羅雪蓮，陳成功，劉志豪，曾歡悅

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南株洲 412000）

0 引言

10 kV電壓等級的配電網(wǎng)常采用中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地兩種中性點接地方式。隨著供電質(zhì)量要求的提升，越來越多的地市的10 kV配電網(wǎng)采用經(jīng)消弧線圈的中性點接地方式，這種接地方式雖然能夠有效提高供電可靠性，同時也帶來了故障量難以辨識的問題［1-5］。因此當(dāng)城市配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，現(xiàn)有接地選線裝置普遍存在接地選線不準(zhǔn)的問題，而接地輔助判斷手段有限，僅靠人工拉線會延誤接地故障隔離和處置，進(jìn)而導(dǎo)致其他不相關(guān)用戶短時停電，降低供電穩(wěn)定性的同時還會影響供電服務(wù)質(zhì)量。

為減少接地故障對供電服務(wù)質(zhì)量帶來影響，有必要避免采用人工手段進(jìn)行拉路，提高接地選線裝置的選線成功率被提上議程。目前常見的幾種接地選線方法中，穩(wěn)態(tài)零序電流相位比較法［6-8］是通過比較不同線路的零序電流方向進(jìn)行故障判斷，比幅比相法［9-11］是根據(jù)故障電流與非故障電流之間幅值與相位的區(qū)別進(jìn)行選線，負(fù)序電流法［12-13］是采用負(fù)序分量作為參數(shù)進(jìn)行選線保護(hù)，注入信號跟蹤法［14-16］是通過向系統(tǒng)注入并跟蹤高頻信號進(jìn)行故障判斷。但上述選線方法存在可靠性低、電流互感器精度要求高、安裝成本高、采樣困難等問題，實際應(yīng)用效果不佳。

因此，本文的研究重點是在現(xiàn)有條件下，尋求一種切實可行的接地故障輔助研判手段，提升接地拉路準(zhǔn)確率和快速性，提高供電服務(wù)質(zhì)量，提升配網(wǎng)“兩降兩控”指標(biāo)。

1 小電流接地系統(tǒng)接地分析

圖1所示為某一中性點不接地系統(tǒng)，正常情況下三相對稱，對地電容電流之和為0。以圖中線路1發(fā)生A相接地故障為例進(jìn)行分析。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)全接地零序電流示意圖

無接地故障的線路的三相對地電容電流分別為：

式中：C0i為i線路的對地電容；、分別為B、C相對地電壓。

可以看出，無接地故障的線路的零序電流為：

根據(jù)式（2），無接地故障的線路的零序電流由接地零序電壓和該線路對地電容決定。

對于接地線路，流過接地相故障點的電流為所有無接地故障的線路的對地電容電流的疊加，即：

綜上分析，當(dāng)中性點不接地配網(wǎng)發(fā)生單相接地時，接地線路的零序電流為所有無接地故障的線路對地電容電流的疊加，而無接地故障的線路的零序電流為正常運行狀態(tài)下該線路的電容電流。通常情況下接地線路的零序電流值遠(yuǎn)大于任一無接地故障的線路的零序電流值，調(diào)度可根據(jù)零序電流幅值大小進(jìn)行選線。但實際應(yīng)用時存在以下問題。

（1）經(jīng)消弧線圈接地的10 kV系統(tǒng)，接地線路的電容電流被消弧線圈補償，補償度接近全補償時，接地線路的零序電流較小，通過零序電流大小進(jìn)行接地故障判別的辨識度較低；而補償度為過補償時，接地線路的零序電流方向與無接地故障的線路的零序電流方向相同，接地現(xiàn)象同樣不明顯。

（2）通常配網(wǎng)線路負(fù)荷存在三相不一致問題，如果配網(wǎng)線路三相不平衡度高，可能出現(xiàn)接地告警信號誤動的情況。

（3）配網(wǎng)線路情況復(fù)雜，架空與電纜線路混合，線徑、長度不一，且運行方式種類繁多，都對電容電流的計算造成一定的困難，因此無法依據(jù)運行方式變化從而調(diào)整接地告警定值。

