張聞一

（國網(wǎng)吉林供電公司，吉林吉林，132011）

0 引言

小電流接地系統(tǒng)中最常發(fā)生單相接地故障現(xiàn)象，當不可避免發(fā)生接地故障時，該系統(tǒng)中的非故障相電壓會升高，瞬時弧光過電壓的可能性非常大，極易形成更大的相間短路故障現(xiàn)象，甚至燒毀設備引起火災。小電流接地系統(tǒng)危險性很高，但發(fā)生單相接地故障后不會立馬斷電，還可維持幾個小時的送電運行，所以，這一優(yōu)點使得小電流接地系統(tǒng)在我國配電網(wǎng)中仍被廣泛采用。吉林電網(wǎng)50余座66kV變電站，主要采用主變壓器中性點不接電或經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)，小電流接地系統(tǒng)的故障研究對于吉林電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起著關鍵作用。多年數(shù)據(jù)顯示，在吉林電網(wǎng)系統(tǒng)中4/5的配網(wǎng)故障都是小電流系統(tǒng)單相接地故障，故小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障的預測、定位等故障排查和維修處理的研究具備很高的現(xiàn)實意義[1]。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)電路原理

根據(jù)電路原理圖，經(jīng)拉氏變換等一系列運算后可計算出暫態(tài)電容電流數(shù)值：

暫態(tài)電感電流：

暫態(tài)接地電流:

在配電網(wǎng)中發(fā)生小電流單相接地故障時,暫態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征在數(shù)值上和傳播規(guī)律上區(qū)別很大。在系統(tǒng)不同頻率電路中，電感與電容所作用的阻值不同，由于非故障相電壓升高，瞬時弧光過電壓,這時產(chǎn)生的暫態(tài)值大概是穩(wěn)態(tài)值的幾十倍,因此在暫態(tài)過程中消弧線圈無法準確實現(xiàn)完全補償作用；在單相接地故障點暫態(tài)狀態(tài)下電路中電容電流衰減較快，暫態(tài)電感中電流衰減較慢[2]。暫態(tài)接地電流的大小和頻率隨暫態(tài)電容電流的變化而變化，且故障合閘角和接地電阻的故障位置會影響電流的變化。一般暫態(tài)接地電流的特點是持續(xù)時間短但是電流幅值大。

圖1 單相接地故障暫態(tài)電流等效電流

2 故障點上游與下游暫態(tài)電流分析

■2.1 適用于定位的小電流接地故障暫態(tài)等值電路

現(xiàn)有的小電流接地故障暫態(tài)研究方法適用于計算故障點暫態(tài)電壓電流的大小，但是不適合故障檢測定位，因為系統(tǒng)無法檢測到故障點上游和下游間的數(shù)據(jù)異常。利用小電流發(fā)生單相接地故障時處于故障點的暫態(tài)邊界條件，結(jié)合著名的卡倫鮑厄變換構(gòu)建小電流接地故障復合網(wǎng)絡模型，可得到適用于定位故障位置的暫態(tài)等值電路，如圖2所示。將復雜的電路結(jié)構(gòu)用一簡單的電路代替，但保持相同的作用效果。i0b和i0l分別為故障點上、下游暫態(tài)零模電流；L0b、L0l和R0b、R0l分別代表故障點到母線間線路和到線路末端的等效總電感和總電阻；C0b處于上游，為對地總電容，C0l為故障點下游總電容，一般總系統(tǒng)的總對地電容數(shù)值與C0b大小相差無幾。Lp為電路中消弧線圈的等效電感；開關Kp是中性不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式的轉(zhuǎn)換關鍵。

■2.2 故障點上游與下游的暫態(tài)電流計算

根據(jù)圖2所示小電流接地故障暫態(tài)等值電路，為方便計算上下游暫態(tài)相關數(shù)據(jù)，做了進一步簡化。實際情況下過渡電阻較小，可近似認為Rf=O，Lx和Lp線對實驗結(jié)果和計算過程的影響極小，在電路中便去掉這兩個元件，簡化為圖3，這是只含零模的簡單等值電路。由此可見，低阻抗接地時，故障點上游與下游兩側(cè)暫態(tài)過程互不影響。設Um為系統(tǒng)相電壓最大值，故障點虛擬電源為：

圖2 定位用小電流接地故障暫態(tài)過程等值電路

圖3 單相接地簡化暫態(tài)等值電路

3 綜合暫態(tài)電流相似性與極性的區(qū)段定位算法

■3.1 單獨使用相似性進行定位分析

我們使用ρbl來表示故障點上游與下游暫態(tài)電流i0b與i0l間的相似度，計算方式如下：

blρ的絕對值在0到1之間，且值越大，說明上游與下游暫態(tài)電流間的相似度越高。利用上下游零模暫態(tài)電流間相似性的計算得出定位原理，通過計算相鄰檢測點p和q間暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq，如果ρpq的絕對值小于ρT的值。則認為p和q檢測點暫態(tài)電流不相似，判斷其為故障區(qū)段；否則為正常區(qū)段。其中ρT預設值的大小范圍在0.5到0.8之間。

