曲 曉

（國網(wǎng)山東省電力公司 龍口市供電公司，山東 煙臺(tái) 265701）

0 引 言

單相接地短路是配電網(wǎng)發(fā)生率最高的一種故障類型，國內(nèi)10 kV 配電網(wǎng)多選擇小電流接地，出現(xiàn)單相接地故障后，雖然故障電流相對較小，但是電壓依舊對稱，所以暫時(shí)不會(huì)影響供電，然而持續(xù)運(yùn)行就可能會(huì)損壞電氣設(shè)備。因此，如何精準(zhǔn)、快速展開故障定位，是需要探討的重要課題[1]。為第一時(shí)間處置接地故障，快速鎖定故障點(diǎn)，需要在第一時(shí)間隔離故障區(qū)段，確保非故障區(qū)域的供電能夠恢復(fù)至正常狀態(tài)。目前，越來越多具備錄波功能的終端被應(yīng)用在配網(wǎng)線路中，對配網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸與精準(zhǔn)定位單相接地故障具有較大價(jià)值[2]。

1 單相接地故障區(qū)段定位技術(shù)

1.1 基于波形的區(qū)段定位定性分析

在中性點(diǎn)通過消弧線圈接地時(shí)，其零序電流即為母線與故障點(diǎn)間的電流及未故障線路的電流的總和，且其流動(dòng)方向?yàn)槟妇€。從母線到主次側(cè)的零序電壓值為主次側(cè)的電壓值和，在該情況下，由于該故障點(diǎn)所在的區(qū)域內(nèi)，其前后端的零序電流幅度、相位差異很大，因此該區(qū)域內(nèi)的零序電流幅度、相位也有很大差異[3]。

由上述分析可知，在該故障點(diǎn)的上端，每一區(qū)間內(nèi)的零序電流都高度類似；在該故障點(diǎn)的下端，每一個(gè)區(qū)間內(nèi)的零序電流也都非常類似，但是在該故障的兩邊，也就是在短路區(qū)間內(nèi)，零序電流在短路區(qū)間內(nèi)存在很小的相似性。該方法可以根據(jù)零序電流的相似性判斷出故障點(diǎn)的具體位置。當(dāng)一條線路發(fā)生單相接地時(shí)，且線路中2 個(gè)部分的零序電流并不相同，但這一部分的上行區(qū)段零序電流和下行區(qū)段零序電流比較接近，那么該部分被判定為故障部分[4]。

1.2 基于波形的區(qū)段定位定量判據(jù)

為確保配網(wǎng)系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷故障區(qū)段，依照線路區(qū)段兩端的電流采樣序列，對二者的波形系數(shù)（ρmn）進(jìn)行計(jì)算，表示波形相似程度。將其當(dāng)作識(shí)別故障區(qū)段的重要判據(jù)，具體公式為

式中：iom(k)與iom(k)分別為區(qū)段兩端k零序電流的采樣值。依照配電網(wǎng)的運(yùn)行情況，將相關(guān)系數(shù)閾值設(shè)置為ρH，取值為-1 ～1。接收主站收集故障，并由選線裝置鎖定故障線路之后，對故障線路分段開關(guān)位置的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)收集。對故障線路各個(gè)區(qū)段的零序電流系數(shù)ρmn進(jìn)行判斷，比較所計(jì)算的系數(shù)閾值ρH和ρmn，若ρH＞ρmn，則說明該區(qū)段屬于故障區(qū)段；若ρH＜ρmn，則說明該區(qū)段屬于非故障區(qū)段。鎖定故障后，向主站上報(bào)故障位置，由主站分析并發(fā)出解決命令，斷開故障區(qū)段電路，有效隔離非故障與故障區(qū)段，使非故障區(qū)段能夠盡快恢復(fù)正常供電[5]。

2 10 kV 配網(wǎng)的單相接地故障區(qū)段定位仿真

2.1 設(shè)置區(qū)段定位仿真條件

單線圖創(chuàng)建10 kV 配網(wǎng)的單相接地故障區(qū)段定位仿真模型，具體如圖1 所示。系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈時(shí)連接地面，消弧線圈的阻抗值為j48.28±0.88 Ω，線路1、線路2 與線路3 的長度分別為10 km、15 km以及20 km。線路單位長度的零序與正序參數(shù)值如表1 所示。

表1 線路單位長度零序與正序參數(shù)值

圖1 系統(tǒng)單線圖

以上線路中，線路3 創(chuàng)建有4 個(gè)零序電流檢測元件，能夠?qū)α阈螂娏鞑ㄐ芜M(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，模擬線路內(nèi)具有錄波功能的配電線路終端，檢測元件劃分線路為區(qū)段1 ～區(qū)段4。

2.2 單相接地故障區(qū)段定位仿真分析

通過觀察仿真模型發(fā)現(xiàn)，0.3 s 時(shí)的線路3 的區(qū)段2 中發(fā)生單相接地現(xiàn)象，由此獲得3 條線路零序電流波形，具體如圖2 所示。

