中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地配網(wǎng)系統(tǒng)的故障定位

于盛楠,馮蓓艷,張嘉旻,謝海寧

(1.上海市電力公司浦東供電公司,上海 201205;2.華東電力試驗(yàn)研究院有限公司,上海 200437)

1 配電網(wǎng)故障定位法

配電網(wǎng)故障定位一直是電力系統(tǒng)中亟待解決的難題。這是由配電網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)決定的。配電網(wǎng)絡(luò)與輸電網(wǎng)絡(luò)相比,有以下三大特點(diǎn):

1)供電半徑小 較短的線路使得在輸電網(wǎng)故障定位中應(yīng)用廣泛的經(jīng)典阻抗法在配電網(wǎng)絡(luò)中誤差明顯加大。

2)末端隨機(jī)負(fù)荷多 這一特點(diǎn)使得配電網(wǎng)線路的負(fù)載電流變化較大,同時(shí),線路也無法輕易地使用集中參數(shù)進(jìn)行等效。

3)線路分支多 從結(jié)構(gòu)上來說,分支多給精確定位某個(gè)分支帶來困難,同時(shí),分支多帶來信息多,真?zhèn)涡畔⒒祀s在一起,難于理清。

目前,常用的配電網(wǎng)故障定位方法,主要有基于配電網(wǎng)自動(dòng)化的方法、行波方法和使用故障指示器等方法。

1.1 基于配電網(wǎng)自動(dòng)化的方法

隨著配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的日益成熟,大量基于SCADA系統(tǒng)的故障區(qū)域判定方法相繼出現(xiàn)。他們大多基于配電網(wǎng)的饋線繼電保護(hù),依照斷路器關(guān)系對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浞纸?從而構(gòu)成線路網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系矩陣,以此構(gòu)成判別算法[1-4]。

基于配電網(wǎng)自動(dòng)化的方法可以將故障區(qū)域定位至兩個(gè)斷路器之間,在一定程度上縮短了巡線范圍和巡線時(shí)間,但是無法做到對線路的故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

1.2 行波法

行波法利用故障距離與行波從故障點(diǎn)傳輸?shù)綑z測點(diǎn)的時(shí)間成正比的原理進(jìn)行故障定位,應(yīng)用較多的有雙端法、單端法和注入法等[5-7],分為A—E五種。

行波法中的A,B,E三型,都要根據(jù)檢測到的故障自身產(chǎn)生的行波進(jìn)行故障定位,需要在變電站的各條母線出線處加設(shè)檢測裝置,如用于配電網(wǎng)絡(luò),投資較大;D型方法即雙端測距法,需要在線路兩端進(jìn)行檢測,對多分支的配電網(wǎng)絡(luò)難以適用;C型方法,即單端行波法,是在線路始端注入檢測信號(hào),通過注入信號(hào)與故障點(diǎn)返回信號(hào)的時(shí)差來確定故障位置,這種方法從理論上講是可行的,但由于配電網(wǎng)絡(luò)分支對信號(hào)的衰減和外界噪聲干擾的影響,使得數(shù)據(jù)處理存在很大困難,所以一直沒有得到實(shí)際應(yīng)用。

1.3 使用故障指示器

目前,很多地區(qū)的架空線、電纜故障判斷,大多采用故障指示器進(jìn)行判斷。這種裝置是安裝在10 kV或35 kV配電線路或電纜上,通過測量線路上流過的電流和感應(yīng)電壓,并通過一定的邏輯來指示故障。目前,國內(nèi)對故障指示器缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致市面上的故障指示器存在質(zhì)量參差、判斷原理單一等問題,降低了故障指示的準(zhǔn)確率。若能通過原理開發(fā)和邏輯設(shè)計(jì),使故障指示器達(dá)到較高的判斷正確率,就可通過故障指示器的檢測,達(dá)到對配電網(wǎng)故障的精確定位。

