鹽城供電公司設(shè)計(jì)院 沙建華

鹽城供電公司 郭興農(nóng)

1.引言

隨著配電網(wǎng)的復(fù)雜化，系統(tǒng)電容電流逐漸增加，對(duì)于消弧線圈系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈提供的電感電流和原系統(tǒng)中的電容電流相抵消，這樣就可以減少流經(jīng)故障點(diǎn)的電流，使電弧易于熄滅。然而，由于單相接地故障電流小，經(jīng)過(guò)消弧線圈補(bǔ)償后，故障線路電流再次降低，這給消弧線圈接地故障選線、定位帶來(lái)了很大的困難。

本文在分析總結(jié)現(xiàn)有故障選線方法以及故障定位技術(shù)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一種同時(shí)投切并聯(lián)中電阻和諧波信號(hào)的故障定位方法。通過(guò)驗(yàn)證證實(shí)了此種方法具有很高的準(zhǔn)確率，與故障指示器的結(jié)合，大大減少了接地故障的查找和排除時(shí)間，提高了配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

2.故障選線、定位技術(shù)

2.1 故障選線技術(shù)

目前接地故障選線技術(shù)應(yīng)用較多的主要有：零序電流比幅、比相法；五次諧波分量法[7，8]。零序電流比幅、比相法原理是基于單相接地故障時(shí)流過(guò)故障線路的零序電流幅值比非故障線路零序電流的幅值大且電流方向相反進(jìn)行選線，但這種方法只適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，且不能排除CT不平衡及過(guò)渡電阻大小的影響。

五次諧波分量法是利用五次諧波的群體比幅比相法解決故障選線的問(wèn)題。由于消弧線圈的補(bǔ)償只是針對(duì)基波而言的，對(duì)于五次諧波而言5ωL＞＞1/5ωC，此時(shí)可忽略對(duì)其補(bǔ)償效果，再利用零序電流比幅、比相法的原理，故障線路的五次諧波電流比非故障線路的幅值大且方向相反，即可解決系統(tǒng)的選線問(wèn)題。但系統(tǒng)中五次諧波含量較少，檢測(cè)靈敏度低，負(fù)荷中的五次諧波源、CT不平衡電流和過(guò)渡電阻大小，均會(huì)影響選線精度。

2.2 故障定位技術(shù)

目前應(yīng)用較多的故障定位技術(shù)主要有：故障測(cè)距法；信號(hào)注入法；故障點(diǎn)探測(cè)法等[9]。

故障測(cè)距法包括阻抗法和行波法。阻抗法是假定線路為均勻線，利用在不同故障類型條件下計(jì)算出的故障回路阻抗或電抗與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離成正比，計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離，進(jìn)行故障定位。行波法根據(jù)線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向線路兩端傳播的行波信號(hào)的理論，利用在線路測(cè)量端捕捉到的暫態(tài)行波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)故障定位。這兩種方法只適合于網(wǎng)絡(luò)分支較少線路，而配電網(wǎng)出線分支較多，用行波法進(jìn)行故障定位比較困難[10]。

信號(hào)注入法需要借助外部信號(hào)設(shè)備，提供故障檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，安裝在變電站的信號(hào)源主動(dòng)向母線注入一個(gè)特殊的信號(hào)，這個(gè)特殊的信號(hào)在接地點(diǎn)和信號(hào)源構(gòu)成的回路上流過(guò)，即只在故障線路上流過(guò)，檢測(cè)裝置通過(guò)檢測(cè)、跟蹤這個(gè)特殊信號(hào)，進(jìn)而確定故障點(diǎn)。

故障點(diǎn)探測(cè)法就是在配電線路的主要節(jié)點(diǎn)安裝故障探測(cè)器，將探測(cè)信息加以匯總分析，得到故障區(qū)段。目前常用的戶外故障探測(cè)器有線路故障指示器。它是利用線路自身的故障信號(hào)進(jìn)行故障判定，一般用在人工沿線查找，工作效率低。

3.并聯(lián)中電阻選線技術(shù)

