隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力用戶和供電公司對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高。中性點(diǎn)非有效接地方式配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障(小電流接地故障)時(shí)，快速、準(zhǔn)確地確定故障線路和故障點(diǎn)是提高供電可靠性的重要措施之一。

由于小電流接地故障的故障電流小且不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)電氣量的故障檢測(cè)技術(shù)靈敏度低、可靠性差，達(dá)不到實(shí)用化要求。經(jīng)過(guò)近年的發(fā)展，小電流接地故障選線問(wèn)題已基本得到了解決，根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)可以分為兩類，一是故障發(fā)生后利用專用設(shè)備產(chǎn)生較大附加電流，或者利用特殊設(shè)備向系統(tǒng)注入特定信號(hào)選線，屬于主動(dòng)式選線方法;二是利用故障產(chǎn)生的暫態(tài)電壓電流信號(hào)選線，屬于被動(dòng)式選線方法。在故障線路選擇的基礎(chǔ)上，確定故障點(diǎn)距離或所處區(qū)段，可以進(jìn)一步縮小故障查找和修復(fù)時(shí)間。

目前，利用行波原理的輸電線路故障定位技術(shù)已比較成熟，而在配電網(wǎng)中，由于小電流接地故障固有的特征和配電網(wǎng)自身特點(diǎn)的原因，行波測(cè)距技術(shù)無(wú)法應(yīng)用于大部分配電線路。而實(shí)用化的配電網(wǎng)小電流接地故障定位技術(shù)與選線技術(shù)類似，也分為主動(dòng)式定位方法和被動(dòng)式定位方法兩個(gè)發(fā)展方向。在被動(dòng)式定位方法中利用沿線路安裝的檢測(cè)裝置(如配電終端、故障指示器等)實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，部分技術(shù)已在現(xiàn)場(chǎng)獲得應(yīng)用。

1小電流接地故障暫態(tài)特征

1.1暫態(tài)零序電流特征

配電網(wǎng)發(fā)生小電流接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生豐富的暫態(tài)信號(hào)。對(duì)于穩(wěn)定性接地故障，只在故障發(fā)生時(shí)刻產(chǎn)生暫態(tài)信號(hào)，其暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間一般在2～3ms。對(duì)于弧光接地或間歇性接地等非穩(wěn)定性接地故障，將頻繁出現(xiàn)暫態(tài)信號(hào)，而穩(wěn)態(tài)信號(hào)被破壞。如果故障點(diǎn)條件不變，各次暫態(tài)信號(hào)是相似的。典型的小電流接地故障零序電壓與零序電流波形如圖1所示。

圖1 小電流接地故障零序電壓與零序電流波形

故障發(fā)生在電壓峰值時(shí)刻時(shí)，暫態(tài)電流的最大值可近似表示為：

式中：IC為工頻下的系統(tǒng)對(duì)地電容電流;ω0為暫態(tài)頻率;ω為工頻頻率。

故障暫態(tài)電流的最大值與故障工頻穩(wěn)態(tài)電流峰值之比，近似等于二者頻率之比。暫態(tài)電流最大值將是工頻電流的數(shù)倍到數(shù)十倍，最大可達(dá)數(shù)百安培。

在相電壓過(guò)零時(shí)刻發(fā)生接地故障，初相角φ=0°時(shí)，故障暫態(tài)電流為：

式中：Um為相電壓峰值;C0為對(duì)地分布電容;δ為衰減因子。

與峰值時(shí)刻故障相比，此時(shí)故障暫態(tài)電流較小但也相當(dāng)于故障工頻電流幅值大小。

消弧線圈的感抗隨頻率線性增加，而系統(tǒng)對(duì)地容抗隨頻率線性減少，鑒于故障暫態(tài)頻率一般遠(yuǎn)大于工頻，消弧線圈對(duì)故障暫態(tài)電流的補(bǔ)償作用可以忽略。由于消弧線圈電感量相對(duì)較大、與系統(tǒng)對(duì)地電容為并聯(lián)關(guān)系，其引起的諧振頻率偏移量可以忽略。同樣道理，消弧線圈對(duì)于故障暫態(tài)電流在系統(tǒng)中的分布特征也幾乎不產(chǎn)生影響。因此，可認(rèn)為不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，小電流接地故障暫態(tài)電壓電流及其在系統(tǒng)中的分布特征是相同的。

