林源

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司三明供電公司）

基于暫態(tài)信號(hào)的電力系統(tǒng)小電流接地故障定位技術(shù)

林源

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司三明供電公司）

小電流接地出現(xiàn)接地故障時(shí)，由于其穩(wěn)態(tài)分量相對(duì)較小且選線裝置通常是基于穩(wěn)態(tài)分析的，所以在進(jìn)行故障定位時(shí)并不能保證準(zhǔn)確度。本文對(duì)故障的信號(hào)特征進(jìn)行了分析，并闡述了定位技術(shù)。

暫態(tài)信號(hào)；小電流接地；故障定位

目前，在配電系統(tǒng)中由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，尤其是單相接地故障，是發(fā)生頻率最高的故障形式，出現(xiàn)的故障接近八成都是單相接地故障。智能配電網(wǎng)的單相接地故障自我修復(fù)是智能系統(tǒng)的最根本要求，因此為了保障配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行和可靠供電，在出現(xiàn)故障時(shí)必須對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)處理。當(dāng)前的故障定位方式中，在擁有眾多較短的線路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)中，阻抗原理并不適用，而行波法僅適用于長(zhǎng)線路的少分支配電線，難以解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電線路故障。

1 故障的信號(hào)特征

在中、低壓電網(wǎng)中小電流接地選線被廣泛的應(yīng)用，其中性點(diǎn)接地方式有三種：經(jīng)高阻抗接地、經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)不接地。我國(guó)的配網(wǎng)系統(tǒng)電壓為6～66kV，在選擇接地方式時(shí)，通常采用的是經(jīng)消弧線圈和中性點(diǎn)不接地的方式。在小電流接地接線方式下，當(dāng)發(fā)生單相接地后，接地相對(duì)地電壓等于零，未接地相對(duì)地電壓等于線電壓，中性點(diǎn)對(duì)地電壓等于相電壓，線電壓保持不變，因此可以連續(xù)運(yùn)行2h。但是當(dāng)接地電流較大時(shí)，可能使接地點(diǎn)電弧不能熄滅，并可能在接地點(diǎn)處產(chǎn)生間歇性的電弧，導(dǎo)致電弧過(guò)電壓。嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)展成穩(wěn)定的電弧，燒毀設(shè)備并導(dǎo)致相間短路故障，因此應(yīng)盡快處理。在大多數(shù)情況下，穩(wěn)態(tài)分量在故障電流中所占比例較小，并不能成為故障選線的依據(jù)。在穩(wěn)態(tài)分析下，大部分的接地選線裝置都不能產(chǎn)生較好的效果，對(duì)故障定位時(shí)準(zhǔn)確性也較低。而相較于穩(wěn)態(tài)分量幅值，暫態(tài)電流則具有幾倍到幾十倍以上的分量幅值，所以在進(jìn)行故障選線時(shí)，暫態(tài)特征是十分重要的依據(jù)。

1.1 穩(wěn)態(tài)特征

當(dāng)單相接地故障發(fā)生在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中時(shí)，零序電流在分布上有以下幾個(gè)特征：①分布電容電流在下游路線對(duì)地的部分就是故障點(diǎn)的零序電流和無(wú)故障線路的對(duì)地電容電流，從母線出發(fā)向線路流動(dòng)。當(dāng)母線與檢測(cè)點(diǎn)之間的距離增大，零序電流幅值隨之不斷的變小，到達(dá)線路的末端時(shí)，幅值幾乎接近于0；②處于故障點(diǎn)上游的檢測(cè)點(diǎn)，其零序電流逐漸向著母線流動(dòng)，流向與下游的電流方向和正常線路的極性一致，并且當(dāng)母線與檢測(cè)點(diǎn)之間的距離增大，零序電流幅值隨之不斷的變大。相較于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，經(jīng)消弧線圈出現(xiàn)單相接地時(shí)，由消弧線圈所產(chǎn)生的感性電流與對(duì)地電容電流相互抵消，所以故障點(diǎn)的電流較小，無(wú)故障電力的各點(diǎn)位和故障電路中故障點(diǎn)位下游的點(diǎn)位，其電流極性和幅值都保持不變，出線口及故障點(diǎn)位上游的點(diǎn)位其極性和幅值發(fā)生變化。消弧線圈在正常情況下處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，上游電流為線路向母線流動(dòng)的感性電流，也就是母線流向線路的容性電流，極性與無(wú)故障線路和下游電流相同。與此同時(shí)，隨著與母線之間的距離變大，上游點(diǎn)位的電流幅值會(huì)減小，依據(jù)線圈的補(bǔ)償度和系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，無(wú)故障電路的幅值大小會(huì)大于其幅值。

