謝 成， 金涌濤， 溫 典， 雷 超

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江桐廬縣供電公司，浙江 桐廬 311500）

基于智能接地電流放大裝置的配電網(wǎng)單相接地故障研判方法

謝 成1， 金涌濤1， 溫 典1， 雷 超2

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江桐廬縣供電公司，浙江 桐廬 311500）

小電流接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時故障特征微弱，現(xiàn)有檢測方法和選線裝置應用效果不理想，故障處理仍以人工試拉選線為主。提出一種基于智能接地電流放大裝置的單相接地故障檢測原理，研究了檢測裝置的整體構(gòu)架和研判系統(tǒng)的處理流程，通過試點工程應用驗證了裝置的整體性能與故障研判的準確性。實踐證明，基于智能接地電流放大裝置的故障研判方法能夠準確、快速地實現(xiàn)中壓配電網(wǎng)單相接地故障的選線與區(qū)段定位。

單相接地；智能接地電流放大；故障研判；選線；定位

0 引言

浙江地區(qū)中壓配電網(wǎng)主要采用不接地和經(jīng)消弧線圈中性點接地方式，線路發(fā)生單相接地故障時，主要采用以站內(nèi)選線裝置輔助配合人工試拉選線為主的方式。隨著配電自動化的發(fā)展，線路故障指示器的推廣應用使得郊區(qū)架空線路的故障檢測和處理效率有了顯著的提高，然而由于單相接地故障具有故障特征微弱的特點，單純依靠故障指示器無法對接地故障進行準確的判斷，限制了架空線路配電自動化解決接地選線定位的功能發(fā)揮[1]。

長期以來人們研究了大量接地故障檢測方法及裝置，西安交通大學研究了基于暫態(tài)零序電流特征的小電流接地選線方法，并通過仿真計算驗證了裝置的有效性和適用性[2]；索南加樂等提出了一種基于模型參數(shù)識別法的故障選線方法[3]；也有采用小波包分析的手段來提取單相接地故障特征[4]；西安科技大學提出基于零序非工頻電流分量特征的選線方法[5]，但仍未得到實際工程驗證或應用狀況不夠理想。浙江省部分安裝的站內(nèi)中電阻選線裝置大多采用零序過流保護[6]，但實際運行準確率不足50%。新建的配電自動化系統(tǒng)通過采集零序電壓、零序電流、負序電流等狀態(tài)量來判斷接地故障[7]。然而，受零序電流互感器精度、保護整定等因素影響，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。與此同時，由于單相接地狀態(tài)可能導致故障衍化為相間故障[8]，供電公司已改變原有允許接地故障運行2 h的策略，要求盡快實現(xiàn)接地故障診斷和隔離。

因此，為提高故障選線準確性，進一步實現(xiàn)故障的區(qū)段定位，提出了一種智能接地電流放大裝置，實現(xiàn)了接地故障電流的瞬間放大，并利用浙江省在運的配電線路在線監(jiān)測終端和主站系統(tǒng)，實現(xiàn)單相接地的故障研判和快速告警。

1 技術(shù)方案

1.1 配電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

浙江省電力公司配電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)由在線監(jiān)測裝置（故障指示器采集終端和匯集單元，如圖1所示）、遠程通信信道、安全接入平臺和監(jiān)測主站組成的簡易配電自動化系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)通過在線監(jiān)測終端采集的遙信、遙測數(shù)據(jù)，不僅能實現(xiàn)線路正常運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測，更可以通過主站的綜合分析實現(xiàn)故障的選線、定位與告警功能。目前該系統(tǒng)對短路故障研判具有較高準確性，而單相接地故障檢測可靠性尚不滿足生產(chǎn)需求。究其原因，是故障指示器判斷單相接地故障主要采用首半波法，即利用故障線路暫態(tài)零模電壓與零模電流初始極性相反的特點，然而，故障線路零模電壓與零模電流初始極性相反的持續(xù)時間非常短（通常在2 ms以內(nèi)），并且電壓電流受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及接地點過渡電阻等影響而幅值分散性大，容易造成漏判或由于干擾導致誤判，因此故障指示器接地判斷算法閾值難以確定。

1.2 智能接地電流放大裝置

為了使故障電流值能夠大于故障指示器算法閾值以便準確觸發(fā)接地告警，避免故障指示器錯過時間短且易受干擾淹沒的單相接地首半波特征，當線路發(fā)生單相接地時，通過智能接地電流放大裝置對非故障相和大地之間短時投切一個一定容量的單相電容器，人為地把單相接地故障變成多次經(jīng)電容器和大地的瞬時性相間“短路”，即多次利用電容投切的涌流將對地電流放大幾十倍，以提高小電流接地故障定位的準確性。

