杜東威，許永軍，金紅衛(wèi)

（1.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057；2.國網(wǎng)浙江上虞市供電公司，浙江 上虞 312300）

0 引言

我國的10kV配電網(wǎng)大部分是中性點不接地系統(tǒng)或中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，故障點的電流很小，并且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負(fù)荷的供電沒有影響，因此規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運行1～2 h，而不必立即跳閘。但是單相接地故障發(fā)生之后，健全相電壓要升高倍[1]，個別情況下，接地電容電流可能引起故障點電弧飛越，瞬時出現(xiàn)過電壓，導(dǎo)致絕緣被擊穿，進(jìn)一步發(fā)展為兩點或多點接地故障[2]。所以，準(zhǔn)確、快速地定位接地點并排除故障，對配電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。

現(xiàn)有處理單相接地故障的主流方法是：通過10kV變電站的選線裝置選出故障線路，或通過“試?yán)钡姆椒?，確定故障線路；用巡線的方法找到故障點。但是，配電網(wǎng)線路錯綜復(fù)雜，有的是長達(dá)幾十千米的架空線，有的是電纜、架空混合線，有的是直接通往小區(qū)配電房的負(fù)荷線，有的是不同環(huán)網(wǎng)柜之間的電源聯(lián)絡(luò)線。所以，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時，由于故障點難以準(zhǔn)確定位，往往延誤了事故處理時機，造成故障的擴(kuò)大，進(jìn)一步發(fā)展為相間短路，或損壞電氣設(shè)備[2]。

配電網(wǎng)安裝了自動化終端后，可以借助終端的采樣和主站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崿F(xiàn)故障的檢測與定位。但是，現(xiàn)在大多數(shù)的終端僅通過傳統(tǒng)的“零序穩(wěn)態(tài)量”[3]或“方向元件”[4]判據(jù)去檢測單相接地故障。由于不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，所表現(xiàn)的特征不同，傳統(tǒng)的“零序穩(wěn)態(tài)量”和“方向元件”判據(jù)在配電網(wǎng)不具有通用性，且因零序電流較小，線路拓?fù)鋸?fù)雜，零序電流整定困難等原因，單相接地故障檢測的準(zhǔn)確率仍然很低。

提出一種基于DTU（配電網(wǎng)終端）的單相接地故障檢測和定位方法，可有效解決單相接地故障判斷和定位困難的問題。

1 單相接地故障分析

在中性點不接地系統(tǒng)配電網(wǎng)示意圖中（見圖1），110kV變電站的10kV母線有3條10kV出線，其中線路L1上有2個環(huán)網(wǎng)單元。當(dāng)環(huán)網(wǎng)單元1的出線L1.3發(fā)生單相接地故障時，故障線路的零序電流由線路流向母線，非故障線路的零序電流由母線流向線路，所以，零序電流的流向如圖中箭頭所示。

圖1 配電網(wǎng)單相接地故障

另外，當(dāng)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障線路的零序電流，其數(shù)值等于系統(tǒng)非故障線路對地電容電流之和（暫不考慮電源側(cè)元件），所以，有以下對應(yīng)關(guān)系：

式中：I1c為L1至L1.1段的線路對地電容電流。

在MATLAB軟件中按圖1建立仿真模型，在0.04 s時刻發(fā)生單相接地故障，各線路的仿真波形見圖 2—3。

圖2 變電站單相接地故障仿真波形

圖3 環(huán)網(wǎng)單元單相接地故障仿真波形

各線路在發(fā)生故障后的零序電流的穩(wěn)態(tài)量如表1所示，試驗數(shù)據(jù)與式（1）與（2）的計算值相符。

根據(jù)仿真波形及數(shù)據(jù)，針對中性點不接地系統(tǒng)的單相接地故障，可以得出以下結(jié)論。

（1）10kV變電站出線滿足：故障線路的零序電流穩(wěn)態(tài)量最大。

（2）環(huán)網(wǎng)單元出線滿足：故障線路的零序電流穩(wěn)態(tài)量最大，且大于變電站出線的故障線路零序電流。

（3）環(huán)網(wǎng)單元出線的故障首半波[5]波形仍滿足：故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相反（Io1.1，Io1.3，Uo），非故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相同（Io1.2，Io1.4，Io1.5，Uo）。

