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1、电气设备接地故障精确定位方法洪家渡发电厂黄政551501摘要：电气设备主要分为发电机、变压器、开关、输电线路（含电缆）、负荷等，接地故障是电气设备较为常见的故障之一，当发生接地故障后，如何在极短时间内找到故障点，是关系到电力系统稳定及用电质量的问题，本文提出了有别于传统方法的基于差动保护原理的接地点定位方法，对于发电机、输电线路、电缆、负荷的接地处理有下定的借鉴作用。1、 概述电气设备要运行，应保证其绝缘满足规程要求的情况下方可投运，电气设备绝缘性能的好坏直接影响到电力系统的安全、可靠运行。为了保证电力系统长期安全、稳定运行，所有供、用电设备都必须做到在长期运行电压下有足够的绝缘强度，不发生绝
2、缘故障而直接导致电力系统停电；同时要保证在电力系统中出现的各种过电压作用下，具有足够的绝缘强度，不会发生有害的放电导致绝缘破坏，从而保证电力系统的安全可靠运行。为此，所有供、用电设备都必须经过严格的绝缘试验。在生产制造过程中，必须通过各种型式试验，以考验设备绝缘是否达到设计要求，检验设备对于工频过电压、雷电冲击波电压、操作冲击波电压等是否具有规定水平以上的绝缘强度。同时，要进行各种绝缘特性的测试，发现生产工艺中出现的缺陷。电力设备运输到使用现场之后，必须经过一系列交接试验来检查设备经过运输过程、安装过程有否发生异常，以及绝缘特性恶化的迹象。在设备投入运行之后，根据不同设备的特点，要进行定期或不
3、定期的各种绝缘试验，检查其绝缘是否受潮、老化以及发生局部放电等事故隐患，及时采取措施予以消除。设备经过一段时间4运行后，需要做定期检修，更换设备中的某些部件或单元，也必须通过绝缘试验来检验检修质量，决定是否可以重新投入使用。由此看来，能否通过绝缘试验是保证供、用电设备能否可靠运行的关键检验手段，而对于电力系统的运行人员，更重要的是如何对运行中的设备进行维护和管理，使电力设备的绝缘事故防患于未然，达到电力系统安全运行的目的。 然而，电力系统的绝缘下降或绝缘损坏接地是不可避免的。发生绝缘降低或接地故障后如何在最短的时间内排除，对节约水资源，确保电力系统安全稳定运行及工厂生产合格产品至关重要。2、
4、基于差动保护原理的接地定位方法 差动保护原理：是基于基尔霍夫电流定理的一种电气设备的主保护，主要用于发电机、变压器、母线、输电线路、大型负荷。其简要原理是当在保护范围内故障时其差流较大，保护装置能可靠动作，瞬时切除故障；当保护范围外故障或振荡等扰动时差动电流较小，装置可靠不动作。对于保护对象的不同，其不平衡电流的计算方法略有不同，且其制动原理也不尽相同，但其保护原理均是在保护范围内发生故障时，其差流较大，装置动作，当区外暂态稳定或区外故障时差动电流较小，装置不动作。 具体简要原理如下：、差动保护的动作原理原理图见图1正常运行时:，I1=I2 ij=i1-i2=0. 因此，继电器两端电压:Uab
5、= ijRj=0. 式中Rj-继电器内部阻抗。电流不流经继电器线圈，也不会产生电压，所以继电器不动作。图1：差动保护原理图图中: TA1、TA2-电流互感器Ru- 保护电阻器; U- 差动继电器。、发生区内故障: 原理图见图2，i1=Id/n (nTA1电流互感器匝数比) ij=i1-iei1 Uab= ijRji1Rj 此时，电流流入继电器线圈、产生电压，检测出故障，继电器动作。图2内部故障动作原理图、发生区外故障:由于短路电流是额定电流的68倍且含有较大的非周期分量。当TA1与TA2特性完全相同时，差动继电器中无电流通过，继电器不动作。若TA1与TA2特性存在差异或剩磁不同，这时差动继电器
