謝 成，金涌濤，胡葉舟，童 力

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

基于相關(guān)系數(shù)分析的配電網(wǎng)單相接地故障研判方法與試驗(yàn)研究

謝 成，金涌濤，胡葉舟，童 力

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

對(duì)于小電流接地系統(tǒng)配電網(wǎng)單相接地故障，現(xiàn)有的檢測(cè)方法和選線裝置在實(shí)際工程應(yīng)用中狀況并不理想。研究了基于暫態(tài)零序電流波形相關(guān)系數(shù)分析的研判原理，采用故障指示器錄波結(jié)合配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站研判的方式實(shí)現(xiàn)了單相接地故障的選線與定位，并通過單相接地人工模擬試驗(yàn)綜合評(píng)判了該方法的準(zhǔn)確性和適用性。試驗(yàn)結(jié)果及分析表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)接地電阻不大于1000 Ω的單相接地故障進(jìn)行故障定位和信息報(bào)送，選線成功率達(dá)90%。對(duì)于經(jīng)更高電阻接地等暫態(tài)特征不明顯的單相接地故障，建議采用零序電流有功分量比較作為有效補(bǔ)充，或采用基于多原理、多判據(jù)的綜合方法，以提高單相接地故障的診斷率。

配電網(wǎng)；單相接地；暫態(tài)零序電流；相關(guān)系數(shù)；故障定位；選線

0 引言

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)故障是造成停電的最主要因素，而其中80%以上線路故障是單相接地故障或由其引發(fā)的。隨著城市電纜化率的逐步提高，單相接地故障極易發(fā)展成永久性的相間故障，從而造成事故擴(kuò)大。浙江地區(qū)配電網(wǎng)主要是中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，小電流系統(tǒng)單相接地故障的選線定位問題一直未能有效解決。

目前相對(duì)有效的選線定位方法主要有中電阻法、擾動(dòng)法、注入信號(hào)法、暫態(tài)電流法等。西安交通大學(xué)徐靖東等研究了基于暫態(tài)零序電流特征的小電流接地選線方法，并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了裝置的有效性和適用性[1]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)梁瑞等人提出了基于單端行波故障測(cè)距組合方法的小電流接地故障診斷，并分析了判斷的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。湘潭供電公司研究了如何通過電纜型故障指示器進(jìn)行電纜網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)[3]。浙江義烏供電公司對(duì)零序過流保護(hù)在單相接地故障選線中的應(yīng)用進(jìn)行了探索[4]。盡管長(zhǎng)期以來人們研究了大量檢測(cè)方法及裝置，但實(shí)際工程應(yīng)用狀況均不夠理想。浙江地區(qū)的站內(nèi)選線裝置準(zhǔn)確率不足50%，受零序電流互感器精度、保護(hù)整定等因素影響，高阻接地難以診斷，而解合環(huán)等系統(tǒng)操作又易引起裝置誤動(dòng)。因此，人工試?yán)廊皇遣檎医拥毓收系闹饕侄蝃5]，不僅影響供電可靠性，更易造成線路帶故障運(yùn)行期間人畜觸電傷害事件。

以下研究了暫態(tài)零序電流波形相關(guān)系數(shù)分析方法，借助浙江省配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了基于故障指示器錄波并結(jié)合主站研判的配電網(wǎng)單相接地故障診斷方法，通過人工模擬單相接地試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證和綜合評(píng)判，旨在為后續(xù)的分區(qū)域試點(diǎn)及實(shí)際工程應(yīng)用提供相關(guān)依據(jù)。

1 技術(shù)方案

1.1 故障研判系統(tǒng)

故障研判系統(tǒng)包括安裝在配電網(wǎng)架空線路各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的監(jiān)測(cè)設(shè)備和配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站軟件。每套監(jiān)測(cè)設(shè)備包括分別安裝在A，B，C三相線路上的故障指示器和安裝在桿塔上的太陽能供電數(shù)據(jù)終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下功能：

