一種用于消弧線圈接地系統(tǒng)中的故障定位方法

鹽城供電公司設(shè)計院 沙建華

鹽城供電公司 郭興農(nóng)

1.引言

隨著配電網(wǎng)的復(fù)雜化，系統(tǒng)電容電流逐漸增加，對于消弧線圈系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈提供的電感電流和原系統(tǒng)中的電容電流相抵消，這樣就可以減少流經(jīng)故障點的電流，使電弧易于熄滅。然而，由于單相接地故障電流小，經(jīng)過消弧線圈補償后，故障線路電流再次降低，這給消弧線圈接地故障選線、定位帶來了很大的困難。

本文在分析總結(jié)現(xiàn)有故障選線方法以及故障定位技術(shù)存在問題的基礎(chǔ)上，提出了一種同時投切并聯(lián)中電阻和諧波信號的故障定位方法。通過驗證證實了此種方法具有很高的準(zhǔn)確率，與故障指示器的結(jié)合，大大減少了接地故障的查找和排除時間，提高了配電網(wǎng)運行的可靠性。

2.故障選線、定位技術(shù)

2.1 故障選線技術(shù)

目前接地故障選線技術(shù)應(yīng)用較多的主要有：零序電流比幅、比相法；五次諧波分量法[7，8]。零序電流比幅、比相法原理是基于單相接地故障時流過故障線路的零序電流幅值比非故障線路零序電流的幅值大且電流方向相反進行選線，但這種方法只適用于中性點不接地系統(tǒng)，且不能排除CT不平衡及過渡電阻大小的影響。

五次諧波分量法是利用五次諧波的群體比幅比相法解決故障選線的問題。由于消弧線圈的補償只是針對基波而言的，對于五次諧波而言5ωL＞＞1/5ωC，此時可忽略對其補償效果，再利用零序電流比幅、比相法的原理，故障線路的五次諧波電流比非故障線路的幅值大且方向相反，即可解決系統(tǒng)的選線問題。但系統(tǒng)中五次諧波含量較少，檢測靈敏度低，負(fù)荷中的五次諧波源、CT不平衡電流和過渡電阻大小，均會影響選線精度。

2.2 故障定位技術(shù)

目前應(yīng)用較多的故障定位技術(shù)主要有：故障測距法；信號注入法；故障點探測法等[9]。

故障測距法包括阻抗法和行波法。阻抗法是假定線路為均勻線，利用在不同故障類型條件下計算出的故障回路阻抗或電抗與測量點到故障點的距離成正比，計算測量點到故障點的距離，進行故障定位。行波法根據(jù)線路發(fā)生故障時，會產(chǎn)生向線路兩端傳播的行波信號的理論，利用在線路測量端捕捉到的暫態(tài)行波信號可以實現(xiàn)故障定位。這兩種方法只適合于網(wǎng)絡(luò)分支較少線路，而配電網(wǎng)出線分支較多，用行波法進行故障定位比較困難[10]。

信號注入法需要借助外部信號設(shè)備，提供故障檢測信號，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，安裝在變電站的信號源主動向母線注入一個特殊的信號，這個特殊的信號在接地點和信號源構(gòu)成的回路上流過，即只在故障線路上流過，檢測裝置通過檢測、跟蹤這個特殊信號，進而確定故障點。

故障點探測法就是在配電線路的主要節(jié)點安裝故障探測器，將探測信息加以匯總分析，得到故障區(qū)段。目前常用的戶外故障探測器有線路故障指示器。它是利用線路自身的故障信號進行故障判定，一般用在人工沿線查找，工作效率低。

3.并聯(lián)中電阻選線技術(shù)

并聯(lián)中電阻選線方法是信號注入法的一種，它借助投切并聯(lián)中電阻裝置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，通過投切并聯(lián)中電阻，向系統(tǒng)注入工頻信號，該信號僅在故障線路中流通，因此可對該信號進行檢測從而選出故障線路。

并聯(lián)中電阻系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

圖1中：Ea、Eb、Ec分別為A、B、C三相的電壓；Ca、Cb、Cc分別為A、B、C三相的對地電容；R1為并聯(lián)中電阻；R2為單相接地故障時的接地電阻；L為消弧線圈；K為真空開關(guān)。