1.2故障暫態(tài)電流在系統(tǒng)內(nèi)的分布規(guī)律

無(wú)論對(duì)于不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，其暫態(tài)零序電流在系統(tǒng)內(nèi)的分布均如圖2所示，其分布規(guī)律有：

1)變電站各出線中，健全線路出口檢測(cè)到的零序電流為本線路對(duì)地的分布電容電流，而故障線路出口檢測(cè)到的零序電流為其背后所有健全線路零序電流之和，因此故障線路暫態(tài)電流幅值大于所有健全線路，且與各健全線路暫態(tài)電流的極性相反。

2)對(duì)于一般多條出線的配電系統(tǒng)，故障點(diǎn)上游方向的線路總長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下游方向，因此故障點(diǎn)上游方向的暫態(tài)過(guò)程諧振頻率低，而下游方向頻率高，二者差異較大、相似性低。

3)對(duì)故障點(diǎn)上游或下游兩個(gè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)(不包含故障點(diǎn))，其暫態(tài)電流之差為其間線路的分布電容電流、變化不大，即二者的暫態(tài)電流幅值接近、相似程度高。

4)對(duì)于健全線路的各檢測(cè)點(diǎn)(含出口)和故障線路故障點(diǎn)下游各檢測(cè)點(diǎn)，暫態(tài)電流主要為其下游線路的分布電容電流。其暫態(tài)電流從母線流向線路，隨著到母線距離的增加幅值也不斷減小。

5)對(duì)于故障線路故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)，暫態(tài)電流為其上游線路和所有健全線路分布電容電流之和，其暫態(tài)電流從線路流向母線，隨著到母線距離的增加幅值不斷增加。

圖2 小電流接地故障暫態(tài)電流分布規(guī)律

2暫態(tài)定位系統(tǒng)構(gòu)成與原理

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)小電流接地故障暫態(tài)信號(hào)的特征以及零序電流在系統(tǒng)內(nèi)的分布規(guī)律，文獻(xiàn)[4，11，13]提出并不斷完善了基于暫態(tài)信號(hào)的小電流接地故障選線與定位的原理和方法，根據(jù)以上研究成果研制的暫態(tài)定位系統(tǒng)由配電終端、選線裝置、定位主站(功能軟件)，以及各終端與定位主站之間的通信系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

該定位系統(tǒng)可完全利用已有的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，包括具備接地故障暫態(tài)信號(hào)檢測(cè)能力的配電終端，利用暫態(tài)原理選線并能夠與配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信的選線裝置，借助原有的配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在原配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站增加定位工作站來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)構(gòu)成

2.2配電終端

配電終端工作于線路各檢測(cè)點(diǎn)，如開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)等，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。配電終端承擔(dān)著對(duì)線路檢測(cè)點(diǎn)小電流接地故障的檢測(cè)、故障信息采集、故障數(shù)據(jù)計(jì)算、上傳故障數(shù)據(jù)到定位主站等功能。由于大部分分段開關(guān)不具備三相電壓互感器，配電終端不易獲取三相電壓或零序電壓信號(hào)，因此配電終端通過(guò)檢測(cè)線路零序電流信號(hào)變化判斷故障啟動(dòng)和錄波，零序電流的獲取可通過(guò)零序電流互感器、零序電流過(guò)濾器或三相電流互感器合成，具有較高的適應(yīng)性。

各配電終端與站內(nèi)選線裝置的數(shù)據(jù)采集對(duì)時(shí)間同步要求比較高。系統(tǒng)中一般通過(guò)主站實(shí)現(xiàn)對(duì)各終端的時(shí)間同步，對(duì)時(shí)誤差較大。針對(duì)配電線路較短、故障信號(hào)在線路上的傳輸延時(shí)小的特點(diǎn)，利用故障信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻作為電流相量測(cè)量的起始點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的自同步。

