齊 鄭, 莊舒儀, 劉自發(fā), 姚志璋, 張羽翹

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206; 2. 國(guó)網(wǎng)北京市電力公司, 北京市 100071)

0 引言

中國(guó)6～35 kV中壓配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的方式,系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常發(fā)生單相接地故障,由于單相接地故障電流較小、故障特征復(fù)雜,使得故障點(diǎn)的查找非常困難。目前已提出很多原理方法,并且投入運(yùn)行許多實(shí)用化裝置[1-5]。

現(xiàn)有的方法可以分為兩大類(lèi)：利用故障信息進(jìn)行故障定位[6-9]和通過(guò)外加診斷信號(hào)進(jìn)行故障定位[10-14]。在第二類(lèi)方法中,目前提出的方法多數(shù)為從中性點(diǎn)注入信號(hào),但是對(duì)于沒(méi)有明顯中性點(diǎn)的系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的故障定位裝置,得到了較為廣泛的應(yīng)用。其基本原理是在母線(xiàn)處并聯(lián)電阻作為擾動(dòng)信號(hào),擾動(dòng)信號(hào)的注入通過(guò)向除故障相外的其他兩個(gè)非故障相交替接入電阻實(shí)現(xiàn),故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)可檢測(cè)到相應(yīng)的擾動(dòng)信號(hào)。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,施加交替的擾動(dòng)信號(hào)后,故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流同未施加擾動(dòng)信號(hào)相比可能出現(xiàn)變大、不變以及減小的情況,使得檢測(cè)點(diǎn)無(wú)法得到預(yù)期的擾動(dòng)信號(hào),導(dǎo)致故障定位錯(cuò)誤。

因此,本文通過(guò)建立擾動(dòng)信號(hào)的等值電路、對(duì)故障相電流變化等進(jìn)行分析推導(dǎo),對(duì)擾動(dòng)信號(hào)注入故障定位方法的有效域進(jìn)行分析,找出現(xiàn)有方法中存在的問(wèn)題,并提出如下優(yōu)化意見(jiàn)：改進(jìn)擾動(dòng)信號(hào)的注入方式,結(jié)合中性點(diǎn)的接地情況,僅向故障相的超前相或滯后相注入擾動(dòng)信號(hào)。

1 基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位原理分析

基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法,需在變電站內(nèi)母線(xiàn)處裝設(shè)接地信號(hào)源,接地信號(hào)源主要由斷路器(或負(fù)荷開(kāi)關(guān))、電阻器及相關(guān)附件構(gòu)成,圖1為A相發(fā)生單相接地故障的系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖[2-3,10]。

當(dāng)線(xiàn)路上任何一點(diǎn)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí),裝在變電站內(nèi)的接地信號(hào)源檢測(cè)到故障信息后,首先判斷出系統(tǒng)的故障相,然后向非故障相注入特定的擾動(dòng)信號(hào),位于故障點(diǎn)上游的檢測(cè)點(diǎn)可檢測(cè)到擾動(dòng)信號(hào)。其工作原理在于向非故障相注入擾動(dòng)信號(hào)后,系統(tǒng)兩相同時(shí)經(jīng)電阻接地,改變了系統(tǒng)中性點(diǎn)的電壓,流經(jīng)故障相的電流也將隨著電壓的變化而變化,呈現(xiàn)單一增大的變化趨勢(shì),從而通過(guò)檢測(cè)線(xiàn)路上檢測(cè)點(diǎn)處的故障相電流信息可以判斷檢測(cè)點(diǎn)是否位于故障點(diǎn)上游,結(jié)合線(xiàn)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)有效故障定位。

現(xiàn)有方法擾動(dòng)信號(hào)交替通過(guò)非故障相施加,但對(duì)于某些情況檢測(cè)點(diǎn)故障相電流往往并非一致的單一增大[11]。這是因?yàn)閮蓚€(gè)非故障相與故障相之間的相位關(guān)系相差±120°,施加不同的擾動(dòng)信號(hào)量,會(huì)使系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流增大、不變或減小,因此需要從理論上對(duì)特定接地信號(hào)施加在不同非故障相時(shí),線(xiàn)路中性點(diǎn)電壓變化及各相電流分布變化作進(jìn)一步研究,從而確定擾動(dòng)信號(hào)注入式故障定位的有效性。

圖1 并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of disturbed parallel resistance injection

2 基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法有效性分析

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

圖2為中性點(diǎn)不接地?cái)_動(dòng)信號(hào)注入式小電流接地系統(tǒng)等效電路。根據(jù)基爾霍夫電流定律,分別求得等值電路的中性點(diǎn)電壓,進(jìn)而求解單相接地故障電流及其有效值和故障電流變化量。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of neutral point ungrounded system