圖2 線路3 接地線路零序電流

在發(fā)生故障時(shí)刻，出現(xiàn)故障的導(dǎo)線和完好的導(dǎo)線之間存在180°的零序電流相位差，發(fā)生故障導(dǎo)線的零序與未發(fā)生故障的導(dǎo)線間零序電流總和的振幅相近。在出現(xiàn)故障30 ms 后，故障線和未故障線之間的零序電流相位相差幾乎為0°，這是通過消弧線圈對中性點(diǎn)進(jìn)行單相接地時(shí)所特有的現(xiàn)象[6]。根據(jù)該特性，能夠?qū)⒕€路3 判定為一條故障線路。

確定了故障后，再對接地點(diǎn)所在的分段進(jìn)行定位。線路3 的上區(qū)段2 產(chǎn)生了單相接地，零序電流的波形由它的上行檢測點(diǎn)a、b 以及下行檢測點(diǎn)c、d 所記錄，具體如圖3所示。通過圖3可清楚地看出，在線路3中，當(dāng)故障出現(xiàn)30 ms時(shí)，也就是在消弧線圈充分起效之前，檢測點(diǎn)a 與檢測點(diǎn)b 所測量到的零序電流的波形非常接近，檢測點(diǎn)c 與d 所測量到的零序電流的波形也非常接近，同時(shí)檢測點(diǎn)b 與c 所測量到的電流的波形也非常接近，并且檢測點(diǎn)b 與c 所測量到的電流的波形非常接近。因此，可以通過檢測點(diǎn)b 與c 所測量到的零序電流的波形非常接近的特點(diǎn)來確定故障區(qū)域，進(jìn)而對故障區(qū)段進(jìn)行定位。

圖3 故障線路監(jiān)測點(diǎn)零序電流

2.3 仿真數(shù)據(jù)處理

2.3.1 接地電阻不同的區(qū)段零序電流系數(shù)

零序電壓相角為30°的情況下，觸發(fā)單相接地故障如表2 所示，對各接地電阻值進(jìn)行設(shè)置，其中rab、rbc、rcd分別表示檢測點(diǎn)ab、bc 以及cd 間的零序電流系數(shù)，分別對應(yīng)區(qū)段1 ～區(qū)段3。

表2 接地電阻不同的區(qū)段零序電流系數(shù)

從模擬仿真結(jié)果中可以看出，在二次短路過程中，零序電流均為負(fù)，其絕對數(shù)值介于0.3 ～0.7。沒有發(fā)生故障區(qū)段1、區(qū)段3 的零序電流間存在正相關(guān)性，其絕對值達(dá)到0.98 以上。在不同情況下，不管是非故障或者故障線路，在發(fā)現(xiàn)接地電阻增加時(shí)，零序電流在每一區(qū)間內(nèi)的關(guān)聯(lián)度都有減小的趨勢。

2.3.2 各故障觸發(fā)角中區(qū)段零序電流系數(shù)

設(shè)定地阻抗為10 Ω，零序電壓的相角為10°、30°、45°、60°、75°以及90°的情況下，啟動(dòng)單相接地，并在不同的觸發(fā)角度下分析每一分段上的零序電流，結(jié)果如表3 所示。

表3 各故障觸發(fā)角中區(qū)段零序電流系數(shù)

從模擬結(jié)果中可以看出，在2 號(hào)斷路器上，零序電流存在著明顯的負(fù)相關(guān)性，其絕對值為0.5～0.7。未短路區(qū)段1 與區(qū)段3 的零序電流均為正，且其絕對值超過0.9。不管發(fā)生了什么情況，每一次零序電流之間的關(guān)聯(lián)度都會(huì)減小[7]。通過對各種接地電阻和各種故障觸發(fā)角的模擬計(jì)算可以看出，在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的情況下，其大小會(huì)隨接地電阻或故障觸發(fā)角而增大；在每一次短路時(shí)，其零序電流的絕對值都遞減[8]。在無短路情況下，零序電流具有較高相似性，其相關(guān)性為正，近似于1；短路情況下，零序電流的相似度較低，其相關(guān)性為負(fù)，近似于-0.5?；谠撎卣?，與實(shí)際的線路參數(shù)以及運(yùn)行狀況相結(jié)合，對區(qū)間兩端的零序電流進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)定，當(dāng)相關(guān)系數(shù)比ρH小時(shí)，屬于故障區(qū)段，若大于ρH，則為非故障區(qū)段。

3 結(jié) 論

總而言之，經(jīng)消弧線圈接地的中性點(diǎn)存在非常明顯的暫態(tài)特征，系統(tǒng)產(chǎn)生接地故障后，暫態(tài)電流會(huì)大于正常電流十幾倍。本文基于暫態(tài)零序電流波形的相似程度，視為小電流接地系統(tǒng)的單向故障區(qū)段的定位判據(jù)，仿真結(jié)果顯示，故障區(qū)域兩端零序電流系數(shù)是接近-0.5 的負(fù)數(shù)，非故障區(qū)零序電流系數(shù)是接近1的正數(shù)，由此在-0.5 ～1 的區(qū)間中選取適當(dāng)值當(dāng)作判據(jù)閾值，若系數(shù)比閾值小，則表示為故障區(qū)段，若比閾值區(qū)段大，則屬于非故障區(qū)段。此外，需要與運(yùn)行數(shù)據(jù)及配網(wǎng)參數(shù)相結(jié)合，對該閾值進(jìn)行設(shè)置，以保證單相接地故障定位的可行性。