圖1 基于故障指示器與在線監(jiān)控主站的故障研判系統(tǒng)構(gòu)成

（1）故障指示器可以監(jiān)測(cè)每相線路的電流和線路對(duì)地電壓，可進(jìn)行線路就地故障檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到線路電流或電壓異常時(shí)自動(dòng)觸發(fā)錄波，記錄異常變化前后的線路電流、電壓波形。

（2）數(shù)據(jù)終端通過短距離無線通信接收線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)器上送的短路、接地故障遙信信號(hào)和錄波波形，并借助GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳至系統(tǒng)主站。

（3）配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站具有終端文件傳輸和錄波文件分析功能，利用新型故障指示器和數(shù)據(jù)終端，實(shí)時(shí)測(cè)量配電線路的基本運(yùn)行參數(shù)，對(duì)線路電流、電壓進(jìn)行高速錄波，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括高阻單相接地故障在內(nèi)的復(fù)雜線路故障的準(zhǔn)確判斷和故障區(qū)段定位。

1.2 故障檢測(cè)原理

1.2.1 故障特征

小電流接地配電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障的瞬間，由于接地相的對(duì)地電壓跌落和非接地相的對(duì)地電壓上升，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度不為零的工頻零序電壓和暫態(tài)高頻零序電流。在經(jīng)過毫秒級(jí)的暫態(tài)過程之后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)錄波結(jié)果，小電流接地配電網(wǎng)單相接地故障過程中產(chǎn)生的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)如圖2所示，它們具有如下分布規(guī)律：

（1）非故障線路和故障線路的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)波形不同。

（2）故障線路上故障點(diǎn)前和故障點(diǎn)后的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)幅值和極性不同；故障點(diǎn)同側(cè)兩相鄰檢測(cè)點(diǎn)的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)幅值基本相同，極性相同，波形相似。

（3）由于故障時(shí)產(chǎn)生的零序電流為容性電流，大小取決于電網(wǎng)電壓和對(duì)地電容量，通過故障點(diǎn)的零序電流等于非故障線路對(duì)地電容電流之和，通過非故障線路和故障線路故障點(diǎn)后的零序電流為本線路的電容電流，因此故障線路故障點(diǎn)前的零序電流幅值明顯大于非故障線路，且極性相反。

圖2 小電流接地配電網(wǎng)單相接地故障高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)分布規(guī)律

1.2.2 故障定位原理

基于上述特征，通過采集非故障線路與故障線路上指示器檢測(cè)到的暫態(tài)零序電流，計(jì)算相鄰2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)零序電流波形的相似性，可以實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線與定位。

首先采用差分濾波法中的全周相減法，將故障后一個(gè)周波的零序電流減去故障前一個(gè)周波的零序電流，實(shí)現(xiàn)故障后信息量的有效提取[6]。全周相減法表達(dá)式為[7]：

式中：Ig0（t）為故障分量的零序電流；I0（t）為故障發(fā)生后的零序電流；T為工頻周期。其離散采用值可表示為：

式中：N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)。全周相減法可以濾除直流分量、基波和所有整次諧波。

相關(guān)函數(shù)是描述信號(hào)相位、幅值關(guān)聯(lián)性的一個(gè)重要數(shù)字特征，可以用來判斷2個(gè)函數(shù)的相似程度[8，9]。假設(shè)x（t）和 y（t）是2個(gè)能量有限的信號(hào)，它們之間的相關(guān)函數(shù)定義為[10]：

式（3）表示信號(hào)x（t）與位移時(shí)間τ后另一個(gè)信號(hào)y（t-τ）的相似程度。各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流并不是無限大，用單個(gè)采集到的時(shí)間歷程T記錄信號(hào)的總體特征，將2個(gè)暫態(tài)零序電流信號(hào)的相關(guān)函數(shù)表達(dá)式離散化并取τ=0，式（3）可改寫為：

