呂常智，陳 勇（山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島，266590）

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適用于架空線路的接地型故障指示器檢測方法研究

呂常智，陳 勇
（山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，山東青島，266590）

摘要：配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，位于電力線路的最末端，直接與用戶相連，其供電質(zhì)量直接關(guān)系到用戶的使用情況及經(jīng)濟效益，95%的用戶電力故障是由配電網(wǎng)絡(luò)所引起。由于歷史的原因，我國農(nóng)村和城鄉(xiāng)的配電線路大部分都是架空型線路。配電線路主要的故障是單相接地故障，能夠達到配電網(wǎng)故障的60%以上。本文以我國架空型配電線路的單相接地故障為例，對接地型的故障指示器檢測方法進行了研究與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：架空線路；故障檢測；接地故障；故障指示器

0　引言

本文研究的接地故障指示器運用在架空線路上，直接懸掛在線路上，能夠檢測到故障信號，進行故障位置的確定，快速的發(fā)現(xiàn)故障，改變了以往人工巡線查找故障造成人力和物力上的浪費，節(jié)約了故障修復(fù)的時間，提高了供電質(zhì)量的可靠性?；诠收现甘酒鞯木€路在線監(jiān)測系統(tǒng)，方便簡易，適合農(nóng)村和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的安裝建設(shè)，能夠彌足配電自動化系統(tǒng)的不足之處。

2015年，國家能源局印發(fā)了配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃（2015-2020年）的通知，投資2萬億對配電網(wǎng)進行升級改造。通知中已經(jīng)明確提出，在農(nóng)村實行推廣基于故障指示器的簡易配電自動化，爭取到2020年時，配電自動化覆蓋率達到90%。所以今后一段時間故障指示器的實際應(yīng)用將會得到大幅增加。

圖1　中性點不接地系統(tǒng)仿真模型

我國的配電網(wǎng)采用了前蘇聯(lián)時期的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即小電流接地系統(tǒng)，主要包括中性點不接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)高祖接地系統(tǒng)。其中我國的配電網(wǎng)絡(luò)大都采用了中性點不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地故障點的電流很小，三相之間的線電壓依然保持對稱，我國規(guī)定可以允許繼續(xù)運行1~2h，但長時間的運行會發(fā)生為多點接地或相間短路的情況，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成電力系統(tǒng)災(zāi)難。因此，非常有必要對接地故障的檢測進行分析研究。

1　單相接地故障指示器檢測方法分析

目前接地檢測方法主要有：零序電流檢測法、五次諧波檢測法、首半波檢測法、電容放電電流幅值法、信號注入法。

1.1零序電流檢測法

當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時，正常線路的零序電流為線路本身對地電容電流之和，并且其容性功率方向為從母線流向線路。但是故障線路的零序電流為所有非故障線路零序電流之和，并且容性功率方向為從分支線路流向母線。因此根據(jù)零序電流的大小和方向即可檢測單相接地故障。此種方法存在以下不足：零序電流互感器的精度低，體積大，精度低，只能選出發(fā)生故障的線路，不能具體選出哪一相的故障，不能應(yīng)用在架空線路的故障指示器上，只適合安裝于電纜線路上進行故障選線。在中性點經(jīng)消弧線圈的線路中，故障時的電流幅值會大大減小，增加檢測的難度，會導(dǎo)致誤判現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2五次諧波檢測法

配電線路發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的諧波，特別是大量的奇次諧波。但是3次諧波以及3次整數(shù)倍的諧波不會流經(jīng)線路，所以故障線路的5次諧波占主要部分。5次諧波電流的分布規(guī)律和故障時零序電容電流的分布相同，故障相線路的諧波大小等于所有非故障相諧波分量之和。運用到故障指示器中的判斷方法即為故障時接地相的對地電壓降低，同時線路中會產(chǎn)生大量的5次諧波，當(dāng)滿足這兩個條件時，指示器就會判定為線路發(fā)生了接地故障，做出相應(yīng)的動作指示。理論上五次諧波檢測法在單相接地故障時有明顯的特征，但是實際上效果不是很好，有時故障相的五次諧波電流分量增加，有時會減少，有時變化不明顯。因此其可靠性低，不能準(zhǔn)確的檢測到故障信號的變化。