并聯(lián)中電阻選線方法是信號(hào)注入法的一種，它借助投切并聯(lián)中電阻裝置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，通過(guò)投切并聯(lián)中電阻，向系統(tǒng)注入工頻信號(hào)，該信號(hào)僅在故障線路中流通，因此可對(duì)該信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)從而選出故障線路。

并聯(lián)中電阻系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

圖1中：Ea、Eb、Ec分別為A、B、C三相的電壓；Ca、Cb、Cc分別為A、B、C三相的對(duì)地電容；R1為并聯(lián)中電阻；R2為單相接地故障時(shí)的接地電阻；L為消弧線圈；K為真空開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，真空開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，并聯(lián)中電阻不投入運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延時(shí)，真空開(kāi)關(guān)K閉合，投入中電阻，監(jiān)測(cè)各線路零序電流數(shù)值。由于投入中電阻所產(chǎn)生的有功電流只在故障線路中流通，且有功分量不會(huì)被消弧線圈的感性電流所補(bǔ)償，因此在并聯(lián)電阻投入的時(shí)間內(nèi)，僅故障線路零序電流增加，非故障線路電流變化很小。中電阻投入0.5s后，開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，切除中電阻，再次監(jiān)測(cè)各線路零序電流數(shù)值。在并聯(lián)電阻投入的時(shí)間內(nèi)（幾個(gè)周期即可），故障線路的零序電流信號(hào)與非故障線路相比差異顯著，且有功分量不會(huì)被消弧線圈的感性電流所補(bǔ)償，因此可以選出故障線路。

并聯(lián)中電阻的選線過(guò)程為：系統(tǒng)單相接地→經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間投入并聯(lián)中電阻→采樣線路零序電流→切除并聯(lián)電阻→采樣線路零序電流→選線裝置準(zhǔn)確判斷接地線路。

為驗(yàn)證并聯(lián)中電阻選線效果，假設(shè)系統(tǒng)中有5條出線，模擬1號(hào)出線發(fā)生接地故障，并在短時(shí)間內(nèi)投入并聯(lián)中電阻。通過(guò)仿真分析得到投切并聯(lián)中電阻選線的各線路零序電流波形如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，并聯(lián)中值電阻投切前后，故障線路1號(hào)出線零序電流幅值發(fā)生跳變，而非故障相線路的零序電流在并聯(lián)電阻投切前后變化不明顯，因此可以根據(jù)這一變化判定故障線路。并聯(lián)中電阻選線方式就是根據(jù)這一原理發(fā)展而來(lái)的，為解決消弧線圈系統(tǒng)的故障選線難題提供了一個(gè)良好的解決辦法。

4.故障定位方法的分析研究

故障選線僅僅對(duì)變電站的出線進(jìn)行故障選線，而配電網(wǎng)線路分支較多，當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，檢修人員需要從變電站出線開(kāi)始，沿著故障線路，找到下一級(jí)分支點(diǎn)，然后通過(guò)人工試?yán)姆绞酱_定具體的故障線路區(qū)段。該查找方法人力投入較大，故障排查時(shí)間較長(zhǎng)，給系統(tǒng)的安全帶來(lái)隱患[11]。

圖1 并聯(lián)中電阻系統(tǒng)接線圖

圖2 系統(tǒng)單相接地后各線路零序電流波形

圖3 單相接地系統(tǒng)仿真模型

圖4 接地電阻為10Ω時(shí)的仿真曲線

圖5 接地電阻為1000Ω時(shí)的仿真曲線

如果能夠?qū)ψ冸娬竞烷_(kāi)閉所同時(shí)進(jìn)行故障選線，并借助一些選線方法，形成配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，將縮小故障區(qū)域，減小故障排除時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。經(jīng)調(diào)研，目前市場(chǎng)上已研制出一些故障定位產(chǎn)品，例如故障指示器。它是一種指示故障電流流通的裝置。線路發(fā)生故障后，巡線人員可借助指示器的報(bào)警顯示，迅速確定故障區(qū)段，進(jìn)而找出故障點(diǎn)。

