滕浩,鄭紅霞

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法的研究

滕浩,鄭紅霞

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

針對(duì)現(xiàn)有方法受對(duì)地電容影響大，檢測(cè)信號(hào)不易提取，定位成本高等問(wèn)題，提出了一種新的針對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的故障定位方法-特定頻率注入法。在滿(mǎn)足系統(tǒng)脫諧度和中性點(diǎn)對(duì)地電壓標(biāo)準(zhǔn)的前提下，在消弧線(xiàn)圈兩側(cè)并聯(lián)高頻電源，向系統(tǒng)內(nèi)注入高頻信號(hào)，在高頻電源支路、線(xiàn)路、接地點(diǎn)、大地之間形成故障電流回路，通過(guò)回路電流、電壓與回路阻抗的關(guān)系，結(jié)合均勻線(xiàn)路的性質(zhì)，確定故障距離測(cè)量點(diǎn)的位置。最后使用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)對(duì)小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行定位誤差小，靈敏度高，適合小電流接地系統(tǒng)的故障定位。

小電流接地系統(tǒng)；單相接地故障；特定頻率注入法；高頻電源

1 引言

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)地電流小，信號(hào)不容易提取，并且發(fā)生弧光接地時(shí)，接地電流不穩(wěn)定，加之配電網(wǎng)分支眾多，紛繁復(fù)雜，因此，小電流接地系統(tǒng)的故障選線(xiàn)和故障測(cè)距都比較困難。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究人員的不懈努力，現(xiàn)在配電網(wǎng)故障選線(xiàn)的準(zhǔn)確程度已經(jīng)基本滿(mǎn)足社會(huì)生活的需求，但是還沒(méi)有自動(dòng)化程度高，定位準(zhǔn)確的故障定位方法得到認(rèn)可。目前常用的方法依舊是人工巡線(xiàn)，即在發(fā)生故障后工人手持信號(hào)探測(cè)器延線(xiàn)路檢測(cè)信號(hào)，故障信號(hào)消失的地方即為故障點(diǎn)，這樣的方法自動(dòng)化程度低，需要時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)供電可靠性的要求[4]。目前有很對(duì)針對(duì)小電流接地系統(tǒng)的自動(dòng)定位技術(shù)，但是由于建模試驗(yàn)難度大，大多技術(shù)還是處于理論研究階段，距離現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離。

針對(duì)定位裝置故障診斷精度低，自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，本課題提出了一種自動(dòng)化程度高、對(duì)電能質(zhì)量影響小的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法-特定頻率注入法。特定頻率注入法在消弧線(xiàn)圈兩端并聯(lián)高頻電源支路，根據(jù)頻率與線(xiàn)路阻抗的關(guān)系確定高頻電源的頻率，進(jìn)而確定保護(hù)諧振支路參數(shù)。利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD驗(yàn)證其正確性和準(zhǔn)確性。

2 特定頻率注入法的基本原理

特定頻率注入法，即系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，通過(guò)在消弧線(xiàn)圈兩側(cè)并聯(lián)高頻電源，向系統(tǒng)內(nèi)注入高頻信號(hào)，在高頻電源支路、線(xiàn)路、接地點(diǎn)、大地之間形成故障電流回路，通過(guò)回路電流、電壓與回路阻抗的關(guān)系，結(jié)合均勻線(xiàn)路的性質(zhì)，確定故障距離測(cè)量點(diǎn)的位置。

2.1 對(duì)地電容和接地電阻的計(jì)算

圖1 單相接地故障零序電流回路

如圖1所示，U0為系統(tǒng)開(kāi)口三角檢測(cè)到的零序電壓值，I0為消弧線(xiàn)圈處的零序電流互感器檢測(cè)到的零序電流，C0為三相配電網(wǎng)總的對(duì)地分布電容值，忽略三相線(xiàn)路的不對(duì)稱(chēng)，其值為單相對(duì)地分布電容的3倍，Rtr為電網(wǎng)的對(duì)地電阻，則有：

(1)

整理方程(1)可得:

(2)

即

(3)

即得到系統(tǒng)的對(duì)地電阻值，其中ω1為工頻時(shí)的角速度。

同樣道理，通過(guò)各支路的饋線(xiàn)終端裝置測(cè)量支路的零序電流和電壓，確定第i條支路的對(duì)地電容C0i。由方程(1)可得：

(4)

即

(5)

其中，I0i為第i條支路的零序電流。因?yàn)槊織l支路上的線(xiàn)路所處的地理環(huán)境相同，老化程度相同，可以認(rèn)為每一條支路的對(duì)地電容為相等的，所以第i條支路每相的對(duì)地電容為：

(6)

2.2 故障距離的計(jì)算

發(fā)生單相接地故障后通過(guò)中性點(diǎn)向系統(tǒng)注入高頻信號(hào)，等效簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