圖1 配電線路在線監(jiān)測裝置

圖2 配電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

智能接地電流放大裝置成套設備由主裝置、監(jiān)控終端及其與三相線路連接的配件組成，主裝置的主要部件包括電容器、三相電子式電壓互感器、2個單相接觸器以及3個繼電器，分別是A相電容繼電器、C相電容繼電器和儲能繼電器。一次接線如圖3所示。

圖3 智能接地電流放大裝置一次接線

同一母線多條支線，只需要在任意一條支線上安裝1臺智能接地電流放大裝置，檢測三相的相電壓，每分鐘向主站上報1次數(shù)據(jù)。如果檢測到1相電壓降低超過限值，另有至少1相電壓升高超過限值，會向主站告警，并自動控制相應電容投切。此外，主站也可以根據(jù)分鐘數(shù)據(jù)點分析判斷，假如主站檢測到符合單相接地故障數(shù)據(jù)條件，但未接收到監(jiān)控終端告警信號，此時主站可以主動向智能接地電流放大裝置發(fā)命令投切相應電容。

裝置的工作流程和判據(jù)如下：

（1）1相電壓低和另外至少1相電壓高時間超過30 s時，儲能繼電器動作進行開關(guān)儲能，儲能時間可以設定。

（2）1相電壓低和另外至少1相電壓高時間超過60 s時，儲能繼電器斷開，投切繼電器第一次動作。

（3）投切繼電器吸合時間到，根據(jù)設定的投切次數(shù)，如果次數(shù)為1，投切全部完成，如果次數(shù)非1，那么進入儲能繼電器動作，重新開始儲能投切動作。

（4）A/B相電壓低，投切C相電容繼電器；C相電壓低，投切A相電容繼電器。電壓升高動作限值及電壓下降動作限值，可以由本地或主站遠程設定。

對于中性點不接地系統(tǒng)智能接地電流放大裝置采用電容器，額定放大電流為50 A。采用50 A左右放大電流便于故障指示器捕捉，同時又不影響線路運行，電容容量通過下式計算：

P=UI=10 kV×50 A=500 kvar .

對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，為了線路發(fā)生故障時不影響消弧線圈正常的補償運行，宜采用中值電阻替代電容器。額定放大電流為50 A時，電阻值通過下式計算：

R=U/I=10 kV/50 A=200Ω .

1.3 故障指示器判斷

線路發(fā)生單相接地時，根據(jù)不同的接地條件（例如金屬性接地、高阻接地等），會出現(xiàn)多種復雜的暫態(tài)現(xiàn)象，包括出現(xiàn)線路對地的分布電容放電電流、接地線路對地電壓下降、接地線路出現(xiàn)5次和7次等高次諧波增大，以及該線路零序電流增大等。

綜合以上情況，指示器單相接地判據(jù)如下：

（1）線路正常運行（有電流，或有電壓）超過30 s。

（2）線路中有突然增大的電容放電電流，并超過設定的接地故障檢測參數(shù)（暫態(tài)接地電流增量定值）。

（3）接地線路電壓降低，并超過設定的接地故障檢測參數(shù)（線路對地電壓下降比例、對地電壓下降延時）。

（4）接地線路依然處于供電（有電流）狀態(tài)。

以上4個條件同時滿足時，故障指示器觸發(fā)接地告警并將終端采集的線路數(shù)據(jù)上報主站。

1.4 主站綜合研判

配電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)主站在接收到智能接地電流放大裝置的動作信號及各個監(jiān)測采集終端的告警數(shù)據(jù)后，根據(jù)故障指示器所監(jiān)測的對地故障電流首半波的大小、歷史數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡拓撲用算法定位出接地故障區(qū)域。

具體為主站收到智能接地電流放大裝置告警，延遲70 s啟動第1次接地故障分析，對所監(jiān)測的非智能接地電流放大裝置自身所屬的線路逐條檢查，在均無故障時再對自身所屬的線路進行檢查；線路故障檢查方法如下：查詢饋線中各指示器的接地告警情況，時間范圍為智能接地電流放大裝置告警時間前后各70 s，將告警信息視為故障信息點保存，待整條線路中的故障信息全部檢查完成后進行統(tǒng)計；若非智能接地電流放大裝置自身所屬線路，則啟動分析條件為至少1相發(fā)生接地故障告警；若為智能接地電流放大裝置自身所屬線路，則啟動分析條件為至少2相發(fā)生接地故障告警。主站確認接地信息后，依據(jù)故障指示器所在線路拓撲圖給出具體的故障點或故障區(qū)段，并將信息及時推送至故障搶修平臺。