1.3首半波檢測法

圖2　中性點不接地系統(tǒng)電壓、零序電流、接地電流波形圖

首半波檢測法利用接地瞬間的暫態(tài)電流信號，對接地瞬間產(chǎn)生的零序電容電流與零序電壓首半波進行采樣分析處理。如果接地瞬間產(chǎn)生正向突變的暫態(tài)電容電流，并且電容電流的首半波與電壓的首半波相位相同，同時接地相的電壓大幅度降低，則說明線路發(fā)生了接地故障。對于此種檢測方法，是依據(jù)接地故障發(fā)生在相電壓峰值時這個條件下成立的，其依據(jù)是不充分的，因為故障也可能不發(fā)生在電壓峰值處，也有可能發(fā)生在電壓的零點處，這是首半波方法的缺點，存在理論上的死區(qū)。所以首半波檢測法也會存在指示器誤動作的可能性。

1.4電容放電電流幅值法

配電線路錯綜復(fù)雜，距離遠，故障相的電容電流與正常時非故障相的電流大小相差很大，故障指示器可以依據(jù)這個原理判斷故障的發(fā)生情況。但是通常情況下電容電流的工頻穩(wěn)態(tài)值很小，只有幾安培左右，負荷電流的數(shù)值很高，可達上千安培，因此電容電流不易于檢測，需要對故障指示器的測量精度有非常高的要求。同時，接地電容電流的大小隨故障發(fā)生點的位置不同而不同，也受系統(tǒng)運行方式的改變，如當(dāng)電網(wǎng)處于最小運行方式下時，故障線路的電容電流可能會與非故障相的電容電流數(shù)值相接近，影響了故障指示器動作閾值的設(shè)定。因此，對電容電流穩(wěn)態(tài)幅值進行判定，需要很高的采集精度，存在采集不到相應(yīng)動作電流的可能性，導(dǎo)致勿動和拒動現(xiàn)象的發(fā)生。

1.5信號注入法

利用信號注入法進行故障的判斷，需要在變電站安裝一個信號源，可以實時的監(jiān)測母線的零序電壓并發(fā)生信號。發(fā)生接地故障時，信號源能夠判斷出故障線路的故障相，自動產(chǎn)生一個特殊頻率的信號，此信號只流經(jīng)發(fā)生故障的那一相線路，不會流入正常無故障的相線。所以在發(fā)生故障時，接地點包含了所有非故障相的對地電容電流、信號源注入的特殊頻率信號以及消弧線圈產(chǎn)生的電感電流，而在非故障相線路只含有自身的電容電流，沒有信號源注入的信號。故障指示器檢測到這個特殊信號后進行動作指示，位于故障相的故障指示器進行動作指示，非故障相則不進行動作顯示警告。

信號注入法的適用性較強，不受系統(tǒng)的運行方式、拓撲結(jié)構(gòu)以及中性點的接地方式等因素的影響。此種方法省略了故障指示器的閾值設(shè)定過程，直接以特殊注入信號進行故障的檢測判定，因此該方法檢測的可靠性高，準(zhǔn)確率也高。但是信號注入法需要安裝產(chǎn)生特殊信號的信號源，增加了系統(tǒng)安裝的成本，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2　本文設(shè)計的故障檢測方法

通過以上第2部分現(xiàn)有方法的分析，可以得到依據(jù)故障時穩(wěn)態(tài)信息不足以準(zhǔn)確的判斷故障發(fā)生的情況，或多或少都會存在一些不足之處。因此本文根據(jù)配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時的暫態(tài)信息進行分析處理?，F(xiàn)有理論表明：對于中性點不接地系統(tǒng)及中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)，其接地故障點的電流包括接地暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流；接地電容電流的暫態(tài)分量數(shù)值很大，為穩(wěn)態(tài)分量的幾倍至幾十倍；中壓配電網(wǎng)的接地電容電流的振蕩頻率范圍為300～3000Hz之間，持續(xù)時間一般為0.5～1個周期；接地電感電流的振蕩分量很小，接地電流主要由接地電容電流決定。

