陳超杰，周 青，沈曉峰，徐友剛，朱子葉

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799；2.上海電力大學(xué)，上海 200090)

目前配電網(wǎng)日益電纜化、分支化，伴隨著電容電流的急劇增加和分支機(jī)構(gòu)的日益復(fù)雜，而現(xiàn)有技術(shù)的接地查找手段普遍存在定位精度不準(zhǔn)確、高阻接地查找困難、注入信號(hào)存在危險(xiǎn)性等問(wèn)題，使得推廣使用受到較大限制[1-4]。盡管一些較先進(jìn)的故障指示器已具備接地指示功能，然而故障指示器不可能密集安裝，對(duì)電纜出線分支較多或距離較長(zhǎng)的線路現(xiàn)場(chǎng)查找?guī)椭琅f有限。

由于現(xiàn)有技術(shù)的局限性，單相接地故障點(diǎn)查找至今未很好解決，對(duì)于配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大負(fù)面影響。為此，本文研制一種能從根本上提升接地查找定位效果，又安全方便的接地查找設(shè)備。

1 現(xiàn)有單相接地定位存在的問(wèn)題

現(xiàn)有接地故障點(diǎn)查找設(shè)備效果最好的是信號(hào)注入法檢測(cè)方案，通過(guò)向停電的故障線路與大地之間注入交流信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線鉗表檢測(cè)信號(hào)電流的流向，逐步縮小檢測(cè)范圍，最終定位到故障點(diǎn)，但該技術(shù)仍存在一些問(wèn)題。

1.1 無(wú)法檢測(cè)高阻接地或間歇性接地

高阻接地與間歇性接地是最難查找的接地類(lèi)型，而且出現(xiàn)的也很頻繁，尤其是樹(shù)枝搭接、小動(dòng)物入侵等，常常造成高阻或間歇性接地?，F(xiàn)有產(chǎn)品的信號(hào)電壓強(qiáng)度低，由于電纜線路多、系統(tǒng)電容電流大，現(xiàn)有產(chǎn)品采用交流信號(hào)注入，如果信號(hào)電壓強(qiáng)度過(guò)大，檢測(cè)裝置將承擔(dān)極大的電容無(wú)功功率，這在技術(shù)上極難達(dá)到。因此，下游產(chǎn)品信號(hào)電壓一般僅幾百伏，對(duì)于高阻接地或間歇性接地?zé)o法擊穿故障點(diǎn)絕緣，這導(dǎo)致檢測(cè)高阻或間歇性接地效果不佳[5-6]。

1.2 容易受干擾

配網(wǎng)系統(tǒng)的日益電纜化，使系統(tǒng)對(duì)地電容阻抗日益降低，現(xiàn)有方案采用交流信號(hào)注入在無(wú)故障的電纜分支線上也產(chǎn)生感應(yīng)回流，從而對(duì)檢測(cè)形成干擾甚至誤導(dǎo)。

1.3 無(wú)法驗(yàn)證線路絕緣水平

部分單相接地并非永久性故障，很可能在跳閘后故障點(diǎn)已經(jīng)自動(dòng)消除，具備送電條件。為確保安全，有時(shí)必須對(duì)線路進(jìn)行絕緣測(cè)試，但現(xiàn)有設(shè)備的交流信號(hào)源電壓低，無(wú)法直接測(cè)試系統(tǒng)絕緣水平，還必須使用其他儀器來(lái)檢測(cè)線路絕緣。隨著供電可靠性要求的日益提升，用戶(hù)希望故障停電時(shí)間盡可能短，這就需要接地查找裝置本身具備絕緣驗(yàn)證能力[7-8]。

當(dāng)信號(hào)源無(wú)法構(gòu)成回路，通過(guò)提升信號(hào)電壓來(lái)直接驗(yàn)證線路絕緣，將能極大提升單相接地故障的處置效率。

1.4 安全性差

現(xiàn)有信號(hào)注入方案的檢測(cè)儀器、操作桿均無(wú)防誤操作保護(hù)，一旦檢測(cè)時(shí)誤接入運(yùn)行線路，將導(dǎo)致線路跳閘、人員傷亡的嚴(yán)重事故發(fā)生。檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用安全性也需要提升。

2 檢測(cè)用高壓直流恒流源的設(shè)計(jì)

2.1 利用直流信號(hào)源檢測(cè)故障點(diǎn)的特點(diǎn)

現(xiàn)有技術(shù)的信號(hào)電源采用交流，在高阻值接地時(shí)，電容電流影響對(duì)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷，占據(jù)了裝置的容量。在高阻值的接地故障點(diǎn)查找時(shí)，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，難以準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)甚至無(wú)法查找，因此故障查找性能受到限制。