目前，市場(chǎng)上的故障指示器多利用零序電流比幅、比相法等線路自身故障信號(hào)進(jìn)行判定，對(duì)復(fù)雜的接地故障來(lái)講，故障類型多樣，故障信號(hào)特征不明顯，特別在消弧線圈接地系統(tǒng)中，該類故障更不易判定。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文開(kāi)發(fā)了一種同時(shí)投切并聯(lián)中電阻和諧波信號(hào)源的故障定位方法，人為的向故障線路注入判定信號(hào)，故障指示器通過(guò)檢測(cè)這一系列信號(hào)可以做出準(zhǔn)確的故障判定。

仿真分析驗(yàn)證：

由圖2所示，并聯(lián)中電阻選線效果良好，為保證其選線效果，本文在中電阻旁并聯(lián)一個(gè)諧波信號(hào)發(fā)生源，系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，通過(guò)中性點(diǎn)的開(kāi)關(guān)投切，不僅向故障點(diǎn)注入基波電流，而且同時(shí)注入二次諧波電流，此時(shí)故障指示器故障判定不僅可參考并聯(lián)中電阻的投切信號(hào)，而且還可參考二次諧波增量的投切信號(hào)，這樣不僅使注入信號(hào)的特征更加明顯也避免了系統(tǒng)擾動(dòng)的影響，可大大提高故障判定的準(zhǔn)確性。

下面搭建一個(gè)模擬電網(wǎng)，在不同的接地方式下，同時(shí)對(duì)并聯(lián)中電阻和二次諧波信號(hào)源進(jìn)行投切，通過(guò)仿真驗(yàn)證該方法的可行性。

設(shè)系統(tǒng)電壓10kV，并聯(lián)中電阻為135Ω，消弧線圈為預(yù)調(diào)式，過(guò)補(bǔ)償10%，系統(tǒng)對(duì)地電容為30uF。系統(tǒng)接地后，同時(shí)對(duì)并聯(lián)中電阻與二次諧波信號(hào)源進(jìn)行短時(shí)投切單相接地仿真框圖如圖3所示。

4.1 金屬性接地情況模擬

取故障點(diǎn)的接地電阻為10Ω進(jìn)行仿真，此時(shí)注入的總電流信號(hào)波形如圖4(a)所示，通過(guò)仿真得到的波形分別如如圖4(b)和4(c)所示。

由圖4可見(jiàn)：

1）在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障線路的電流有效值立即減小至5A左右，驗(yàn)證了消弧線圈的有效性。

2）系統(tǒng)單相接地后經(jīng)過(guò)約1s的延時(shí)同時(shí)投入并聯(lián)中電阻和二次諧波信號(hào)，故障線路總電流有效值增加約92A，信號(hào)增量明顯。

3）信號(hào)投入0.5s后，切斷中電阻與二次諧波信號(hào)，各路信號(hào)恢復(fù)正常。

4）由圖(c)所示，通過(guò)信號(hào)的投切，故障線路電流基波和二次諧波信號(hào)增量明顯，二次諧波電流源的投切，在中電阻選線的基礎(chǔ)上，為后續(xù)故障指示器的判定提供了更可靠的保證。

5）在系統(tǒng)金屬接地情況下，通過(guò)中電阻和二次諧波電流信號(hào)的同時(shí)投切，明顯增強(qiáng)了注入信號(hào)的變化特征，并且通過(guò)對(duì)兩種信號(hào)增量的同時(shí)判斷，可排除系統(tǒng)擾動(dòng)的影響，準(zhǔn)確地判斷故障線路。

4.2 高阻接地情況模擬

利用圖3仿真模型，取故障點(diǎn)的接地電阻為1000Ω進(jìn)行仿真，得到的仿真曲線如圖5所示。

通過(guò)對(duì)比分析圖4、圖5可得：

1）系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，隨著接地電阻的增加，故障線路總電流增量減弱，但增量大于5A，可容易地分辨出故障線路。