2.3選線裝置

選線裝置工作于變電站或開閉所，實(shí)時(shí)采集母線處的三相電壓和零序電壓及各出線的零序電流，發(fā)生小電流接地故障時(shí)，利用零序電壓變化啟動(dòng)選線和故障錄波，綜合利用暫態(tài)電流幅值比較法、暫態(tài)電流極性比較法、暫態(tài)零序電流方向法以及暫態(tài)無(wú)功功率方向法進(jìn)行選線，克服了單一原理的缺點(diǎn)，保證了選線結(jié)果的可靠性。選線裝置除完成故障選線等原有功能，還承擔(dān)類似于短路故障中出線斷路器保護(hù)裝置的作用，提高主站對(duì)故障分析的可靠性并消除定位盲區(qū)。

選線裝置通過(guò)對(duì)瞬時(shí)性小電流接地故障的統(tǒng)計(jì)與分析，計(jì)算線路的絕緣劣化程度。對(duì)選線結(jié)果可靠性、線路類型、線路絕緣情況、故障嚴(yán)重程度、負(fù)荷重要程度等因素綜合分析，在選線結(jié)果可靠性高，本次故障較嚴(yán)重且線路絕緣已遭到較嚴(yán)重破壞的情況下可直接對(duì)出線跳閘。

2.4定位主站

定位主站接收選線裝置和各個(gè)配電終端的故障信息，區(qū)分?jǐn)_動(dòng)和故障，根據(jù)各檢測(cè)點(diǎn)故障波形相似性和極性關(guān)系完成故障定位，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障隔離和恢復(fù)供電。對(duì)上述故障數(shù)據(jù)及計(jì)算信息進(jìn)行永久保留，并進(jìn)一步提供故障查詢和統(tǒng)計(jì)、事故重演、預(yù)演等故障管理功能。

各故障檢測(cè)點(diǎn)波形的相似性可以通過(guò)求取相鄰檢測(cè)點(diǎn)之間暫態(tài)零序電流的相關(guān)系數(shù)判定。相鄰檢測(cè)點(diǎn)之間暫態(tài)零序電流的相關(guān)系數(shù)ρ的計(jì)算公式如下：

式中：i01和i02分別為相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流;n為采樣序列，采樣起始點(diǎn)n =1 為故障發(fā)生時(shí)刻;N 為零序電流信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

根據(jù)零序電流的分布特征，實(shí)現(xiàn)小電流接地故障區(qū)段定位的流程設(shè)計(jì)如下：

1)接地時(shí)，選線裝置根據(jù)零序電壓變化啟動(dòng)，選擇故障線路，并將選線結(jié)果和故障線路出口零序電流波形數(shù)據(jù)上報(bào)主站。

2)各配電終端根據(jù)所在檢測(cè)點(diǎn)零序電流的突變情況啟動(dòng)，并將故障零序電流上報(bào)主站。

3)主站接收終端數(shù)據(jù)，對(duì)故障線路各終端零序電流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，分別提取其暫態(tài)分量和工頻分量，對(duì)健全線路終端數(shù)據(jù)則不予處理。

4)從故障線路出口開始，依次計(jì)算各相鄰檢測(cè)點(diǎn)間的暫態(tài)零序電流相關(guān)系數(shù)和工頻零序電流相關(guān)系數(shù)，合成修正后的暫態(tài)零序電流相關(guān)系數(shù)。

5)從故障線路出口開始，依次判斷各區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)零序電流相關(guān)系數(shù)，若某區(qū)段兩側(cè)修正后的暫態(tài)零序電流相關(guān)系數(shù)小于設(shè)定門檻值ρT(包括負(fù)值)，則該區(qū)段為故障區(qū)段。

6)若所有區(qū)段兩側(cè)的暫態(tài)電流相關(guān)系數(shù)均大于門檻ρT，則最末檢測(cè)點(diǎn)下游區(qū)段為故障區(qū)段。

2.5通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)包括定位主站與各配電終端以及站內(nèi)選線裝置的通信，定位主站與配電終端的通信直接借用配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，站內(nèi)選線裝置可以直接與配電自動(dòng)化系統(tǒng)通信，或通過(guò)EMS系統(tǒng)與配電自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。

通信方式可以分為有線和無(wú)線兩大類。有線通信可以采用光纖通信，技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好。無(wú)線通信可以采用GPRS/CDMA技術(shù)或3G技術(shù)，投資少，設(shè)備安裝方便。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1廈門小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)

