甘 新

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401100）

0 引 言

電能質(zhì)量的提升在保證電力系統(tǒng)的可靠性和安全性方面發(fā)揮著重要作用。國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)系統(tǒng)中，單相接地故障在整個(gè)電力系統(tǒng)短路故障中所占比例較大。當(dāng)該系統(tǒng)某一相處于接地狀態(tài)時(shí)，在小故障電流的影響下，故障發(fā)生后只有相電壓出現(xiàn)明顯改變，線電壓仍然保持對(duì)稱狀態(tài)，可以為用戶提供足夠的電能支持。出現(xiàn)單相故障后，雖然該系統(tǒng)可以在帶電狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，但是相關(guān)保護(hù)設(shè)備仍需在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)出相應(yīng)的故障信號(hào)，提醒相關(guān)人員采取合適的處理措施，快速分析問題并處理故障，保證電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性[1]。結(jié)合故障序特性，提出配電網(wǎng)單相接地故障辨識(shí)方法，從而達(dá)到縮短故障處理時(shí)間的目的。

1 配電網(wǎng)單相接地故障特征分析

1.1 判據(jù)分析

當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障問題時(shí)，序電流和序電壓均會(huì)出現(xiàn)異常現(xiàn)象，因此將序電流、序電壓作為單相接地故障判斷依據(jù)。

序電壓故障判據(jù)為：當(dāng)零序電壓有效值遠(yuǎn)超正常相電壓有效值與可靠系數(shù)之積時(shí)，說明出現(xiàn)序電壓故障。在解決這一故障問題時(shí)，需要結(jié)合相關(guān)裕度，利用保護(hù)裝置調(diào)整和控制繼電器的實(shí)際啟動(dòng)序電壓值[2]。在預(yù)定保護(hù)范圍外處理故障問題時(shí)，要將保護(hù)裝置的可靠系數(shù)控制為0.19。

序電流故障判據(jù)為：當(dāng)整定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)序電流之差的絕對(duì)值時(shí)，說明出現(xiàn)序電流故障。

1.2 特征分析

當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)的交流側(cè)出現(xiàn)接地故障問題時(shí)，需要做好對(duì)故障處邊界條件的設(shè)置。此外，要結(jié)合交流側(cè)單相接地故障特性，確定相應(yīng)的復(fù)合序網(wǎng)圖[3]，具體如圖1 所示。

圖1 交流側(cè)單相接地故障時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)圖

圖1 中：Zc1代表等效阻抗，主要在故障點(diǎn)換流器出口處形成；Us1＜0°代表系統(tǒng)電源處于正序等效狀態(tài)；Zc0代表零序等效阻抗；Icom1代表正序等效電流源；δ代表等效電流源相角；Us1代表正序等效阻抗；Us2代表負(fù)序等效阻抗。

基于以上相關(guān)參數(shù)，采用對(duì)稱分量法精確計(jì)算各個(gè)故障點(diǎn)的故障相電流[4]。此外，結(jié)合電力系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，從2 個(gè)方面分析配電網(wǎng)系統(tǒng)所出現(xiàn)的單相接地故障特點(diǎn)。一方面，無論是非故障相電壓，還是故障相電流，均與換流器輸出相電流、系統(tǒng)電壓之間的夾角變化息息相關(guān)；另一方面，配電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)非故障相電壓突增現(xiàn)象時(shí)，故障相電流大幅增加，故障相電壓不斷下降并處于置零狀態(tài)。

2 基于序分量的故障特性分析

2.1 序特性分析

為保證整個(gè)配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要采用等效處理的方式，將短路接地故障等效為典型的端口網(wǎng)絡(luò)，然后結(jié)合該接地故障對(duì)稱性的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行解耦處理，從而獲取相應(yīng)的零序網(wǎng)圖和正序網(wǎng)圖。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，需要確定接地復(fù)合序網(wǎng)的等效電路，確保故障線路負(fù)序電流值遠(yuǎn)超過零序電流。

2.2 序特性模型

單相接地故障示意如圖2 所示。將線路L1設(shè)置到配電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以快速、精確地定位單相接地故障點(diǎn)，并結(jié)合單相接地故障程度深入分析和研究序電流等值電路。

圖2 單相接地故障序特性模型

3 基于序特性的故障辨識(shí)方法

3.1 故障定位原理

在處理單相接地故障時(shí)，為避免出現(xiàn)動(dòng)作死區(qū)，需結(jié)合零序電壓和負(fù)序電流等參數(shù)，采用雙判據(jù)融合法精確識(shí)別故障。相關(guān)人員要結(jié)合序電流和序電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)故障段的快速判定，并通過離散阻抗法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行快速判定[5]。

3.1.1 判定故障段

當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障問題時(shí)，由于配電網(wǎng)采用的中性點(diǎn)接地方式不同，所表現(xiàn)出的故障特征也存在一定差異。為實(shí)現(xiàn)對(duì)零序電壓的有效控制，相關(guān)人員需結(jié)合中性點(diǎn)不接地處理需求，采用零序電壓法判定系統(tǒng)所產(chǎn)生的動(dòng)作，然后分析和判斷接地故障，為后期快速有效分析和處理故障問題、保證用戶用電的穩(wěn)定性和可靠性提供重要的數(shù)據(jù)支持。