表1 單相接地故障量值

（4）環(huán)網(wǎng)單元的故障線路Io1.3與電源進(jìn)線Io1.1數(shù)值相差不大，特別是在出線線路長度較短時，相差更小。

2 接地故障定位方法

2.1 基于DTU的接地故障檢測與定位

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配電網(wǎng)的某一個分支線發(fā)生故障時，對于一個環(huán)網(wǎng)單元來說，存在著與變電站出線相同的故障現(xiàn)象。所以，完全可以基于這個故障現(xiàn)象，將單相接地故障進(jìn)一步鎖定到具體的某個環(huán)網(wǎng)單元中。

在配電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)單元中配置DTU，可以采集整個環(huán)網(wǎng)單元中所有線路的信息，給單相接地故障的故障定位提供了可能。

如圖4所示，環(huán)網(wǎng)單元1和環(huán)網(wǎng)單元2均為“1進(jìn)4出”，共5條線路的環(huán)網(wǎng)柜，分別配置1臺DTU，采集5條線路的交流量和開關(guān)量信息。可以實現(xiàn)基于DTU的單相接地故障檢測與定位。

圖4 配電網(wǎng)單相接地故障定位

2.2 線路屬性判斷

配電網(wǎng)線路存在著負(fù)荷轉(zhuǎn)供的情況，不同的時段，線路的潮流方向可能也不相同，但是，可以根據(jù)功率方向來確定該線路目前是電源進(jìn)線，還是負(fù)荷出線。

定義線路的正方向為：線路功率方向由母線流向線路，反方向為：線路的功率方向由線路流向母線。當(dāng)各線路處于正常運行狀態(tài)（非故障狀態(tài)）時，判別各線路的功率方向，當(dāng)滿足正方向判據(jù)時，延時5 s判斷該線路為“負(fù)荷出線”，相反，判斷該線路為“電源進(jìn)線”，線路屬性判斷邏輯見圖5。

圖5 線路屬性判斷邏輯

2.3 啟動判據(jù)

當(dāng)環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)母線零序電壓大于18 V，且任一線路的零序電流大于啟動定值時，啟動單相接地故障定位邏輯，該定值以變電站10kV出線為單位，整定值iset與變電站10kV出線保護(hù)的零序過流保護(hù)相同：

式中：i0i為該環(huán)網(wǎng)單元所屬的10kV線路的對地電容電流；i0∑為變電站10kV母線上其他所有線路的對地電容電流之和。

式（4）的含義是，啟動電流定值需小于或等于本線路接地時的故障電流，并且大于本線路非接地時的零序電流。一條10kV線路上的所有環(huán)網(wǎng)單元均可以整定此相同的啟動定值。啟動判據(jù)如圖6所示。

圖6 單相接地故障啟動邏輯

2.4 單相接地故障檢測與定位

當(dāng)啟動條件滿足時，DTU開始對環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)的各條線路的零序電流大小進(jìn)行排序，并上報排序結(jié)果，如圖4中示例，F(xiàn)1處故障時的故障排序的結(jié)果為：

當(dāng)DTU完成對各條線路的零序電流排序之后，結(jié)合各線路的屬性，對單相接地故障進(jìn)行最終定位，定位邏輯見圖7。

圖7 單相接地故障定位邏輯

當(dāng)故障電流最大的線路為“電源進(jìn)線”時，判定為母線接地故障，當(dāng)故障電流最大的線路為“負(fù)荷出線”時，判定為線路接地故障。然后DTU將故障判定結(jié)果就地顯示，并上送主站。

如圖4中示例，當(dāng)F1處發(fā)生單相接地故障后，零序電流最大的線路為Io1.3，且Io1.3為“負(fù)荷出線”，則DTU顯示：“線路單相接地：L03”。當(dāng)F2處發(fā)生故障時，則選出零序電流最大的線路為Io1.1，因為Io1.1為“電源進(jìn)線”，則DTU顯示：“母線單相接地”。