相關(guān)系數(shù)能夠方便、直觀地反映2個(gè)信號(hào)的關(guān)聯(lián)程度，ρ越大，2個(gè)信號(hào)波形越相似。當(dāng)ρ=1時(shí)，表明2個(gè)信號(hào)完全相似；當(dāng)ρ=-1時(shí)，則表示2個(gè)信號(hào)成正比但極性相反。

基于相關(guān)系數(shù)定位原理是將故障瞬間通過高速錄波采集2個(gè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流作為信號(hào)樣本，通過求取相關(guān)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)故障的定位。如前文所述，當(dāng)發(fā)生小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，非故障區(qū)段相鄰檢測(cè)點(diǎn)和故障區(qū)段同側(cè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流信號(hào)相似度很高，相關(guān)系數(shù)較大或接近于1；而故障點(diǎn)異側(cè)相鄰2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流波形相似度很低，相關(guān)系數(shù)較小或接近于0。

1.2.3 故障檢測(cè)流程

智能化配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)上述原理進(jìn)行單相接地故障定位，具體過程如下：

（1）當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地相的對(duì)地電壓跌落，導(dǎo)致相對(duì)地電壓也會(huì)跌落，非接地相的對(duì)地電壓升高，同時(shí)接地相和非接地相均會(huì)產(chǎn)生高頻暫態(tài)電流。采用電壓突變量和高頻暫態(tài)電流啟動(dòng)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)線路故障指示器觸發(fā)錄波。

（2）故障指示器將波形通過GPRS無線傳輸?shù)剿诒O(jiān)測(cè)點(diǎn)的在線監(jiān)測(cè)終端，由于每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三相線路故障指示器時(shí)間同步，因此在線監(jiān)測(cè)終端能夠合成零序電流，并將數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測(cè)主站。在線監(jiān)測(cè)終端每天多次與主站對(duì)時(shí)，保證不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的同步性。

（3）依據(jù)上述基于相關(guān)性分析的故障定位原理，主站根據(jù)各在線監(jiān)測(cè)終端上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性計(jì)算，將故障定位于2個(gè)在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的區(qū)段。

1.3 故障指示器技術(shù)特點(diǎn)

為確保故障發(fā)生時(shí)可靠觸發(fā)錄波，以及保留故障特征的完好性和同步性，采用的故障指示器具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）采用低噪聲、高線性度、高精度和高帶寬的電子式電流互感器，避免了傳統(tǒng)電磁式互感器在測(cè)量的線性、帶寬、暫態(tài)響應(yīng)上的性能不足。

（2）觸發(fā)錄波后采用4000 Hz的采樣率采集線路電流信號(hào)，滿足故障發(fā)生時(shí)刻暫態(tài)電流高頻成分的拾取。

（3）指示器三相之間高精度同步對(duì)時(shí)，同步誤差控制在±100 μs內(nèi)，三相相角誤差在±1.8°，以保證合成零序電流信號(hào)的準(zhǔn)確性。

（4）指示器電源部分包括自取電主電源和備用電池兩部分，通過電源管理進(jìn)行切換。自取電主電源由取電電流互感器和功率控制部分組成，用于從線路電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中獲取能量。當(dāng)自取電主電源取電功率不夠時(shí)，指示器使用備用電池作為補(bǔ)充，備用電池正常工作電壓3.6 V，容量達(dá)到8 Ah，可以供指示器工作3個(gè)月。

2 單相接地現(xiàn)場(chǎng)人工模擬試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)配電網(wǎng)單相接地故障定位系統(tǒng)從故障信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理、選線定位直至發(fā)出告警等全過程的工作可靠性，綜合評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和適用性，以下選取浙江溫州平陽1條輕負(fù)載的10 kV架空線路開展人工單相接地故障模擬試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方法

35 kV順溪變電站共有8條10 kV架空出線，為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。此次試驗(yàn)的單相接地故障人工接地點(diǎn)在10 kV順堡線C相20號(hào)桿，選擇順溪變電站10 kV清街線、交洋線作為對(duì)照的非故障線路，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線原理見圖3。在順堡線3號(hào)、9號(hào)、21號(hào)桿以及青街線3號(hào)桿、交洋線3號(hào)桿各安裝了1套配電線路在線監(jiān)測(cè)裝置。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線原理