由圖2(a)可得：

(1)

(2)

(3)

由圖2(b)可得：

(4)

(5)

(6)

由圖2(c)可得：

(7)

(8)

(9)

對(duì)施加擾動(dòng)信號(hào)前后單相接地故障電流有效值IdA,RMS與IdAB,RMS以及IdA,RMS與IdAC,RMS進(jìn)行比較,經(jīng)化簡(jiǎn)得到如下關(guān)系：

IdAB,RMS-IdA,RMS=

(10)

IdAC,RMS-IdA,RMS=

(11)

式中：EA,RMS/(kAkB)與EA,RMS/(kAkC)恒大于0。

以Rd∈(0,+∞)為自變量,對(duì)式(10)、式(11)進(jìn)行二次曲線(xiàn)分析可知,無(wú)論RB取何值,IdAB,RMS-IdA,RMS的值恒大于0,而IdAC,RMS-IdA,RMS的值可能為任意值,與1/RC和ωC的取值有關(guān)。

檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量的故障相電流為單相接地故障電流和負(fù)荷相電流之和,本文考慮負(fù)荷相電流對(duì)干擾信號(hào)注入的有效性的影響。由圖4可知,擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)B相注入,單相接地故障電流疊加負(fù)荷電流后,故障上游檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流可能會(huì)增加,不會(huì)影響故障定位的準(zhǔn)確性。向C相注入干擾信號(hào)后,在單相接地故障電流減小的情況下,由于負(fù)荷電流的疊加,使得故障上游檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流可以進(jìn)一步增大,但仍可能出現(xiàn)減小或者不變的情況,造成定位失敗。

圖4 考慮負(fù)荷電流的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng) 故障相電流相量圖Fig.4 Phasor diagram of single-phase grounding fault current considering the load current in neutral point ungrounded system

由以上分析可知,對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)的有效注入相應(yīng)為故障相的滯后相。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng),可能存在過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài),欠補(bǔ)償狀態(tài)下的定位方法同中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一致,對(duì)于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下的定位方法,建立了如附錄A圖A1所示的中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)等效電路,圖A1(a)、圖A1(b)、圖A1(c)分別代表A相接地、向B相施加擾動(dòng)信號(hào)、向C相施加擾動(dòng)信號(hào)的等值電路。參照中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的計(jì)算方法,分別求得等值電路的中性點(diǎn)電壓,進(jìn)而求解單相接地故障電流。

由附錄A圖A1(a)可得：

(12)

由附錄A圖A1(b)可得：

(13)

(14)

由附錄A圖A1(c)可得：

(15)

(16)

同理易知,對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng),通過(guò)向C相施加接地信號(hào),能夠有效增加單相接地故障電流,向B相施加接地信號(hào),單相接地故障電流變化存在不變、變大、變小三種可能性。因此,對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng),只能向超前于故障相的非故障相施加擾動(dòng)信號(hào),才能實(shí)現(xiàn)故障定位的正確性。

3 基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法優(yōu)化

根據(jù)上述分析,本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法。其具體實(shí)現(xiàn)流程如附錄A圖A3所示。系統(tǒng)分為兩個(gè)部分,安裝在變電站的信號(hào)注入裝置和安裝在線(xiàn)路上的檢測(cè)裝置(例如故障指示器)。在正常運(yùn)行中,信號(hào)注入裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三相電壓和零序電壓,檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處三相電流。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后,信號(hào)注入裝置快速確定發(fā)生單相接地故障的相,然后根據(jù)中性點(diǎn)接地方式,向故障相的滯后相或超前相施加接地信號(hào),持續(xù)0.5 s后斷開(kāi)接地信號(hào),等待1 s,重復(fù)此步驟n次。開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)以“1”表示,反之以“0”表示。反復(fù)投切時(shí),形成“100100…”序列,該序列即為擾動(dòng)信號(hào)序列。分布在線(xiàn)路上的檢測(cè)裝置如果能夠檢測(cè)到擾動(dòng)信號(hào),說(shuō)明該檢測(cè)裝置位于故障點(diǎn)上游。每一個(gè)能夠檢測(cè)到擾動(dòng)信號(hào)序列的檢測(cè)裝置既可以就地報(bào)警,指導(dǎo)運(yùn)行人員巡線(xiàn)定位,也可以將判斷信息上傳至主站,在主站結(jié)合線(xiàn)路的拓?fù)鋱D顯示故障區(qū)段。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文章分析結(jié)果的正確性,本文選取了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),通過(guò)ATP仿真軟件搭建了仿真網(wǎng)絡(luò)模型,如附錄A圖A4所示。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)驗(yàn)證步驟完全相同,故不重復(fù)驗(yàn)證。該仿真模型共有4條出線(xiàn),參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。假設(shè)第4條出線(xiàn)的分支線(xiàn)路發(fā)生A相接地故障,過(guò)渡電阻阻值分別為250,450,650 Ω,擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)非故障相經(jīng)500 Ω電阻并聯(lián)注入,擾動(dòng)信號(hào)在0.3 s時(shí)向B相、C相注入。

