系统提供幅值相对较小的信号。具体幅值的大小还要考虑过渡电阻、系统分布电容、系统中性点接地方式、系统电压等级等诸多因素的影响，确保在极端的故障情况下也能可靠检测到注入信号电流[3]。

假设系统电压等级为10kV、TV变比为100：1，注入信号装置输出的电流为5A，则耦合到一次系统后注入信号的大小为0.05A，再经过零序TA耦合进入保护，设TA变比为50：1，最终进入保护的电流大小为1mA，此电流是未考虑其他影响因素分流前的结果。如此微弱的信号对检测技术提出了更高的要求，如何从相差千倍以上的工频电流中提取微弱的注入信号成为了应用该原理需要解决的关键问题。

1.2注入信号频率的选取

注入信号频率的选取主要取决于以下几个因素：（1）注入信号的频率必须与电网的固有频率相区分；（2）注入信号的频率不能太低，否则易受电力系统中工频和直流分量的影响，检测误差增加；注入信号的频率也不能太高，否则会使得系统容抗变大，降低检测灵敏度[4]；（3）为了满足数字滤波器的设计要求，在工频信号的一个采样周期内，对注入信号的采样点数也应为整数，且满足采样定理的要求。

在许多文献中提出了应用20Hz[4]，60Hz[5]、220Hz[6]等频率的信号。选用20Hz主要是为了减

小对地电容对注入交流信号的分流，但容易混入直流分量；60Hz 又离工频50Hz 太近，不易于信号的提取与检测；选用220Hz 主要是为了方便信号的运算与处理，但对AD 采样率的要求较高。在实际的应用中考虑上述原因，假设AD 采样率为1600Hz ，选取注入信号的频率可选为80Hz 。该信号的选取符合上面三个选取条件的要求，同时满足了AD 采样率和数字算法处理的要求，方便信号的运算与处理，但距工频50Hz 仍较近，因此必须设计性能足够好的滤波器。

2 注入信号的检测单元设计

与工频信号相比，注入信号十分微弱，为了确保对注入信号有足够的精度，必须将工频信号衰减，并将注入信号放大到微机系统能够识别的量值，这部分工作由模拟滤波器完成。为了进一步精确提取80Hz 的注入信号，还必须将与80Hz 频谱较为接近的信号滤掉，这部分工作则由数字滤波器完成。模拟滤波器和数字滤波器配合工作，才能达到较好的检测效果。 2.1 模拟滤波器设计

为了衰减工频信号，设计了双T 带阻滤波器，原理结构如图1（a ）所示。

图 1 双T 带阻滤波选频网络

双T 网络为无源滤波器，是由一个低通电路和一个高通电路并联得到。低通电路由两个电阻R 和一个电容2C 构成的T 形网络。高通电路是由两个电容C 和一个电阻R/2构成T 形网络。因此称为双T 网络。利用星形—三角形变换原理将双T 网络简化成π型等效电路如图1（b ）所示。其幅频特性为：

()()

()[]

n

2n 2

n 313/4j /-1/-1j F ωωωωωωω+=

+=z z z （1）式

中RC

1

n =ω。当时，，因此，

就是双T 网络的特征角频率。 合理的选取RC 便可

对工频实现很好的滤波效果。

n ωω=0=f v n ω带阻滤波后对工频信号进行了衰减，接下来需要对注入信号进行放大，放大电路的设计采用

RC 双T 反馈选频放大电路，如图2所示。

图 2 双T 反馈选频放大电路

其中双T 电路作为反馈，合理的选取RC 可以对80Hz 信号实现选频放大，滤波器选频特性与放大器放大倍数有关，倍数越大选频特性越好。 整个模拟滤波器的幅频响应特性曲线如图3所示。

图3 模拟滤波器幅频响应特性曲线

图中横轴是频率（Hz ），纵轴是增益（dB ），可以看出，经过双T 带阻滤波器与反馈选频放大电路，50Hz 工频信号衰减28.984dB ，80Hz 增益为41.731dB ，即对工频衰减28倍，而对注入信号放大122倍，达到了最初设定的衰减工频放大注入信号的目的，但同时可以看到该模拟滤波器对二次谐波信号与三次谐波信号也有一定的放大作用，但放大倍数远低于80Hz 注入信号。 2.2 数字滤波器设计

信号经过模拟滤波器后，虽然衰减了大部分的工频信号，但仍有少部分工频信号、放大了的谐波信号和无法滤掉的直流分量，为了进一步准确的将注入信号分离出来，首先要滤掉直流分量和各次谐波，然后经过窄带的带通滤波器，让以注入信号频率为中心的附近频带的信号通过，其它频率信号则衰减严重，达到了提取有用信号，滤除干扰信号的目的。上述功能通过设计数字滤波器来完成。

(1)直流和谐波滤波器设计

滤除直流分量和谐波可以采用最简单的差分滤波器。设系统的采样频率为1600Hz ，对50Hz 工频信号而言一周采样32点，注入信号的频率为80Hz ，一个工频周期采样20点，差分滤波器表