2）隨著接地電阻的增加，故障線路基波電流信號(hào)增量減弱，但增量依然明顯，說(shuō)明在高阻接地的情況下利用投切中電阻依然可辨別故障線路。

3）由于二次諧波電流信號(hào)的同時(shí)投切，故障線路的二次諧波電流增量顯著，利用其與中電阻投切相結(jié)合為定位提供了可靠的保障。

4）在高阻接地的情況下，通過(guò)中電阻與二次諧波信號(hào)的同時(shí)投切，故障線路電流增量明顯，對(duì)兩種信號(hào)增量的同時(shí)判斷，可排除系統(tǒng)擾動(dòng)的影響，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

綜上可得，本文提出的故障定位方法無(wú)論在消弧線圈系統(tǒng)金屬性接地或高阻接地情況下，均能準(zhǔn)確、有效地判定故障區(qū)段。

結(jié)合同時(shí)投切中電阻與諧波信號(hào)的選線方法將故障指示器安裝于架空線路的主干線和各分支線上，共同構(gòu)成消弧線圈接地系統(tǒng)故障定位系統(tǒng)。當(dāng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí)，通過(guò)同時(shí)投切中電阻和諧波信號(hào)源向故障點(diǎn)注入信號(hào)，使故障線路的零序電流基波和諧波含量增加顯著。該注入信號(hào)不但為變電站故障選線提供了選線信息也為配電網(wǎng)開(kāi)閉所出線提供了選線信息。對(duì)于安裝了故障指示器的線路來(lái)說(shuō)，由于雙信號(hào)同時(shí)注入，此時(shí)故障線路產(chǎn)生的特征信號(hào)觸發(fā)故障線路上從變電站出口到故障點(diǎn)的所有故障指示器動(dòng)作，而故障點(diǎn)后的故障指示器不動(dòng)作，因此可以實(shí)現(xiàn)故障線路的自動(dòng)定位，免除了人工查線的煩惱，提高了工作效率，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

5.結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)消弧線圈接地系統(tǒng)故障定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，在分析現(xiàn)有故障選線方法以及故障定位技術(shù)存在困難的基礎(chǔ)上，提出了一種基于并聯(lián)中電阻選線和諧波注入的故障定位方法。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，證實(shí)了此種故障定位方法無(wú)論在系統(tǒng)金屬性接地或高阻接地的情況下均可準(zhǔn)確定位故障，與故障指示器的結(jié)合，克服了傳統(tǒng)選線、定位技術(shù)不能應(yīng)用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，雙信號(hào)同時(shí)注入增強(qiáng)了故障線路特征的同時(shí)也避免了系統(tǒng)擾動(dòng)造成的故障指示器誤動(dòng)作，為故障定位技術(shù)提供了有價(jià)值的參考。

[1]陳維江,蔡國(guó)雄,蔡雅萍,譚躍亭等.10kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式[J].電網(wǎng)技術(shù),2004(24):56-60.

[2]龍維民.基于故障指示器的配電網(wǎng)故障自動(dòng)定位系統(tǒng)[J].電力設(shè)備,2006,7(11):65-66.

[3]張林利,徐丙垠,薛永瑞等.基于線電壓和零模電流的小電流接地故障暫態(tài)定位方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(13):110-115.

[4]陸國(guó)慶,姜新宇,梅中健等.配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地的新途徑[J].電網(wǎng)技術(shù),2004(2):32-35.

[5]要煥年,曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京:中國(guó)電力出版社,2000.

[6]陳忠仁,李微波,吳維寧.一種新型小電流接地綜合選線裝置[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,27(5):114-117.

[7]高艷,林湘寧,劉沛.基于廣義形態(tài)開(kāi)閉變換的小電流接地選線算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(14):1-6.

[8]潘靖,郝會(huì)鋒,何潤(rùn)華.配電網(wǎng)接地選線裝置的研制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(19):48-52.

[9]季濤,孫同景等.配電網(wǎng)故障定位技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].繼電器,2005,33(24):32-37.

[10]董新洲,畢見(jiàn)廣.配電線路暫態(tài)行波的分析和接地選線研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(4):1-6.

[11]張大立.配電故障指示器的應(yīng)用及發(fā)展[J].電氣應(yīng)用,2008,27(5):53-55.