因此，有必要研究一種適用于配網(wǎng)線路的接地選線方法，能夠在調(diào)度主站端可靠判別接地相。

2 改進(jìn)賦權(quán)接地選線方法技術(shù)原理

單一的選線判據(jù)具有其獨立的適用范圍，受現(xiàn)場實際影響，選線判斷具有一定的局限性。為了保證接地選線的可靠性和冗余度，本文提出一種基于零序阻抗與歷史數(shù)據(jù)比較的綜合選線方法，該方法只需要采集10 kV系統(tǒng)零序分量進(jìn)行判斷，簡化了輸入量。采用的是零序分量的穩(wěn)態(tài)值而非暫態(tài)值，對數(shù)據(jù)的采樣頻率沒有特別要求，能適用上傳到調(diào)度主站系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一判斷。同時通過統(tǒng)計歷史接地數(shù)據(jù)，計算配網(wǎng)線路發(fā)生接地故障的概率時，算法可考慮結(jié)合配網(wǎng)線路投運年限，對故障概率進(jìn)行修正，最終實現(xiàn)接地故障最小范圍的快速隔離。

2.1 基于零序阻抗比較的輔助判斷方法

假設(shè)中性點不接地系統(tǒng)正常運行時，三相電壓對稱，有Ua＝Ub＝Uc＝UN。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生全接地時（以C相全接地為例），中性點電壓由零電位偏移為-，A、B、C三相對地電壓分別為，如圖2所示。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)全接地電壓示意圖

則母線零序電壓：

同理，當(dāng)A、B相全接地時，同樣有母線零序電壓U0＝UN。

無接地故障的線路的零序阻抗不受系統(tǒng)其他線路發(fā)生單相接地故障的影響。故可通過比較配網(wǎng)線路前后兩次接地故障發(fā)生時的零序阻抗，可以判斷該線路是否為接地線路。如果配網(wǎng)線路零序阻抗出現(xiàn)明顯變化，基本可以確定該線路為接地線路。

對于不完全接地故障，設(shè)中性點電壓偏移量（即母線零序電壓）為，對系統(tǒng)中第k條無接地故障的線路而言，其他線路發(fā)生單相接地故障時，本線路零序阻抗不變，不難有：

則不完全接地故障時，第k條無接地故障的線路的零序電流I0k為：

對于線路發(fā)生不完全接地故障的情況，通過零序電壓U0、以及非本線路全接地時零序電流ICk，可由上式計算得到零序電流I0k。通過計算得到零序電流I0k與配電自動化終端上送的零序電流值進(jìn)行比較，即可判斷系統(tǒng)的接地故障情況。

2.2 基于歷史數(shù)據(jù)的接地輔助判斷方法

對歷史接地數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，同一變電站配網(wǎng)線路發(fā)生接地故障次數(shù)并不相同，呈現(xiàn)明顯正態(tài)分布特點，如圖3所示（圖中數(shù)據(jù)分別為王家坪、向陽村變2016年9月—2021年2月配網(wǎng)線路發(fā)生接地故障次數(shù)匯總）。由圖可知，同一變電站配網(wǎng)線路發(fā)生接地故障的概率并不相同，且數(shù)據(jù)量越大，這種差別越明顯，配網(wǎng)線路接地概率與接地次數(shù)一樣，呈現(xiàn)明顯的正態(tài)分布特點。

圖3 變電站配網(wǎng)線路接地故障次數(shù)匯總

因此可以通過統(tǒng)計歷史接地數(shù)據(jù)，計算配網(wǎng)線路發(fā)生接地故障的概率，可以輔助調(diào)度員進(jìn)行接地拉路。

2.3 接地選線綜合判據(jù)權(quán)值計算方法

為保證接地選線的可靠性和冗余度，論文提出一種綜合判斷方法進(jìn)行接地選線判別，其中權(quán)值的選取需要通過科學(xué)的算法得出。熵權(quán)法作為一種客觀的賦權(quán)方法，能夠利用歸一化處理對各個評價指標(biāo)進(jìn)行熵值計算，從而客觀決定各項指標(biāo)權(quán)重［17-18］。