基于智能接地電流放大裝置的單相接地故障研判與處理流程如圖4所示。

2 試點應用

2.1 試點整體情況

上述基于智能接地放大裝置的研判系統(tǒng)，在浙江桐廬開展了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障監(jiān)測試點應用。該項目覆蓋桐廬瑤琳變電站（以下簡稱瑤琳變）6條線路共76個在線監(jiān)測點，自2015年8月29日試運行以來，共研判故障21起，其中短路故障17起，接地故障4起。截止目前，短路故障研判準確率為100%，接地故障研判準確率為75%（存在1次漏報）。

2.2 接地故障研判實例

2.2.1 瞬時性接地

圖4 單相接地故障處理流程

2015年10月11日11∶23，瑤琳變冷塢線4號智能接地放大裝置監(jiān)測到瑤琳變Ⅱ段母線瞬間失地，智能接地放大裝置動作并向系統(tǒng)上報Ⅱ段母線接地告警。在線監(jiān)測主站系統(tǒng)接收到智能接地放大裝置母線接地告警后，系統(tǒng)啟動Ⅱ段母線饋線接地選線分析并研判出至南線接地后，啟動對至南線失地故障點定位分析。至南線98號監(jiān)測點監(jiān)測到B相接地電流由2 A突變?yōu)?3 A，超出架空線型故障指示器告警設置值10 A，具體突變情況如圖5所示；三相對地電場變化如圖6所示，接地瞬間出線B相電壓跌落，A相、C相電壓升高，而后恢復正常。

圖5 至南線98號監(jiān)測點三相電流數(shù)據(jù)

圖6 至南線98號監(jiān)測點三相對地電場數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)綜合研判，判斷故障事件為位于至南線98號后段的瞬時性單相接地故障。此次接地故障系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過與現(xiàn)場及SCADA（調(diào)度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)對比確認后，故障發(fā)生時間與實際故障位置均一致。

2.2.2 永久性接地

2015年10月11日21∶22，瑤琳變冷塢線4號智能接地放大器監(jiān)測到瑤琳變Ⅱ段母線失地，智能接地放大器動作并向系統(tǒng)上報Ⅱ段母線失地告警。在線監(jiān)測主站系統(tǒng)接收到智能接地放大裝置母線接地告警后，系統(tǒng)啟動Ⅱ段母線饋線接地選線分析并研判出至南線接地，啟動對至南線失地故障點定位分析。至南線3號監(jiān)測點監(jiān)測到A相接地電流由2 A突變到15 A，超出架空線型故障指示器告警設置值10 A，具體突變情況如圖7所示；三相對地電場變化如圖8所示，接地后出現(xiàn)B相電壓跌落，A相、C相電壓升高，狀態(tài)維持至至線路拉停時刻。

圖7 至南線3號監(jiān)測點三相電流數(shù)據(jù)

圖8 至南線3號監(jiān)測點三相對地電場數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)綜合研判，判斷故障事件為位于至南線3—34號的永久性接地故障。經(jīng)現(xiàn)場查驗故障原因為：至南線31號T接分支的電纜外破。此次接地故障系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場及SCADA系統(tǒng)對比確認后，故障發(fā)生時間與實際故障位置一致。從21∶22發(fā)生接地故障，21∶26線路拉閘全線停電，22∶08隔離31號T接分支恢復非故障區(qū)域供電，非故障區(qū)域共停電42 min。

3 結(jié)論

實踐證明，基于智能接地電流放大裝置的故障研判方法能夠準確、快速地實現(xiàn)中壓配電網(wǎng)單相接地故障的選線與區(qū)段定位，并及時推送故障告警信息，大大縮短單相接地故障的查找與處理時間，提高了供電可靠性，減少了接地期間電網(wǎng)帶故障運行造成的人身觸電風險。

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（本文編輯：徐 晗）

Study on Single-Phase-to-Earth Fault Diagnosis Based on Smart Grounding Current Amplification Equipment in Distribution Networks

XIE Cheng1，JIN Yongtao1，WEN Dian1，LEI Chao2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Tonglu Power Supply Company，Tonglu Zhejiang 311500，China）

∶In the case of single-phase-to-earth fault in small current grounding distribution network，the fault feature is weak and the existing detection method and line selection device are not practically ideal.Therefore，handling of line selection fault still relies on manual switch-out.In this paper，the principle of singlephase-to-earth fault diagnosis method based on smart grounding current amplification equipment is proposed. The overall structure of the equipment and processing procedure of the diagnosis system are investigated. Through application in a pilot project，equipment performance and diagnosis precision are verified.The practice shows that the fault diagnosis based on smart grounding current amplification equipment correctly and fast enables line selection and segment location of single-phase-to-earth fault in medium-voltage distribution networks.

∶single-phase-to-earth；smart grounding current amplification；fault diagnosis；line selection；location

.201704006

1007-1881（2017）04-0022-05

：TM713

：B

2017-02-15

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