2 配電網(wǎng)故障指示器的動(dòng)作分析

上海市某地區(qū)配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)。從該地區(qū)2003年至2009年的配電網(wǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,由于電纜故障大多為直接接地故障,故障電流較大,因而電纜型故障指示器具有較高的動(dòng)作正確率,超過90%。而在一般的架空線路中35 kV線路故障指示器總動(dòng)作準(zhǔn)確率約為51%。10 kV線路故障指示器的總動(dòng)作準(zhǔn)確率為73.71%,尤其是單相接地故障(特別是帶過渡電阻接地故障)正確動(dòng)作率不高,僅為58%。

為了找出故障指示器動(dòng)作正確率低的原因,先對該地區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障特點(diǎn)進(jìn)行了研究。由于電纜故障指示器動(dòng)作正確率較高,因而從架空線網(wǎng)絡(luò)著手進(jìn)行分析。

3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地配網(wǎng)系統(tǒng)故障特點(diǎn)

3.1 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻配電系統(tǒng)故障特點(diǎn)

通過對所述地區(qū)近年來的配電網(wǎng)故障搶修統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,該地區(qū)10 kV架空線路發(fā)生故障有以下特點(diǎn):

1)單相故障多 從2008年至今,該地區(qū)的10 kV架空線路單相調(diào)換熔絲的工作量占總搶修工作量的62.4%,搶修時(shí)間為1.21～5.06 h。

2)斷線和避雷器故障大多發(fā)生在夏季 例如,2010年6～8月,該地區(qū)10 kV線路共發(fā)生斷線故障34次,遠(yuǎn)大于2010年1～5月份共11次的斷線故障記錄。

3)部分區(qū)域負(fù)荷具有較為明顯的季節(jié)性和時(shí)間性區(qū)別,負(fù)荷增長較快 每年6～8月份,用戶電壓低和調(diào)換桿變工作量明顯增多,因此線路負(fù)荷電流變化較大。

4)三相故障大多為外力破壞造成。

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)相間故障特點(diǎn)

根據(jù)對所述地區(qū)典型故障錄波的分析及系統(tǒng)模擬計(jì)算,中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的10 kV供電系統(tǒng)兩相故障短路電流在3～6.5 kA內(nèi)變化,考慮到過渡電阻等多種因素,兩相故障電流超過1 kA,故障電流較大。大電流會(huì)引起繼電保護(hù)裝置快速動(dòng)作,開關(guān)跳閘,從而造成故障線路三相電壓迅速跌落。

相間發(fā)生短路故障,由于故障電流較大,對故障指示器而言,最容易進(jìn)行判斷,故障指示器動(dòng)作正確率也相對較高。

3.3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障特點(diǎn)

單相接地故障根據(jù)線路所流經(jīng)過渡電阻的不同,分為金屬性故障和非金屬性故障。

3.3.1 金屬性故障

系統(tǒng)發(fā)生金屬性故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的故障電流,為正常負(fù)荷電流的好幾倍。根據(jù)對所述地區(qū)典型故障錄波分析,以及系統(tǒng)模擬計(jì)算,中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的10 kV供電系統(tǒng)單相金屬性接地故障電流在800～1200 A內(nèi)變化,并且接地故障時(shí)故障相電壓下降一般在50%以上。此時(shí),故障指示器根據(jù)線路所流經(jīng)的電流大小就能正確判別出故障與否。

3.3.2 非金屬性故障(高阻接地)

研究所在地區(qū)的10 kV架空線大多是絕緣導(dǎo)線,當(dāng)線路斷線掉落地面時(shí)可能會(huì)形成高阻接地,此時(shí)由于接地電阻很大,故障電流的變化量可能不足以引起故障指示器動(dòng)作。單個(gè)故障指示器如僅依據(jù)電流信息很難判別出故障。針對這種情況,可綜合分析各分支線路上故障指示器信息,根據(jù)多個(gè)故障指示器采集到的電流信息而不是單個(gè)的電流信息來判斷故障與否。