試驗(yàn)?zāi)M金屬性接地、弧光接地和高阻接地3種常見類型的接地故障。其中，弧光接地采用經(jīng)放電球隙接地模擬；高阻接地采用經(jīng)250 Ω，500 Ω和1000 Ω過渡電阻接地方式模擬。受現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件所限，在采取并聯(lián)多根接地樁、鹽水澆灌等降阻措施后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接地點(diǎn)接地電阻為540 Ω。絕緣電纜接地線串接接地開關(guān)并通過遙控方式分合閘。

試驗(yàn)進(jìn)行了5項(xiàng)共11次人工單相接地模擬：2次金屬性接地，實(shí)際總接地電阻540 Ω；2次弧光接地，實(shí)際總接地電阻540 Ω；3次經(jīng)250 Ω過渡電阻接地，實(shí)際總接地電阻790 Ω；2次經(jīng)500 Ω過渡電阻接地，實(shí)際總接地電阻1040 Ω；2次經(jīng)1000 Ω過渡電阻接地，實(shí)際總接地電阻1540 Ω。每次接地持續(xù)時(shí)間30 s，接地試驗(yàn)間隔10 min以上。在35 kV順溪變電站通過站內(nèi)電流互感器采集3條線路A相和C相電流、零序電流、三相母線電壓，在現(xiàn)場(chǎng)接地點(diǎn)采集接地電流信號(hào)波形。故障研判系統(tǒng)在接地事件發(fā)生后10 min內(nèi)給出故障告警信息，并顯示故障線路和定位區(qū)間為順堡線9—20號(hào)桿。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

由于現(xiàn)場(chǎng)接地點(diǎn)接地電阻偏大，從示波器測(cè)錄波形可知，即使是金屬性接地試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)錄波形也呈現(xiàn)高阻接地的特征。典型波形如圖4、圖5所示，電流幅值如表1所示。

從測(cè)錄波形圖4、圖5可知，故障線路零序電流幅值顯明顯大于非故障線路，但是由于此次接地試驗(yàn)為輕負(fù)載線路上的高阻接地模擬，且接地點(diǎn)離變電站較遠(yuǎn)，受波形暫態(tài)特征衰減影響，無論是站內(nèi)測(cè)錄的電流波形還是接地點(diǎn)電流波形并沒有呈現(xiàn)明顯的暫態(tài)波形振蕩衰減過程，現(xiàn)場(chǎng)接地電流的穩(wěn)態(tài)幅值也低至幾安培，因此給傳統(tǒng)的基于站內(nèi)穩(wěn)態(tài)零序電流選線或基于暫態(tài)法的小電流接地選線帶來了很大的挑戰(zhàn)。

在線監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)在接收到來自故障指示器終端上傳的零序電流波形和三相對(duì)地電壓波形后，啟動(dòng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)波形的處理，并計(jì)算波形相似度。通過故障指示器采集并在終端合成的零序電流、三相對(duì)地電壓典型波形如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，發(fā)生單相接地后，故障線路零序電流幅值顯著大于非故障線路。故障線路接地點(diǎn)上游2個(gè)采集點(diǎn)零序電流波形總體相似，與非故障線路采集點(diǎn)零序電流波形相似度很低，與故障線路接地點(diǎn)下游采集點(diǎn)零序電流波形相反，相似度也較低?？梢?，通過分析計(jì)算波形數(shù)據(jù)的相似度可以實(shí)現(xiàn)單相接地點(diǎn)的選線與定位。

圖4 過渡電阻接地錄波圖（總接地電阻540 Ω）

圖5 弧光接地錄波圖（總接地電阻540 Ω）

表1 穩(wěn)態(tài)接地電流統(tǒng)計(jì)