3 中性點消弧線圈接地的故障判斷

3.1 中性點經(jīng)消弧線圈接地的故障

上節(jié)中以中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的模型，介紹了基于DTU的單相接地故障定位方法。但是，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補償作用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序電流很小[6]，有可能上述定位方法中的“啟動判據(jù)”都無法滿足，所以，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的接地檢測無法用零序電流穩(wěn)態(tài)量作為判據(jù)，需尋找新的方法。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，盡管零序電流穩(wěn)態(tài)量很小，但是在發(fā)生接地故障的瞬間，各線路的零序電流的首半波波形滿足：故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相反，非故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相同。所以，針對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)采用暫態(tài)判據(jù)[7]，DTU檢測各線路零序電流的首半波相位，并與零序電壓的首半波相位相比較，進(jìn)而確定故障線路。

3.2 單相接地故障檢測與定位

如圖4中F1處發(fā)生單相接地故障時，DTU判斷出：Io1.1和Io1.3的零序電流首半波相位與零序電壓相位相反，而其他線路均相同，則判斷Io1.1和Io1.3為故障線路。

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障定位與中性點不接地系統(tǒng)的故障定位稍有不同。當(dāng)DTU判斷出整個環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)既有“電源進(jìn)線”有接地故障，又有“負(fù)荷出線”有接地故障時，判定為線路發(fā)生了接地故障；當(dāng)整個環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)之只有“電源進(jìn)線”有接地故障時，判定為母線接地，判據(jù)邏輯見圖8。

圖8 “首半波”判據(jù)邏輯

如圖4中F1處發(fā)生單相接地故障時，首半波比較邏輯判斷結(jié)果為：Io1.1和Io1.3為故障線路，但是Io1.1為“電源進(jìn)線”，Io1.3為“負(fù)荷出線”，所以，故障定位結(jié)果為：“線路單相接地：L03”；當(dāng)F2處發(fā)生單相接地故障時，首半波比較邏輯判斷結(jié)果為：Io1.1為故障線路，且Io1.1為“電源進(jìn)線”，所以，故障定位結(jié)果為：“母線接地”。

3.3 接地故障的綜合檢測

綜上所述，中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，采用零序穩(wěn)態(tài)量啟動，各線路綜合進(jìn)行零序電流幅值比較，然后結(jié)合線路屬性，確定故障位置。而中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，采用首半波相位比較，然后結(jié)合線路屬性，確定故障位置。綜合單相接地故障的檢測與定位的邏輯見圖9。

圖9 單相接地故障檢測邏輯

4 結(jié)語

配電網(wǎng)的大部分故障為單相接地故障，及時發(fā)現(xiàn)故障和找到故障點，可有效避免故障的惡化，大大提高供電的可靠性。但是，配電網(wǎng)線路錯綜復(fù)雜，若一條配電網(wǎng)線路的每個支線都需要整定單相接地故障定值，工作量巨大，且若整定稍不合理，當(dāng)相鄰線路零序電流相差不大時，還會造成接地線路的誤判；另外，針對經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，靠穩(wěn)態(tài)零序電流越限的判據(jù)來確定故障，實際意義甚微。

應(yīng)用基于DTU的單相接地故障檢測方法，中性點不接地系統(tǒng)的一條10kV線路上的所有環(huán)網(wǎng)單元，僅需要整定同一條零序電流啟動定值，且整定原則和變電站10kV出線的零序過流保護(hù)整定原則相同，通過各線路零序電流幅值排序的方法來確定故障線路。針對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，采用“首半波”判據(jù)進(jìn)行檢測，無需整定定值。在確定故障線路之后，采用不同的定位方法將單相接地故障具體定位到一條母線或一條線路。相對現(xiàn)在配電網(wǎng)傳統(tǒng)的接地故障檢測方法，具有方法更加簡便，更加合理和準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

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