圖5為發(fā)生單相接地故障后,分別向B,C兩相注入信號(hào),X0001檢測(cè)點(diǎn)為A相電流變化量的情況,從該結(jié)果中可以看出：當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)C相注入時(shí),檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流變化是不確定的;當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)B相注入時(shí),檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流明顯增加,驗(yàn)證了前文的理論分析。

為進(jìn)一步驗(yàn)證擾動(dòng)信號(hào)注入的有效性,選取0～1 000 Ω不同的接地過(guò)渡電阻情況下,對(duì)X0001檢測(cè)點(diǎn)A相電流變化量進(jìn)行測(cè)算,得到附錄A圖A5所示曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)表明對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),通過(guò)向B相注入適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)信號(hào)可以保證在不同接地電阻情況下故障相電流的增大,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位,充分驗(yàn)證了上文理論可應(yīng)用于實(shí)踐之中。

此外,附錄A圖A6中各檢測(cè)點(diǎn)A相電流變化曲線(xiàn)表明：除X0001為故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)可檢測(cè)到擾動(dòng)信號(hào)外,其他檢測(cè)點(diǎn)均未檢測(cè)到擾動(dòng)信號(hào),進(jìn)一步驗(yàn)證了擾動(dòng)信號(hào)對(duì)非故障線(xiàn)路和非故障支路檢測(cè)點(diǎn)的A相電流無(wú)明顯影響。

圖5 施加擾動(dòng)信號(hào)前后檢測(cè)點(diǎn)故障相電流變化情況Fig.5 Faulty phase current variation at the detection point before and after the disturbed signal injection

本次仿真結(jié)果表明對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)及經(jīng)欠補(bǔ)償消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng),向故障相的滯后相施加接地信號(hào),檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流明顯增大,且非故障線(xiàn)路不受擾動(dòng)信號(hào)注入的影響,而向故障相的超前相施加接地信號(hào),檢測(cè)點(diǎn)的故障相電流可能出現(xiàn)變大、不變或變小三種情況,導(dǎo)致定位失敗。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈系統(tǒng)具有類(lèi)似的結(jié)論。仿真結(jié)果證明本文所提優(yōu)化方法正確有效。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明傳統(tǒng)的通過(guò)并聯(lián)電阻向任意非故障相注入擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法存在不足,一旦注入相選擇錯(cuò)誤,則會(huì)出現(xiàn)定位失敗的問(wèn)題。因此,提出了一種改進(jìn)方法,該方法能夠適用于中性點(diǎn)不接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式,確保故障定位正確。該方法和同類(lèi)故障定位方法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)通過(guò)注入擾動(dòng)信號(hào)使得故障信號(hào)特征明顯,適用于低電阻接地和高電阻接地情況,提高了單相接地故障定位準(zhǔn)確性。

2)通過(guò)合適的非故障相注入擾動(dòng)信號(hào),確保了注入信號(hào)可以被檢測(cè)裝置準(zhǔn)確地識(shí)別。

3)線(xiàn)路上的檢測(cè)裝置既可以實(shí)現(xiàn)就地判斷,也可以將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主站統(tǒng)一分析,對(duì)通信和同步測(cè)量的要求不高。本文所提方法可以直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的裝置,升級(jí)改造工作量小,具有很好的實(shí)用價(jià)值。

目前該方法利用單相接地后的穩(wěn)態(tài)信號(hào),重點(diǎn)解決經(jīng)電阻接地的單相接地故障定位問(wèn)題。但對(duì)于單相間歇性電弧接地故障由于穩(wěn)態(tài)特征不明顯,有待進(jìn)一步研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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齊 鄭(1977—),男,博士,副教授,主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制。E-mail： qizheng319@126.com

莊舒儀(1993—),女,通信作者,碩士研究生,主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制。E-mail： zhuangshuyi2014@126.com

劉自發(fā)(1973—),男,博士,副教授,主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運(yùn)行。E-mail： tjubluesky@163.com