2.3 故障研判結(jié)果與分析

該故障研判系統(tǒng)對(duì)11次接地試驗(yàn)的研判結(jié)果如表2所示：成功上報(bào)故障事件8次，其中正確定位7次，1次定位區(qū)段擴(kuò)大，無誤報(bào)?？傮w故障選線準(zhǔn)確率72.7%，定位準(zhǔn)確率63.6%。在線監(jiān)測(cè)主站總共生成了8次單相接地告警事件，所有告警事件均在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障診斷和信息報(bào)送。

此次試驗(yàn)結(jié)果表明，基于暫態(tài)零序電流特征的單相接地故障研判算法針對(duì)金屬性接地、弧光接地以及總接地電阻較小的單相接地故障選線定位成功率較高，且診斷迅速。當(dāng)總接地電阻大于1000 Ω時(shí)處于算法模糊區(qū)，系統(tǒng)無法做出準(zhǔn)確判斷，導(dǎo)致保護(hù)不動(dòng)作。通過分析與推斷得出該算法的適用范圍如下：

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障線路暫態(tài)零序電流較大的金屬性接地、中低電阻接地以及暫態(tài)特征明顯的弧光接地。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)故障（在故障初相角大于10°、過渡電阻小于500 Ω時(shí)），線路暫態(tài)電流能量主要集中在高頻帶且故障特征較明顯的接地情況。不接地系統(tǒng)發(fā)生高阻接地以及中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生弱故障（系統(tǒng)在相電壓過零點(diǎn)附近或過渡電阻很大時(shí)故障發(fā)生），此時(shí)健全線路暫態(tài)電流能量主要集中在工頻范圍，故障特征也很不明顯，將直接影響選線、定位的可靠性。

圖6 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)零序電流和三相對(duì)地電壓波形（弧光接地）

圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)零序電流和三相對(duì)地電壓波形（經(jīng)250 Ω過渡電阻接地）

表2 單相接地試驗(yàn)研判結(jié)果

3 結(jié)論與建議

試驗(yàn)結(jié)果及分析表明，基于相關(guān)系數(shù)分析的配電網(wǎng)單相接地故障研判方法能夠較準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)接地電阻不大于1000 Ω的單相接地故障的定位，選線準(zhǔn)確率達(dá)90%，且10 min內(nèi)完成故障診斷和信息報(bào)送。對(duì)于高阻接地等故障暫態(tài)特征不明顯的單相接地故障建議采用零序電流有功分量比較作為有效補(bǔ)充，或結(jié)合基于不同原理、多判據(jù)的綜合選線定位方法，以提高單相接地故障的診斷率。

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（本文編輯：方明霞）

Diagnosis and Experimental Research on Single-Phase-to-Earth Fault of Distribution Networks Based on Correlation Coefficient Analysis

XIE Cheng，JIN Yongtao，HU Yezhou，TONG Li
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

There exist multiple detection methods and line selection equipment for single-phase-to-earth fault of distribution networks with low current grounding system；however，their application is not satisfying in engineering practice.In this paper，the principle of correlation coefficient analysis of transient zero-sequence current wave is introduced.Through recorder of fault indicator and the analysis of on-line monitoring system of overhead lines，the selection and location of single-phase-to-earth fault line is thus realized；moreover，correctness and applicability of the method is determined by simulation test of single-phase grounding.The test result and analysis show that the system can precisely and rapidly locate and report single-phase grounding faults with the grounding resistance less than 1000 Ω and line selection rate up to 90%.For single-phase grounding faults in case of larger ground resistance with unobvious transient characteristics，the paper suggests adopting comparison of active component of zero-sequence current as a supplement or an integrated method based on multiple principles and criteria to improve diagnosis rate of single-phase grounding faults.

distribution network；single-phase grounding；transient zero-sequence current；correlation coefficient；fault location；selection

TM726.3

：B

：1007-1881（2017）03-0017-07

2016-10-26

謝 成（1988），男，工程師，從事配電網(wǎng)故障診斷與配電自動(dòng)化研究工作。