1.2 暫態(tài)特征

在通常情況下，配電系統(tǒng)中故障點(diǎn)位的下游長(zhǎng)度要遠(yuǎn)小于上游的線路長(zhǎng)度，既Cob+Coh>Coi，在本式中：Coi是故障點(diǎn)位下游對(duì)地電容，Cob+Coh是上游線路中的電容和值，由此可以看出兩側(cè)之間有較大的暫態(tài)電流差異。暫態(tài)過(guò)程受到消弧線圈的影響較小，因此可以忽略不計(jì)。故障點(diǎn)位的上下游具有差異較大的頻率和暫態(tài)電流幅值，其極性和電流的波形都呈相反狀態(tài)，并具有相似性；點(diǎn)位上下游的鄰近檢測(cè)點(diǎn)具有接近的電流幅值，并且其頻率并不具有較大差異，具有相似度較高的波形；無(wú)故障電路和故障點(diǎn)位上下游的檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流，其主要都是線路下游的分布電容電流。所以，暫態(tài)電流的流向是從母線到線路，幅值的大小隨著距離增加而減小，到了線路的末端時(shí)，幅值近似為0；故障點(diǎn)的上游檢測(cè)點(diǎn)，暫態(tài)電流為對(duì)地分布的電流和電容的和值，暫態(tài)電流的流向?yàn)榫€路到母線，幅值的大小隨著距離的增加而變大。通常情況下，檢測(cè)點(diǎn)距離故障點(diǎn)上游的距離越近，其在整個(gè)系統(tǒng)中所具有的暫態(tài)電流幅值也就越大。

表1 電流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)對(duì)比

2 故障定位技術(shù)

2.1 定位原理

故障定位系統(tǒng)的理論依據(jù)就是故障點(diǎn)位上下游間的幅值和頻率都具有較大的差異性，可以運(yùn)用相似性進(jìn)行定位，也就是相似性定位法。①通過(guò)選線裝置，主站系統(tǒng)從選線結(jié)果中對(duì)故障的線路進(jìn)行確定；②FTU上傳的電流波形被主站系統(tǒng)所接收，根據(jù)鄰近兩個(gè)點(diǎn)位間的電流相似度對(duì)波形的相似程度進(jìn)行判斷；③主站系統(tǒng)對(duì)兩側(cè)的電流相似度進(jìn)行比較并得出最小的相似系數(shù)，根據(jù)相似系數(shù)的最小值對(duì)門檻值進(jìn)行設(shè)定，對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行確定，如果每個(gè)區(qū)段的電流相似度都大于門檻值，則最厚一個(gè)FTU的下游區(qū)域即為故障區(qū)段。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

在對(duì)故障定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，定位系統(tǒng)的構(gòu)成部分主要是分段開(kāi)關(guān)處的饋線終端裝置、選線系統(tǒng)以及定位主站與通信網(wǎng)絡(luò)。定位主站的構(gòu)成部分就是通信設(shè)備和定位系統(tǒng)，主站通常安裝于地市供電公司的調(diào)度部門，選線系統(tǒng)的核心就是XJ-100的選線系統(tǒng)，增加其定位站內(nèi)的通訊程序和相關(guān)算法，饋線終端裝置選用PZK-36型號(hào)，頻率為3.2kHz，主站和饋線終端裝置之間的通信方式為GPRS，與選線系統(tǒng)之間的通信通道為光纖。

2.3 故障選線算法

當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，相位電壓降至零，而非故障相位的電壓會(huì)出現(xiàn)明顯的升高，因此電壓信號(hào)可以被選擇為選線的啟動(dòng)信號(hào)，母線的電壓一到超過(guò)了定值，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)故障選線程序。將線路中的電路行小波變換，將變換后的電流模的極性與極大值數(shù)值大小進(jìn)行比較，如果某一條線路的極性不同于其他的線路極性，并且該線路電流幅值為最大，就可以判定此線路就是故障線路；如果每條線路在進(jìn)行小波變換后的極大值極性都一致，則說(shuō)明是母線出現(xiàn)了故障。對(duì)同一信號(hào)采用不同的小波基進(jìn)行分析，會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果甚至具有較大的差異性，因此必須在進(jìn)行分析時(shí)選取適合的小波。在進(jìn)行小波變換時(shí)，過(guò)多的分解層數(shù)會(huì)導(dǎo)致頻帶的寬度較小，與頻帶相對(duì)應(yīng)的采樣的點(diǎn)數(shù)就會(huì)過(guò)少，就會(huì)判斷的靈敏度產(chǎn)生影響，相反的層數(shù)較少也會(huì)導(dǎo)致寬度較大，從而導(dǎo)致信息量增加，并且引入其他的干擾成分，在很大程度上對(duì)判斷的可靠性產(chǎn)生了影響（如圖1）。

3 結(jié)束語(yǔ)

配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，基于暫態(tài)信號(hào)，通過(guò)對(duì)各線路零序電流進(jìn)行小波分解，對(duì)出現(xiàn)故障后的幅值大小、極性等進(jìn)行比較，并以此為依據(jù)進(jìn)行選線，判斷出現(xiàn)的故障線路，在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的實(shí)用性和可靠性。

圖1 故障選線流程圖

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