對于接地故障的暫態(tài)電流信息，本文首先對中性點不接地系統(tǒng)進行了MATLAB/Simulink仿真，其仿真模型如圖1所示。模型設(shè)置在線路III的A相0.04S時發(fā)生接地故障。

通過圖1所示模型的仿真，得到了線路的電壓、三條線路的電容電流以及接地故障點的電流情況，其波形如圖2所示。然后對接地電流Id進行頻譜分析，利用Powergui/FFT進行分析，對發(fā)生故障時第一個周期的電流進行頻譜分析，可得如圖3所示的頻譜分析圖。

圖3　中性點不接地方式時接地電流頻譜分析圖

當(dāng)系統(tǒng)為中性點經(jīng)消弧線圈接地方式時，在圖1模型的發(fā)電機中性點處添加消弧線圈，采用過補償方式，其三條線路的電容電流及接地故障點電容電流如圖4所示。其接地故障點接地電流波形的FFT頻譜分析如圖5所示。

圖5　中性點經(jīng)消弧線圈接地方式時接地電流頻譜分析圖

通過圖3和圖5的頻譜分析可知，接地故障電流基本符合中壓配電網(wǎng)的接地電容電流的振蕩頻率范圍為300～3000Hz數(shù)值之間的結(jié)果分析。所以本文對接地故障時電容電流的各高頻暫態(tài)分量（300～3000Hz）信號進行提取分析，得出這些信號真有效值的突變量大小，以真有效值的處理方法來處理信號，進而判斷故障的發(fā)生。這些接地瞬間的突變高頻分量不受其它外在高頻信號的干擾以及線路勵磁涌流的影響，易于可靠檢測，相比常見的故障檢測方法，具有一定的優(yōu)越性。因此本文對發(fā)生單相接地故障時，所采用的故障指示器接地故障判據(jù)如下（適用于6～35kV配電線路）：

1）線路上電：電流≥5A或線路對地電壓≥3kV（上電30S持續(xù)檢測）

2）故障啟動條件：

接地暫態(tài)電容電流增量：≥30A（可以設(shè)定）+

接地相電壓下降比例：≥30%

接地相電壓下降時間：≥40S

當(dāng)滿足以上條件時，故障指示器能夠檢測到故障發(fā)生。

3　總結(jié)

本文線路故障指示器的接地故障檢測方法進行了分析與研究，分析了零序電流檢測法、五次諧波檢測法、首半波檢測法、電容放電電流幅值法以及信號注入法的原理，指明了其中的不足之處。然后利用發(fā)生接地故障時暫態(tài)的方法，對架空線型故障指示器的故障檢測方法進行了分析與設(shè)計，利用故障時接地暫態(tài)電流的各高頻信號分量（300～3000Hz），對其進行真有效值突變量的大小來判斷接地故障的發(fā)生，一定程度上提高了單相接地故障的精度，具有很好的應(yīng)用價值。

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The Grounding Fault Indicator Detection Method Research that Suitable for Overhead Line

Lv Changzhi，Chen Yong
（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology Qingdao， 266590， China）

Abstract：Distribution network is an important part of power system，located in the end of power line，directly connected to the user，the power supply quality is directly related to the user’s usage and economic benefit，95% of users power failures are caused by the power distribution network.Due to historical reasons，China’s rural and urban power distribution lines are mostly overhead lines.More than 60% of the distribution network fault is single-phase ground fault.The paper based on the overhead line as an example，for the fault indicator detection method research and design suitable for overhead line .

Keywords：overhead line；fault detection；grounding fault；fault indication

文獻標(biāo)識碼：中文分類號：TM912.A

作者簡介

呂常智 （1971-），男，副教授，碩導(dǎo)，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化，電力電子技術(shù)。

陳勇（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

圖4　中性點經(jīng)消弧線圈接地方式時零序電流、接地電流波形圖