6、中流过不平衡电流，这时只要差动动作电流大于最大不平衡电流，差动继电器不会动作。 这里只就通用原理作说明，不根据具体保护设备论述差动保护躲开各自不平衡电流的原因及计算方法三、接地定位原理试验3.1基于差动保护原理的定子定位方法：差动保护是运行中电流互感器位置不变，保护范围内故障点位置发生变化，而本定位方法是故障点不变，探测电流互感器位置发生变化。见接线图3, 如下：(380V)电气设备接地试验接线图3移动测试电流传感元件件CT1、CT2，当故障点在两CT同一侧时，虽然有杂散电容的存在，但这时两CT通过电流为近似为同一电流，角度近似为0度或360度（极性原因），故障点应在另一半。移动测试电流传感元
7、件件CT1、CT2，当故障点在两CT中间时，这时两CT通过的不是同一电流，角度为近似为120度或240度（极性原因）。为了更精确的查出故障点位置，可移动两测试夹，最后精确定位故障点，利用二分法或黄金分割法 能很快将故障点找到。3.2 若是仅有交流220V的场所,以上方法不适用,应采用以下经特殊设计的转换电路后方可实现. 电路设计如图4: 图4:基于工频电源的电气设备接地精确定位 上图中由于巧妙地应用了基尔霍夫电流定理,使被试品中流过电流靠L侧与靠C侧数值不等且相位不一样,再用专用的柔性开口电流互感器可由人将L侧或C侧任何一点电流送至相位比较器中进行比较,如此利用二分法或黄金分割法 能很快将故障
8、点找到。3.3二分法或黄金分割法在接地查找中的应用 二分法:就是在故障相分两半,先判断故障点哪一半,具体方法是CT1测故障相的一端,CT2在绕相的1/2处,比较CT1、 CT2的测试电流，先判断出故障点在哪一半，再继续用二分法查找故障点，如此下去很快能将故障点找到。黄金分割法：将故障相分为0.618段和0.382段, 具体方法是CT1测故障相的一端,CT2在绕相的0.618段(或0.382)处,比较CT1、 CT2的测试电流，先判断出故障点在哪一段，再继续用此法查找故障点，如此下去很快能将故障点找到。二分法或黄金分割法对于查找出故障点各有缺点,在实践中可灵活运用.3.4 测试用配套柔性开口电流
9、变送器,为实现测故障电气设备故障相各点电流,特研发了专用柔性开口电流变送器,详见另一发明专利.3.4.1根据电磁感应原理,在一个有封闭磁路的铁心中绕制一次和二次两个线圈,若一次线圈N1通过电流I1则会在二次线圈N2产生感应电流I2,其大小与线圈的匝数成比例,即:K=I1/I2=N2/N1 K电流比I2=N2/N1 =1/K 即改变N2/N1即改变了I2,变小了K倍,是大电流变换为小电流,使其变得容易进行测量和数据处理。若在二次线圈两端并接一电阻R,则二次线圈两端的电压为: U2=I2R R是常量,即U2与I2成比例关系,进行了电流电压变换原理图如下:图4 电流互感器结构图上图也是一般电流互感器
10、的典型结构,由于铁心是一个刚性的构件,使用过程中它的外形是不能更变的。如果将铁心剖开并展开成直线,再将铁心换成线状多根绞合成的可弯曲的导磁材料,在外面绕二次线圈,就是柔性电流变送器的结构,如下图5所示: 图5: 柔性开口电流变送器结构图柔性电流变送器铁心是一个柔性的构件,使用过程中它的外形是可以更变的,其线状外径仅为5mm,很小的空间即可灵活安装使用,重量轻,耗料少,节约资源。在其输出端配用适当的电路即可获得应用所需的电流或电压讯号进行测量,继电保护,监测等,适用于大中型电气设备。3.4.2柔性电流变送器在电气设备中的测试接线柔性电流变送器在试验中按下图6接线,其中CT1、CT2为柔性电流变送