當故障點位于分界點的附近，或者上下游之間暫態(tài)電流有較強的耦合時，會有ρpq大于等于–1，小于等于–ρT結(jié)果，此區(qū)域的故障信息會被誤識別為正常信息。此時，會有兩種可能結(jié)果：如果整個故障線路上任意p、q兩點間檢測的暫態(tài)電流均是相似的，那么將默認線路末端檢測點為故障點；另一種情況是，計算的p、q兩監(jiān)測點間暫態(tài)電流本是相似的，只是相似性不高，那么此區(qū)間會被誤判為故障區(qū)間。因此，單獨利用暫態(tài)電流相似性關系來實現(xiàn)故障區(qū)域定位是達不到定位要求的。

■3.2 綜合暫態(tài)電流相似性和極性的故障定位

故障區(qū)段判定流程如下：

（1）首先，檢測到的第一組兩側(cè)暫態(tài)電流不相似的區(qū)段可直接判定為故障區(qū)段；

（2）其次，兩側(cè)檢測點暫態(tài)電流已經(jīng)相似但第二步檢測顯示極性相反的區(qū)段依舊判定為故障區(qū)段；

（3）最后，從母線開始檢測一直都是正常區(qū)段，則故障區(qū)段為最后一次檢測點的下游區(qū)段。

前兩條判斷依據(jù)可以總結(jié)為：兩側(cè)暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq滿足ρpq＜ρT的首個區(qū)間段。

■3.3 糾正電流互感器TA極性反接分析

現(xiàn)實生活中，經(jīng)常使用TA作為量程擴大儀器，利用暫態(tài)零模電流極性進行定位的前提是三相電的TA極性一致[3]。當三相電中出現(xiàn)任意兩相TA極性反接時，就會造成測量失去準確度，造成最終的故障區(qū)段誤判。在故障點上游線路由故障點流向母線的電感電流，在等效電路中，也相當于由母線流向線路的電容電流，和在電路中故障點下游從母線流向線路的電容電流的電流方向相同，此段線路的對地電容也稱為工頻零序電流。上下游電路的電流方向相同時，通過計算相鄰檢測點p和q間暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq都是大于0的。以相鄰的p、q檢測點為例，當p和q間三相電的TA極性反接時，將剩下的所有的p和q之間的暫態(tài)零模電流系數(shù)ρpq和工頻零序電流相關系數(shù)ρpqS同時加上負號來對應電流方向改變以后的電路計算。因此，用為負值的工頻零序電流相關系數(shù)ρpqS乘于同為負值的暫態(tài)零模電流的相關系數(shù)ρpq，極性方面負負得正，那么計算結(jié)果就正好只有數(shù)值而沒有方向了，這樣就避免了TA量程擴大器反接的影響，補救后的暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpqF可表示為：

■3.4 綜合區(qū)段定位算法的實現(xiàn)流程

按照上述算法建立小電流接地系統(tǒng)單相接地時暫態(tài)故障點定位的系統(tǒng)，在硬件設施上主要由核心主站、中間通信系統(tǒng)和終端變電所組成。終端變電所要求具備故障線路判別功能，為加強此功能的判別效率，可以安裝自動化故障指示器，來檢測并記錄出線開關處饋線終端的情況，為p、q點之間零模電流計算提供條件。系統(tǒng)核心主站根據(jù)所有末端線路自動化器械顯示并提供的零模電流狀態(tài)完成故障點定位過程，故障點的定位流程如下：

（1）小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地情況時，電壓會發(fā)生很大的變化，系統(tǒng)末端變電所相關設備察覺到零模電壓變化后立即開始檢測，選擇出故障線路，并將線路結(jié)果和暫態(tài)零模電流向上一級傳遞給到主站。

（2）除了電壓變化，電流情況也會突然改變，若檢測到零模電流突變，則會觸發(fā)各出線的饋線終端系統(tǒng)，檢測并記錄故障零模電流，整理匯報到主站。

（3）主站接收變電所終端數(shù)據(jù)和饋線終端設備的數(shù)據(jù)，不需要所有的數(shù)據(jù)都進行處理，所以對除正常線路以外的異常線路各終端記錄的零模電流數(shù)據(jù)進行濾波處理，提取暫態(tài)分量和工頻分量數(shù)據(jù)以供后續(xù)使用。

（4）從異常線路前端開始，逐一排查并計算各相鄰檢測點p和q間暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq和工頻零序電流相關系數(shù)ρpqS，和補救后的暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpqF。

（5）因為多了一種極性判斷流程，所以檢測無論ρpqF系數(shù)正負，若監(jiān)測到某區(qū)段上下游兩側(cè)的暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq小于設定門檻值ρT的最小值，則我們選定該區(qū)段為故障區(qū)段。

（6）若經(jīng)檢測并計算后，所有p、q兩點間暫態(tài)電流相關系數(shù)ρpq均大于門檻值ρT，則規(guī)定最后一組p、q兩點間的下游位置為故障區(qū)段。

4 結(jié)語

在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的故障暫態(tài)特征基礎上進一步研究實現(xiàn)故障區(qū)段定位模型，可解決消弧線圈過補償造成的問題。綜合利用故障點上游和下游暫態(tài)零模電流的似性和極性兩種判定關系，可避免單獨使用暫態(tài)電流相似性定位方法的盲區(qū)判斷，更為準確地確定故障區(qū)段[4]。對于過補償方式的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，可利用故障工頻零序電流的符號與系數(shù)的計算使其不受經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中TA接線極性反接的影響，糾正暫態(tài)零模電流的極性關系進行定位判斷。本文方法克服了單純利用暫態(tài)電流相似性定位算法的不足，去除了極性反接的影響，提高了小電流單相接地系統(tǒng)暫態(tài)定位技術的可靠性和適用性。