圖2 注入高頻信號(hào)后的等效電路模型

其中CL、LL1、LL2組成通高頻、阻工頻電路，UL為高頻信號(hào)源，L為消弧線(xiàn)圈等效電感，Rs、Ls為線(xiàn)路等效電阻、電感C1為故障支路對(duì)地電容。當(dāng)注入信號(hào)頻率達(dá)到150Hz以上時(shí)，消弧線(xiàn)圈阻抗是線(xiàn)路阻抗和對(duì)地電容阻抗的幾十倍，此時(shí)消弧線(xiàn)圈對(duì)于注入信號(hào)的阻礙作用可以忽略，又因?yàn)楣ゎl濾波電路整體對(duì)注入信號(hào)呈串聯(lián)諧振狀態(tài)，所以線(xiàn)路阻抗、對(duì)地電容和接地電阻決定了UL、IL之間的關(guān)系，根據(jù)基爾霍夫定律，投切信號(hào)穩(wěn)定后有：

(7)

解方程(7)，得到：

(8)

由于線(xiàn)路是均勻的，即單位長(zhǎng)度線(xiàn)路的阻抗相等，結(jié)合輸電線(xiàn)的規(guī)格，可得故障點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的距離為：

(9)

其中Xs是故障支路線(xiàn)路單位長(zhǎng)度的等效電抗。

2.3 特定頻率信號(hào)源的選取

高頻信號(hào)源的選取首先要不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但基于方法本身的要求，需要信號(hào)易于獲得和提取?；诓挥绊懴到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的方面考慮，高頻信號(hào)的能量要遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的固有信號(hào)?；谛盘?hào)易于提取，不被系統(tǒng)固有信號(hào)所湮沒(méi)，投切信號(hào)應(yīng)該有自己與眾不同的特征，本方法采用頻率與基波頻率和基波倍頻均不同的投切信號(hào)，即投切信號(hào)的頻率不能是工頻頻率的整數(shù)倍。

信號(hào)采集頻率的選擇則主要考慮裝置的采集能力和信號(hào)的處理。對(duì)于信號(hào)的采集和后期處理而言，工頻信號(hào)和各倍頻信號(hào)均為干擾信號(hào)，為了方便高頻信號(hào)的分離和獲取，減少系統(tǒng)的計(jì)算量，使濾波過(guò)程簡(jiǎn)單，濾波成本低，采樣頻率應(yīng)為工頻信號(hào)的整數(shù)倍，即采樣頻率滿(mǎn)足

fs=P·f1

(10)

或者

T1=P·Ts

(11)

其中fs、Ts為采樣的頻率和周期；f1、T1為工頻頻率和周期；P為正整數(shù)。

為了方便信號(hào)的處理，減少運(yùn)算量，盡量滿(mǎn)足每個(gè)采樣周期內(nèi)采集到的點(diǎn)數(shù)為整數(shù)，即采樣點(diǎn)數(shù)滿(mǎn)足：

fs=Q·fsig

(12)

或者

Tsig=Q·Ts

(13)

其中fs、Ts為采樣周期和采樣頻率；fsig、Tsig為投切信號(hào)源的頻率和周期；Q為正整數(shù)。

綜合以上各個(gè)條件，注入信號(hào)的的頻率應(yīng)滿(mǎn)足以下方程：

(14)

以10kV配電網(wǎng)、支路線(xiàn)路為L(zhǎng)J-50型架空線(xiàn)、距離出線(xiàn)端10km的位置發(fā)生故障為例進(jìn)行分析。在實(shí)際的10kV配電系統(tǒng)中，對(duì)地電容電流大于20A時(shí)才需要安裝消弧線(xiàn)圈，而就目前我國(guó)電力網(wǎng)規(guī)模而言，對(duì)地電容電流一般不會(huì)超過(guò)80A。根據(jù)

Ic1=3ω1C1Uφ

(15)

(16)

得到L=3.04H。線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)為金屬性接地時(shí)接地電阻為0Ω，接地點(diǎn)為弧光接地時(shí)，則接地電阻不確定，接地點(diǎn)為絕緣老化時(shí)，對(duì)地電阻則可能是幾十到幾千歐姆，所以，等效接地電阻從金屬性接地到幾千歐都有可能。經(jīng)查閱資料得，在工頻下，LJ-50型架空線(xiàn)路單位電抗值為0.368Ω/km。

發(fā)生單相接地故障時(shí)，等效故障電流回路如圖3所示。

圖3 等效故障電流回路

其中Rs、Ls分別為線(xiàn)路的等效電阻和電感，R1為故障點(diǎn)等效對(duì)地電阻，工頻條件下正常運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)路阻抗對(duì)故障電流的影響非常小，傳統(tǒng)的故障定位分析中通常將故障線(xiàn)路的阻抗忽略，而特定頻率注入法從Ls入手，等效檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 等效檢測(cè)電路

如圖所示，在消弧線(xiàn)圈兩側(cè)并聯(lián)高頻電源，由

Xs=ωLs

(17)

(18)