11、器采集采集器，CT为柔性测试线，带红色、黑色处为可插拔插头。图6：柔性电流变送器在电气设备中的测试接线四、几类可用差动原理法精确定位的电气设备测试举例对于电气设备的接地并非均能用该法精确定位，对于电气设备较小，无法区分其每相结构、或故障后，无法用该方法测试其每相各点电流的设备该方法不适用，该方法适用于能区分电气设备各相，且能测试各相每点电流的场合。4.1 大中型发电机、电动机定子转子的故障发电机、电动机定子转子的故障类型一般分为匝间短路，相间短路、分支开焊、单相接地、相间接地、绝缘降低等。对于发电机的故障一般均伴随着绝缘降低，均可采用一定的手段使他发展成接地故障(或用导电材料使其强迫接地)来处
12、理，本文仅针对接地故障如何精确定位找出故障点。4.1.1发电机定子定子绕组接地是发电机常见的一种故障,其中定子绕组的单相接地故障尤为常见。对于大中型发电机中性点不接地或经高阻抗接地的定子绕组,由于单相接地故障并不产生较大的故障电流,所以定子绕组单相接地保护通常只发信号或延时跳闸.。但应注意到发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆,因此，对于定子绕组接地只发信号的机组应立即通知有关部门停机处理，对于延时跳闸的发电机组应立即查清故障并排除后,方可投运。4.1.1.1发电机定子直流耐压时泄漏偏大原因查找及处理定子绕组泄漏电流和直流耐压试验能灵敏的反应绝缘的裂纹、夹层绝缘的内部受潮及局部松散断裂
13、、绝缘的沿面炭化等，对发现定子绕组端部及手包绝缘的局部缺陷很灵敏。直流泄漏偏大的主要原因为端部绝缘盒或手包绝缘部分有局部缺陷。传统的方法是表面电位法，测试水轮发电机端部绝缘盒及手包绝缘的表面电位，但存在安全隐患，对人和设备均不安全。在此可用差动原理法, 试验接线如图7 图7:发电机定子故障接线图测试方法(1)包好发电机上部（或下部）所做试验相并头套，(2)如上接线，装置上电，调整好试验回路电流。(3)用移动接地棒接触所包导电体，观察电流及CT角度变化情况，可方便地确定绝缘薄弱点。4.1.1.2定子绕组直接接地查找(或电动机)(1) 试验接线(如图7)(2) 测试方法如上图7接线，装置上电，调整
14、好试验回路电流。按二分法或黄金分割法原则移动电流测试探头查找接地点.4.2 凸极机转子接地4.2.1 试验接线如图8 图8:发电机转子故障接线图4.2.2 试验方法如上图8接线，装置上电，调整好试验回路电流。按二分法或黄金分割法原则移动电流测试探头查找接地点.4.3 电缆电缆故障处理电缆故障类型：单芯不带铠电缆：单相接地，断线，绝缘降低；单芯带铠电缆：单相对铠装接地，断线，绝缘降低；多芯电缆：单相接地，相间短路、相间短路接地、一相断线或多相断线、绝缘降低等。4.3.1、带铠单芯电缆对铠直接接地（1）试验接线图9：图9: 带铠单芯电缆接地故障测试接线图(2) 测试方法剥掉铠装层外皮，按上图接线，
15、根据上述二分法或黄金分割法原理能很快找出故障点。 缺点是需恢复外层，对于低压电缆问题不大，对于高压电缆恢复要难一些。4.3.2.单芯电缆（1）试验接线图10：图10:单芯电缆接地故障测试接线图 (2)试验方法同4.2.24.3.3 多芯电缆多芯按单芯方式,一芯一芯的查找.4. 无干扰架空线架空线的故障类型：单相接地，相间短路、相间短路接地、一相断线或多相断线、绝缘降低等本方法仅用于无干扰馈线上,对于有干扰的复杂线路,为保证试验安全,建议不采用,但若能确认线路无干扰电压或采取屏蔽措施后,也可用本方法. 试验接线 4.4.2 试验方法同4.2.24.5 控制回路故障控制回路发生故障后，可用该仪器查找。对于可断控制电源的控制电路，断掉电源后，对于不可断控制电源的交流控制电路，无需用仪器加源查找，直接用CT查找。对于不可断控制电源的直流流控制电路，可采用该仪器加小信号查找。五、结束语本文用将继电保护专业差动原理应用于高压试验专业接地查找中，并根据试验需要设计制造了柔性开口电流传感器,对于排除大中型电气设备的接地故障十分有效，本