3.1.2 判定故障點(diǎn)

在完成故障段判定工作后，需要采用阻抗法對(duì)故障段進(jìn)行測(cè)距處理。采用測(cè)距處理的方式不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)域的精確化判定，還能防止對(duì)故障定位辨識(shí)時(shí)出現(xiàn)多個(gè)求解問題，保證故障定位的精確性和高效性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的精確化切除[6]。

3.2 故障定位步驟

整個(gè)單相接地故障定位流程如下。

第一，構(gòu)建信息數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)合線路和電源等信息，構(gòu)建符合配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行需求的信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

第二，采集子站電流、電壓等信息。在這一環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員要重點(diǎn)采集和整理測(cè)量單元電流、故障段電流以及電壓等信息。

第三，收集故障信息。所收集的故障信息主要包含子站電流電壓、主站電壓信息以及主站電流信息等。

第四，確定故障區(qū)段。在參照配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用負(fù)序電流法確定相應(yīng)的故障區(qū)段，便于后期故障測(cè)距工作的落實(shí)[7]。

第五，開展故障測(cè)距工作。在指定的故障區(qū)段內(nèi)，利用所采集到的信息，對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行測(cè)距處理。

第六，輸出故障定位結(jié)果。將最終故障定位結(jié)果真實(shí)、完整地顯示出來，便于其他人員查看和調(diào)用，提高故障定位相關(guān)數(shù)據(jù)的利用率。配電網(wǎng)單相接地故障定位流程如圖3 所示。

圖3 配電網(wǎng)單相接地故障定位流程

3.3 故障相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量與計(jì)算

在進(jìn)行單相接地故障測(cè)距時(shí)，首先要求解故障電流，即故障點(diǎn)對(duì)地電流減去負(fù)荷側(cè)線路電容電流和故障相負(fù)荷電流之和。其次，求解故障距離。結(jié)合線路已知電壓值和電流值，精確地計(jì)算出故障電流值，并計(jì)算出現(xiàn)各個(gè)故障點(diǎn)距離。再次，分析和判斷故障距離是否處于收斂狀態(tài)。如果收斂，則需要終止計(jì)算流程；反之，則需要繼續(xù)進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的迭代計(jì)算。最后，精確計(jì)算出故障點(diǎn)電壓。

4 配電網(wǎng)單相接地故障仿真分析

以10 kV 系統(tǒng)為主進(jìn)行仿真研究，如圖4 所示。

圖4 10 kV 系統(tǒng)

在距線路首端2 km 位置處，需要設(shè)置最長(zhǎng)線路L1。同時(shí)，將故障電阻設(shè)置為200 Ω，故障時(shí)間設(shè)置為0.29 s，故障電流閾值設(shè)置為0.9 A。

當(dāng)各類故障出現(xiàn)時(shí)，空間負(fù)序電流的有效值會(huì)出現(xiàn)明顯變化。以A 相為研究對(duì)象，獲得單相接地空間負(fù)序電流有效值變化情況如圖5 所示。

圖5 單相接地空間負(fù)序電流有效值變化

由圖5 可知，一旦出現(xiàn)單相接地故障（0.05 s 時(shí)），空間負(fù)序電流有效值迅速達(dá)到0.239 9 A。

單相接地故障空間負(fù)序電流有效值的統(tǒng)計(jì)情況如表1 所示。

表1 單相接地故障空間負(fù)序電流有效值

在故障電阻始終保持不變的情況下，一旦出現(xiàn)單相接地故障，系統(tǒng)所獲得的零序電壓有效值就必須滿足相關(guān)評(píng)定依據(jù)。另外，結(jié)合空間負(fù)序有效值，可以完成對(duì)閾值范圍的有效設(shè)置，為后期定位故障奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。本次仿真分析有效驗(yàn)證了單相接地故障辨識(shí)方法的有效性和可靠性。

技術(shù)人員重視對(duì)本文故障辨識(shí)方法的運(yùn)用，不僅有助于縮短故障處理時(shí)間和加快故障處理速度，還可以有效避免因長(zhǎng)時(shí)間大面積停電給居民日常生活和工作造成的不便，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，能為用戶提供正?；头€(wěn)定化的供電，幫助電力企業(yè)獲得相應(yīng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，促使電力行業(yè)的創(chuàng)新與穩(wěn)定發(fā)展。

5 結(jié) 論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，為保證國(guó)內(nèi)電力行業(yè)供電穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相接地故障的快速、精確化判別，結(jié)合故障序特性提出了一套行之有效的配電網(wǎng)單相接地故障辨識(shí)方法，并采用仿真分析的方式驗(yàn)證了該辨識(shí)方法的有效性和可靠性。該辨識(shí)方法具有操作簡(jiǎn)單和可行性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)快速分析和處理故障問題，為用戶正常連續(xù)供電提供相應(yīng)保障，有效避免因長(zhǎng)時(shí)間停電而給用戶的日常生活和工作造成的不便，在一定程度上也促使配電網(wǎng)能夠更加安全可靠的運(yùn)行。