本文電源采用直流方案，直流方案的優(yōu)點(diǎn)在于：首先直流信號(hào)無(wú)電容效應(yīng)，具備先天的電纜電容電流屏蔽能力，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力；其次直流信號(hào)因?yàn)椴划a(chǎn)生電容電流，對(duì)于電容量很大的線路元件，可直接用較小的功率產(chǎn)生較高的電壓，從而類(lèi)似于兆歐表對(duì)線路直接進(jìn)行絕緣檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)在線的線路絕緣水平的同步檢測(cè)，對(duì)縮短故障處置時(shí)間帶來(lái)極大的好處。

現(xiàn)有技術(shù)不具備直流電流的鉗表檢測(cè)功能，要實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)注入比較困難。采用新型雙重化屏蔽霍爾電流傳感器，具備極佳的外部電磁場(chǎng)屏蔽能力，通過(guò)該技術(shù)登桿檢測(cè)線路中的直流信號(hào)電流，就能非常靈敏地確認(rèn)故障方位。

2.2 高壓直流恒流源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文將逆變器與斬控交流調(diào)壓電路結(jié)合，采用漏磁變壓器升壓，同時(shí)利用其電流穩(wěn)定特性，達(dá)到恒流效果，規(guī)避了高壓恒流電源控制上的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)無(wú)極可調(diào)、不怕短路近似恒流的高壓、小電流直流電源的設(shè)計(jì)，易于現(xiàn)場(chǎng)使用，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓直流恒流源結(jié)構(gòu)圖

高壓直流恒流源主要由4個(gè)部分組成。

(1)12～220 V逆變器。選取適當(dāng)容量的蓄電池，通過(guò)振蕩電路，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，由變壓器升壓?20 V。

(2)斬控交流調(diào)壓器。通過(guò)控制脈沖的占空比，利用高頻周期矩形波函數(shù)對(duì)正弦波進(jìn)行調(diào)制。假設(shè)12～220 V逆變器輸出值表示為

ui(t)=Umsin(ωt)

(1)

(2)

輸出電壓的傅里葉展開(kāi)式：

(3)

輸出電壓由基波和高次諧波所組成，利用低通濾波器，可完全濾除高次諧波，使得u0(t)=DUmsinωt，改變占空比即可調(diào)節(jié)電壓。

(3)漏磁升壓變壓器。漏磁變壓器具有電流穩(wěn)定的特性，當(dāng)變壓器開(kāi)始工作時(shí)，負(fù)載電壓趨近于副邊電壓值，副邊漏抗很?。划?dāng)穩(wěn)定工作后，負(fù)載壓降下降，漏抗壓降上升，趨于允許的限定值。改變?cè)呺妷?，副邊的電流在?fù)載變化時(shí)也能基本保持不變。變壓器升壓后電壓為

u2(t)=nu0(t)

(4)

式中n——變壓器變比，漏磁變壓器空載電壓可達(dá)10 kV以上。

(4)高壓整流橋。通過(guò)將4只相同的整流二極管接成電橋形式，利用二極管的引導(dǎo)作用，在輸出端實(shí)現(xiàn)全波整流電壓，整流橋輸出的電壓值為

UL=0.9U2

(5)

一般還需要濾波電路對(duì)整流后的電壓進(jìn)行濾波，使輸出電壓接近理想的直流。

本文設(shè)計(jì)的高壓直流恒流源整機(jī)樣機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 高壓直流恒流源樣機(jī)基本參數(shù)

3 直流恒流源信號(hào)注入法分析及設(shè)計(jì)

3.1 直流恒流源信號(hào)注入法

10 kV電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的等效電路如圖2所示。在圖2中，L為消弧線圈電感；Cm，Rm，Lm為故障點(diǎn)上游所有并聯(lián)線路的等值線路參數(shù)；Cn，Rn，Ln為故障點(diǎn)下游等值線路參數(shù)。

圖2 單相接地故障其等效電路

直流信號(hào)注入法的原理與傳統(tǒng)的交流信號(hào)注入法類(lèi)似，設(shè)線路n發(fā)生單相接地故障，其原理示意圖如圖3所示。在圖3中，Udc為直流電源，與逆變器相連，將直流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)。與斬控式交流調(diào)壓電路結(jié)合，通過(guò)漏磁變壓器升壓后高壓整流，構(gòu)成高電壓小電流的直流發(fā)生器。

圖3 直流信號(hào)注入法原理

直流信號(hào)注入法等效電路如圖4所示。選取一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)已隔離故障線路的故障相與地之間施加信號(hào)電源注入直流信號(hào)，通過(guò)故障點(diǎn)的接地與裝置形成電流回路，測(cè)量電流的流向即可判斷故障點(diǎn)的方位。