如圖1所示,當(dāng)線路中F點(diǎn)處發(fā)生高阻接地時(shí),故障指示器S1處電流增大,而S2、S3處電流減小,即使S1處電流增幅過小,小于故障指示器的報(bào)警動(dòng)作值,但是,仍然可以根據(jù)S1處電流增大,而S2、S3處電流減小這一特點(diǎn),判斷出故障指示器S1所在線路發(fā)生故障,或結(jié)合線路零序電流情況進(jìn)行判斷。

3.4 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)斷線故障特點(diǎn)

3.4.1 電源側(cè)斷線后接地

如圖1所示,若F點(diǎn)處發(fā)生故障,則巡線人員發(fā)現(xiàn)故障指示器S1動(dòng)作,而故障指示器S2和S3不動(dòng)作,判斷出故障位置在故障指示器S1之后,故障指示器S2和S3之前。這時(shí)伴隨接地故障的是較大的接地電流,類似于單相接地故障,但應(yīng)保證斷點(diǎn)后側(cè)的故障指示器正確不動(dòng)作。

圖1 電源側(cè)斷線后接地故障

3.4.2 負(fù)荷側(cè)斷線后接地

如圖2所示,此時(shí)電源側(cè)沒有發(fā)生接地故障,因此沒有故障電流,而負(fù)荷側(cè)也沒有故障電流。此時(shí)如果線路上健全相有一定的負(fù)荷電流,則零序電流保護(hù)會(huì)動(dòng)作,開關(guān)跳開。此時(shí),電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)均有電壓跌落。

圖2 負(fù)荷側(cè)斷線后接地故障

3.4.3 桿塔的跨接線斷開兩側(cè)不接地

如圖3所示,桿塔的跨接導(dǎo)線斷開,兩側(cè)均不接地,這種情況下故障導(dǎo)線上沒有電流,如果線路上健全相有一定的負(fù)荷電流,則零序電流保護(hù)會(huì)動(dòng)作,開關(guān)跳開。電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)電流均為0,電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)均有電壓跌落。

圖3 桿塔跨接線斷開后不接地故障

3.4.4 小結(jié)

對于后兩種情況,由于沒有故障電流,很難通過電氣量進(jìn)行判斷。這是因?yàn)榫€路無電流很可能是用戶側(cè)負(fù)荷切除或者繼電保護(hù)裝置動(dòng)作所致。通過對市面上各種故障指示器的性能及功能調(diào)研,大多數(shù)廠家對中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)斷線故障指示,目前還沒有可提供解決的技術(shù)方案。

4 故障指示器常用判斷邏輯

4.1 電流定值法

電流定值法是目前故障指示器中最常用的一種故障判斷邏輯。與繼電保護(hù)中的過流保護(hù)類似,在故障指示器中設(shè)定,當(dāng)線路電流超過設(shè)定電流時(shí)故障指示器動(dòng)作。電流定值法原理簡單,因而故障指示器中一般配置為可選定值,供使用者根據(jù)線路情況設(shè)置不同的電流定值。

電流定值法可以用于判別配電線路的接地和短路故障,但是,由于配電線路差異較大,同一條分支前后負(fù)荷電流也大為不同,而且常常發(fā)生負(fù)荷割接等變動(dòng),因此,若選用單純電流定值原理的故障指示器,為保證故障指示器的動(dòng)作正確率,需要對其進(jìn)行大量的整定工作。

4.2 電流突變量法

電流突變量法是通過檢測一定時(shí)間內(nèi)線路電流突變量是否達(dá)到一定值來判斷故障點(diǎn)。由于配電線路負(fù)荷波動(dòng)較大,電流突變量法常常需要配合時(shí)間判據(jù),避免因負(fù)荷躍變造成故障指示器誤動(dòng)作。電流突變量法通常與電流定值法結(jié)合起來,運(yùn)用于故障指示器的邏輯設(shè)計(jì)中,用于判別配電線路的接地和短路故障,但是突變量的整定依然需要較多的前期工作。