廈門供電公司小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)站內(nèi)選線裝置采用XJ-200小電流接地故障選線與監(jiān)測(cè)裝置，安裝于TY變電站。監(jiān)測(cè)站內(nèi)10kV-I段母線和10kV-IV段母線的16條出線。配電終端采用4臺(tái)FTU，分別安裝于TY變電站911汀溪線61號(hào)開關(guān)、99號(hào)開關(guān)，947四林線51號(hào)開關(guān)、91號(hào)開關(guān)，定位主站安裝于廈門供電公司調(diào)度中心。

XJ-200小電流接地故障選線與監(jiān)測(cè)裝置以及安裝于線路的4臺(tái)FTU通過(guò)GPRS與定位主站通信，通信規(guī)約為IEC 60870-5-101。在調(diào)度中心配置GPRS主站，采用VPN虛擬專網(wǎng)接收選線裝置和FTU的故障數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)自2012年6月底投入運(yùn)行，成功檢測(cè)到多次接地故障并準(zhǔn)確給出選線和區(qū)段定位結(jié)果，表1給出了系統(tǒng)自2012年7月26日至10月3日記錄的實(shí)際故障20次。除了實(shí)際故障外，各FTU還記錄了2000多次擾動(dòng)數(shù)據(jù)。即FTU僅利用電流變化量啟動(dòng)易受干擾誤動(dòng)，而通過(guò)選線裝置信息則可以予以區(qū)分。

對(duì)應(yīng)于表1中第5次和第8次故障，選線裝置和各FTU記錄的故障電流波形分別如圖5(各電流出現(xiàn)不同程度的飽和現(xiàn)象)和圖6所示。

圖5 區(qū)段3故障時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流波形

圖6 區(qū)段2故障時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流波形

3.2泉州小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)

泉州供電公司的小電流接地故障暫態(tài)定位工程中，在WA變電站和SH變電站兩個(gè)變電站內(nèi)安裝了小電流接地選線裝置，完成單相接地故障選線功能，相關(guān)饋線安裝多套PZK智能終端，通過(guò)三相TA合成獲取零序電流，基于分布式智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)單相接地故障的區(qū)段定位功能。

WA變電站下的安泰線、安達(dá)線、萬(wàn)安西線線路結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 WA變電站安泰線、安達(dá)線及萬(wàn)安西線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2015年4月初，在泉州供電公司W(wǎng)A變電站所屬安泰線2號(hào)環(huán)網(wǎng)柜922開關(guān)下游線路(見圖7)進(jìn)行了人工單相接地試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)不同條件下的試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)均能正確選線并確定故障區(qū)段。其中一次金屬性接地實(shí)驗(yàn)時(shí)，1號(hào)環(huán)網(wǎng)柜914開關(guān)終端漏報(bào)故障信息，由于主站軟件增加了容錯(cuò)算法，該次實(shí)驗(yàn)仍能正確定位，體現(xiàn)了系統(tǒng)定位的魯棒性。圖8為一次經(jīng)50Ω電阻接地試驗(yàn)定位主站顯示的各終端暫態(tài)零序電流波形，圖9為該次試驗(yàn)XJ-200選線裝置監(jiān)測(cè)的WA變電站及各出線零序電流波形。

圖8 各終端暫態(tài)零序電流波形

圖9 WA變電站選線裝置故障波形

4結(jié)語(yǔ)

利用故障暫態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)小電流接地故障選線和區(qū)段定位，與同類研究相比，具有檢測(cè)靈敏度高，不受消弧線圈補(bǔ)償影響，不需要改變一次設(shè)備或安裝信號(hào)注入設(shè)備，可借用已有配電自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。利用故障點(diǎn)上游和下游暫態(tài)零序電流的相似性和極性關(guān)系實(shí)現(xiàn)定位，可適應(yīng)饋線終端不易獲取三相電壓或零序電壓信號(hào)的條件，簡(jiǎn)化了分段開關(guān)的設(shè)計(jì)和施工，具有較高的適應(yīng)性。

基于該原理設(shè)計(jì)的小電流接地故障選線及區(qū)段定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能完善。為配電自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠、行之有效的小電流接地故障定位解決方案。對(duì)于減少停電、提高供電可靠性有顯著的作用，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和試驗(yàn)充分證明了系統(tǒng)算法的有效性和系統(tǒng)裝置的可靠性。