圖4 直流信號(hào)注入法等效電路圖

假設(shè)故障點(diǎn)在左側(cè)，則故障接地與直流源形成回路，左側(cè)回路電流：i1≈UL/R1，右側(cè)無(wú)接地，則電流為i2≈UL/R2，由于右側(cè)開(kāi)路，R2理論上近似為0，故i2≈0。

與傳統(tǒng)交流信號(hào)源相比，直流信號(hào)無(wú)電容效應(yīng)，具備先天的電纜電容電流屏蔽能力和抗干擾能力；其次，直流信號(hào)不產(chǎn)生電容電流，對(duì)于電容較大的線路元件，可直接用較小的功率產(chǎn)生較高的電壓，進(jìn)而利用兆歐表等對(duì)線路直接進(jìn)行絕緣檢測(cè)，使故障點(diǎn)難以藏匿。

3.2 安全防誤操作保護(hù)設(shè)計(jì)

為了保證現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的安全性，尤其是信號(hào)注入裝置不能錯(cuò)誤接入運(yùn)行線路導(dǎo)致誤操作事故，提出了三重化安全防范結(jié)構(gòu)。

(1)感應(yīng)驗(yàn)電器。信號(hào)操作桿頂部設(shè)置與日常驗(yàn)電操作類(lèi)似的驗(yàn)電器，驗(yàn)電器與信號(hào)輸出夾頭具備足夠安全距離，掛接操作桿時(shí)直接通過(guò)驗(yàn)電器驗(yàn)電，保證掛接在無(wú)電回路上。

(2)全絕緣導(dǎo)線與高壓硅鏈信號(hào)源電路。信號(hào)導(dǎo)線采用復(fù)合硅橡膠高壓導(dǎo)線，導(dǎo)線本體可承受50 kV交流耐壓1 min不擊穿，而儀器的信號(hào)輸出部分通過(guò)變壓器二次隔離與高壓硅鏈整流輸出，其本身可承受15 kV以上的外部交直流電壓不擊穿，即使信號(hào)操作桿完全搭接到運(yùn)行導(dǎo)線上，也不會(huì)導(dǎo)致線路接地的誤操作事故。

(3)集成全絕緣限流熔斷器。操作桿集成有外部全絕緣的限流熔斷器，即使信號(hào)操作桿搭接到運(yùn)行導(dǎo)線、儀器絕緣失效對(duì)地?fù)舸?，此時(shí)限流熔斷器也會(huì)立即斷開(kāi)，從而保護(hù)線路不發(fā)生接地短路的重大事故。

樣機(jī)的原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目樣機(jī)原理示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

以避雷器隱性故障發(fā)生在上海某110 kV變電站10 kV的II段母線為實(shí)例，對(duì)所提技術(shù)方案進(jìn)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。下面分析線路發(fā)生避雷器隱性故障的處理過(guò)程。

(1)單相接地故障選線與隔離。10 kV II段母線于22：00左右發(fā)生故障，經(jīng)分析確認(rèn)是10 kV拼開(kāi)線單相接地故障。通知運(yùn)維班現(xiàn)場(chǎng)巡線，故障點(diǎn)在1至39號(hào)桿段；39號(hào)桿后段當(dāng)晚經(jīng)拉手線路操作轉(zhuǎn)至拼鎮(zhèn)線供電，隔日上午未查見(jiàn)明顯故障，試送電后單相接地故障仍然存在。

(2)避雷器隱性故障查找。經(jīng)高壓直流恒流源注入直流信號(hào)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，故障在在20號(hào)桿大號(hào)側(cè)，通過(guò)無(wú)線鉗表縮小范圍于22號(hào)和28號(hào)桿測(cè)試后發(fā)現(xiàn)故障依舊在大號(hào)側(cè)。隨后利用紅外測(cè)溫裝置，發(fā)現(xiàn)7號(hào)配變A相避雷器發(fā)熱(見(jiàn)圖6)，溫升3 K左右。登桿發(fā)現(xiàn)避雷器瓷套穿孔，故障隱蔽，地面巡視發(fā)現(xiàn)困難，更換避雷器后恢復(fù)送電正常。

圖6 故障的避雷器

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，通過(guò)直流高壓恒流源信號(hào)注入，結(jié)合無(wú)線鉗表判斷故障點(diǎn)大致區(qū)域，檢測(cè)定位的效率高，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

單相接地故障的辨識(shí)與查找對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。隨著線路的復(fù)雜化，給單相接地故障的查找定位及事故處理帶來(lái)了極大不便。本文提出一種基于高壓直流恒流源設(shè)計(jì)的接地查找方案，分析了直流信號(hào)注入法定位的基本原理，并設(shè)計(jì)高壓直流恒流源，利用二分法原理對(duì)發(fā)生故障的線路進(jìn)行故障查找，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的可行性。與傳統(tǒng)交流信號(hào)注入法相比，直流信號(hào)注入查找更精確，具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。