4.3 階梯形電流整定法

為了避免負(fù)荷電流不同帶來的復(fù)雜整定工作,階梯形電流整定將自適應(yīng)的整定值設(shè)計(jì)在故障指示器的邏輯當(dāng)中,根據(jù)實(shí)時(shí)檢測到的負(fù)荷電流,按一定倍率設(shè)置整定值。如圖4所示,是一種2倍率的階梯形整定示意圖。

圖4 階梯型整定示意圖

當(dāng)檢測到的負(fù)荷電流為0～50 A時(shí),故障指示器動(dòng)作定值自動(dòng)整定為100 A;當(dāng)檢測到的負(fù)荷電流為50～100 A時(shí),故障指示器動(dòng)作定值自動(dòng)整定為200 A;以此類推。采用方法提高了故障指示器對低負(fù)荷電流的線路故障的判別靈敏度和可靠度,但是對于高負(fù)荷電流的線路故障可能會(huì)降低靈敏度。

4.4 電壓突降法

由于配電線路發(fā)生故障后,繼電保護(hù)裝置會(huì)使開關(guān)動(dòng)作造成線路失電,因此,電壓突降也成為部分故障指示器的判據(jù)之一。由于開關(guān)跳開后,整條線路電壓均失壓,所以電壓突降之能作為故障判定的輔助判據(jù)。

5 故障指示器邏輯設(shè)計(jì)

通過上述分析,根據(jù)目前配電線路的實(shí)際情況,綜合出較為理想的故障指示器的判斷邏輯,其邏輯原理如圖5所示。

圖5 故障指示器邏輯設(shè)計(jì)

式中:I0為零序電流;Is為設(shè)置的動(dòng)作電流值,當(dāng)負(fù)荷電流較小時(shí),可按階梯型進(jìn)行設(shè)定;當(dāng)負(fù)荷電流較大時(shí)(超過400 A),可按線路情況設(shè)置整定;d i/d t為電流突變量;Uφ為相電壓,設(shè)置為低電壓觸發(fā);t為時(shí)間。

如圖5所示,該邏輯表示:當(dāng)零序電流存在或相電流超過設(shè)定值或電流突變量超過設(shè)定值時(shí),若相電壓跌落一定時(shí)間,則故障指示器進(jìn)行指示。該邏輯通過對零序電流、電流最大值、電流突變量和低電壓的綜合判斷,各整定值在《中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)配網(wǎng)的架空線路故障指示器整定研究》一文中進(jìn)行了分析討論。該邏輯理論上能夠?qū)崿F(xiàn)短路、接地故障的判斷,而且由于引入零流,對單相斷線故障也可做出判斷。

為了實(shí)現(xiàn)此邏輯,必須有效檢測零序電流,通過調(diào)研,目前的線路故障指示器大多為單相指示,若要檢測零序電流,可通過三相之間通信實(shí)現(xiàn),亦可通過建立故障判斷后臺(tái),對各個(gè)故障指示器在各個(gè)時(shí)刻檢測的電氣量進(jìn)行邏輯判斷。

6 結(jié)語

要做到對配電網(wǎng)精確進(jìn)行線路故障定位,一直是個(gè)難題。通過分析現(xiàn)有的故障定位方法,提出改進(jìn)現(xiàn)有故障指示器的故障判斷邏輯來實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的故障定位。

新的邏輯判斷,理論上能夠?qū)崿F(xiàn)短路、接地故障的判斷,而且由于引入零流,對單相斷線故障也可做出判斷。對零流檢測,建議通過三相通信或者后臺(tái)判斷方式加以實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)方式將在日后的研究中繼續(xù)驗(yàn)證。

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