每次接地有n條線路，共有歷史故障量、重要程度標(biāo)志量和零序電流3個特性指標(biāo)，接地后各條線路特性指標(biāo)值可記為：

式中：H0為各條線路歷史故障量矩陣；S0為各線路重要程度標(biāo)志量矩陣；I0為接地后各條線路零序電流矩陣。

對R中值進(jìn)行歸一化處理，可得第i條線路在第x個指標(biāo)中的貢獻(xiàn)度fxi為：

式中：rxi∈R；i＝1，2，…，n；x＝1，2，…，m；m為特性指標(biāo)總數(shù)。

第x個指標(biāo)的熵值wx可通過下式求得：

式中：k＝1／lnn。

最終通過式（8）～（10），得到3種選線判據(jù)指標(biāo)對應(yīng)的的權(quán)重向量wx。，計算接地概率并以此進(jìn)行選線：

2.4 新型配電網(wǎng)單相接地故障輔助研判方法

結(jié)合前面提出的接地選線方法和綜合權(quán)值計算方法，論文提出的新型配電網(wǎng)單相接地故障輔助研判方法流程如圖4所示。

圖4 零序阻抗接地故障選線原理流程

（1）當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，配電自動化系統(tǒng)采集并存儲故障時刻無接地故障的線路零序電流ICk。

（2）當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)再次發(fā)生接地故障時，單相接地故障輔助研判模塊首先判斷本次接地故障的性質(zhì)是否符合全接地故障。若符合全接地故障，研判模塊對本次故障采集的零序電流I0與系統(tǒng)存儲的歷史零序電流ICk進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果≤X（X為允許偏差設(shè)定值），則判斷此次接地本線路為無接地故障的線路；如果＞X，則判斷本線路為疑似接地線路。如果接地故障為非全接地故障，配電自動化系統(tǒng)采集本次接地故障零序電壓U0，則由下式可得零序電流限值：

通過比較本次故障采集的零序電流I0與計算得到零序電流I0k，如果≤X（X為允許偏差設(shè)定值），則判斷此次接地本線路為無接地故障的線路；若＞X，則判斷本線路為疑似接地線路。

（3）優(yōu)先按照故障選線識別結(jié)果排序。對于根據(jù)前述故障選線識別為故障線路的情況，可按照對應(yīng)零序電流超過限值的比重進(jìn)行排序；對于未識別為故障線路的情況，則通過賦權(quán)法對歷史故障概率、線路重合閘動作因素等運行工況進(jìn)行權(quán)值計算，由此實現(xiàn)拉路排序。如圖5所示。

圖5 新型配電網(wǎng)單相接地故障輔助研判流程

3 應(yīng)用案例

2022年3月14 日04：00：45，松樹變10 kVⅠ母發(fā)生B相接地（UA＝8.84 kV，UB＝1.61 kV，UC＝9.75 kV，U0＝4.64 kV）。

依據(jù)零序阻抗比較法、松樹變歷史接地線路（圖6）的概率、跳閘重合線路以及重要（敏感用）戶線路等因素，通過熵權(quán)法得出每條線路接地概率，接地概率大小形成拉路順序，如圖7所示。

圖6 接地記錄

圖7 接地拉路順序

依據(jù)接地故障輔助判研模塊拉路順序進(jìn)行拉路，04：15將松環(huán)Ⅳ回松312線路轉(zhuǎn)熱備用后，松樹變10 kVⅠ母接地復(fù)歸，經(jīng)查，某施工單位將松環(huán)Ⅳ回松312線路29號桿避雷線拉線挖斷，拉線彈射觸碰在B相引起接地，接地故障輔助判研模塊選線正確。

4 結(jié)束語

針對配電網(wǎng)單相接地故障選線裝置造價高、選線效率低、選線成功率不高等問題，本文提出了配電網(wǎng)單相接地零序阻抗比較原理選線方法，并根據(jù)電網(wǎng)運行情況，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，得出配電網(wǎng)接地趨勢，利用配電自動化系統(tǒng)開發(fā)了一種基于零序阻抗比較和歷史數(shù)據(jù)參考的接地故障輔助研判模塊。優(yōu)點如下。

（1）設(shè)計的接地故障輔助判研模塊采用了穩(wěn)態(tài)建立于配電自動化主站系統(tǒng)，可真實反映故障穩(wěn)態(tài)信號，且無需加裝其他電氣設(shè)備，相較于其他選線裝置投資更小。

（2）選線策略通過綜合線路零序阻抗比較法與歷史數(shù)據(jù)參考法，既可以有效排除一部分健全線路，減少運算量，同時還確保了選線成功率。

（3）該選線裝置已在株洲配調(diào)進(jìn)行測試與運行，實踐證明，基于配電自動化系統(tǒng)的配網(wǎng)單相接地故障輔助研判模塊能準(zhǔn)確研判接地故障線路，提高了接地拉路的快速性與準(zhǔn)確率，具有一定的工程意義和實際價值。