可知注入信號(hào)的頻率越高，線(xiàn)路電抗對(duì)信號(hào)的阻礙能力越強(qiáng)，對(duì)于有10條支路的配電網(wǎng)，假設(shè)分布電容在每條出線(xiàn)上平均分配，等效電路中各部分的阻抗隨頻率的變化如表1所示。

分析表1中數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)注入信號(hào)頻率在150～200Hz時(shí)，線(xiàn)路阻抗 和對(duì)地電容的阻抗對(duì)信號(hào)的影響相當(dāng)，注入信號(hào)頻率應(yīng)在線(xiàn)路阻抗和對(duì)地電容阻抗達(dá)到同一量級(jí)的范圍內(nèi)，同時(shí)為了注入信號(hào)不被電力系統(tǒng)的固有信號(hào)淹沒(méi)，宜采用頻率介于工頻第N次與第N+1次諧波之間的信號(hào)。綜上所述，采用頻率為180Hz的電壓源。

表1 電路各部分阻抗值與頻率的關(guān)系

從電能質(zhì)量方面考慮，注入信號(hào)的幅值越小越好，但是信號(hào)幅值過(guò)小則使測(cè)量信號(hào)特征不明顯。DL/T620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定：消弧線(xiàn)圈在正常運(yùn)行情況下，中性點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間電壓位移不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)相電壓的15%，即在10kV配電線(xiàn)路中，中性點(diǎn)位移電壓不能超過(guò)0.866kV，注入信號(hào)峰值也應(yīng)小于這個(gè)值，基于此，電壓信號(hào)幅值取0.1kV，遠(yuǎn)小于極限值0.866kV。

3 特定頻率注入法的PSCAD仿真

3.1 系統(tǒng)仿真接線(xiàn)

如圖5所示對(duì)10kV配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，電源中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地，三條輸電線(xiàn)為架空線(xiàn)的支路，在距離母線(xiàn)10km和15km處設(shè)置單相接地故障。為了便于觀察，設(shè)置單相接地故障發(fā)生在1.0s，持續(xù)時(shí)間1.0s，仿真總時(shí)長(zhǎng)2.0s。母線(xiàn)線(xiàn)電壓：10kV，高頻信號(hào)源幅值：0.1kV，消弧線(xiàn)圈等效電感：1.0H。

圖5 實(shí)際系統(tǒng)仿真接線(xiàn)圖

3.2 PSCAD仿真結(jié)果

改變故障距離和接地電阻，采集的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如表2所示，從檢測(cè)誤差上來(lái)看，特定頻率注入法對(duì)于小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障定位較為準(zhǔn)確。

從驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)距誤差控制在10%以?xún)?nèi)，該方法能夠有效的進(jìn)行小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的定位。

表2 采集的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)論

小電流接地系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的配電網(wǎng)中有著至關(guān)重要的地位，其運(yùn)行的穩(wěn)定性是配電網(wǎng)乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于我國(guó)配電網(wǎng)飛速發(fā)展，分支眾多，涉及地域廣闊，線(xiàn)路老化嚴(yán)重，一旦發(fā)生接地故障，如果不及時(shí)采取措施，很可能發(fā)生相間故障，造成重大社會(huì)損失。因此，小電流接地系統(tǒng)的故障診斷顯得尤其重要。目前，故障定位方法和裝置的只要問(wèn)題有：自動(dòng)化程度低，檢測(cè)信號(hào)不易提取，檢測(cè)成本高，抗干擾能力差。目前應(yīng)用最廣泛的故障定位方法仍舊是人工巡線(xiàn)，該方法需要工人手持信號(hào)探測(cè)器巡線(xiàn)，自動(dòng)化程度低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能滿(mǎn)足配網(wǎng)自動(dòng)化的要求。針對(duì)以上存在問(wèn)題，本課題提出了一種新的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法-特定頻率注入法，該方法自動(dòng)化程度高，檢測(cè)信號(hào)易提取，投資成本小。

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Single Phase-to-Ground Fault Location Method for Small Current Grounding System

TENGHao,ZHENGHong-xia

(Northeast Power University,Jilin 132012,China)

In view of large capacitance to ground,the detection signal is not easy to extract and the high position cost the paper proposes a new fault location for the small current grounding system of single-phase ground fault-special frequency injection method.Under the premise of meet the requirement of off tuning degree and the neutral voltage to ground,a high-frequency power is paralleled with the arc suppression coil.Infuse high frequency signal to the system,and the high frequency power supply branch,lines,ground and the earth formed fault current circuit,through the relationship of the loop current,voltage and impedance,and the properties of uniform line to locate the fault distance measurement point.Finally,the method is simulated and verified with power system simulation software PSCAD.Simulation results show that the method is with small error high sensitivity and suit for fault location.

small current grounding system；special frequency injection method；single-phase ground fault；high-frequency power supply

1004-289X(2016)05-0021-05

TM71

B

2015-07-02

滕浩(1990-)，男，漢，遼寧省大連市金州新區(qū)，在讀研究生，研究方向?yàn)樾‰娏鹘拥叵到y(tǒng)單相接地故障定位方法的研究。