系統(tǒng)正常運行時，真空開關(guān)K斷開，并聯(lián)中電阻不投入運行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，經(jīng)過一段時間延時，真空開關(guān)K閉合，投入中電阻，監(jiān)測各線路零序電流數(shù)值。由于投入中電阻所產(chǎn)生的有功電流只在故障線路中流通，且有功分量不會被消弧線圈的感性電流所補償，因此在并聯(lián)電阻投入的時間內(nèi)，僅故障線路零序電流增加，非故障線路電流變化很小。中電阻投入0.5s后，開關(guān)K斷開，切除中電阻，再次監(jiān)測各線路零序電流數(shù)值。在并聯(lián)電阻投入的時間內(nèi)（幾個周期即可），故障線路的零序電流信號與非故障線路相比差異顯著，且有功分量不會被消弧線圈的感性電流所補償，因此可以選出故障線路。

并聯(lián)中電阻的選線過程為：系統(tǒng)單相接地→經(jīng)過設(shè)定的延時時間投入并聯(lián)中電阻→采樣線路零序電流→切除并聯(lián)電阻→采樣線路零序電流→選線裝置準(zhǔn)確判斷接地線路。

為驗證并聯(lián)中電阻選線效果，假設(shè)系統(tǒng)中有5條出線，模擬1號出線發(fā)生接地故障，并在短時間內(nèi)投入并聯(lián)中電阻。通過仿真分析得到投切并聯(lián)中電阻選線的各線路零序電流波形如圖2所示。

由圖2可見，并聯(lián)中值電阻投切前后，故障線路1號出線零序電流幅值發(fā)生跳變，而非故障相線路的零序電流在并聯(lián)電阻投切前后變化不明顯，因此可以根據(jù)這一變化判定故障線路。并聯(lián)中電阻選線方式就是根據(jù)這一原理發(fā)展而來的，為解決消弧線圈系統(tǒng)的故障選線難題提供了一個良好的解決辦法。

4.故障定位方法的分析研究

故障選線僅僅對變電站的出線進行故障選線，而配電網(wǎng)線路分支較多，當(dāng)線路發(fā)生接地故障時，檢修人員需要從變電站出線開始，沿著故障線路，找到下一級分支點，然后通過人工試?yán)姆绞酱_定具體的故障線路區(qū)段。該查找方法人力投入較大，故障排查時間較長，給系統(tǒng)的安全帶來隱患[11]。

圖1 并聯(lián)中電阻系統(tǒng)接線圖

圖2 系統(tǒng)單相接地后各線路零序電流波形

圖3 單相接地系統(tǒng)仿真模型

圖4 接地電阻為10Ω時的仿真曲線

圖5 接地電阻為1000Ω時的仿真曲線

如果能夠?qū)ψ冸娬竞烷_閉所同時進行故障選線，并借助一些選線方法，形成配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，將縮小故障區(qū)域，減小故障排除時間，提高系統(tǒng)運行的可靠性。經(jīng)調(diào)研，目前市場上已研制出一些故障定位產(chǎn)品，例如故障指示器。它是一種指示故障電流流通的裝置。線路發(fā)生故障后，巡線人員可借助指示器的報警顯示，迅速確定故障區(qū)段，進而找出故障點。

目前，市場上的故障指示器多利用零序電流比幅、比相法等線路自身故障信號進行判定，對復(fù)雜的接地故障來講，故障類型多樣，故障信號特征不明顯，特別在消弧線圈接地系統(tǒng)中，該類故障更不易判定。針對這一現(xiàn)象，本文開發(fā)了一種同時投切并聯(lián)中電阻和諧波信號源的故障定位方法，人為的向故障線路注入判定信號，故障指示器通過檢測這一系列信號可以做出準(zhǔn)確的故障判定。

仿真分析驗證：

由圖2所示，并聯(lián)中電阻選線效果良好，為保證其選線效果，本文在中電阻旁并聯(lián)一個諧波信號發(fā)生源，系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，通過中性點的開關(guān)投切，不僅向故障點注入基波電流，而且同時注入二次諧波電流，此時故障指示器故障判定不僅可參考并聯(lián)中電阻的投切信號，而且還可參考二次諧波增量的投切信號，這樣不僅使注入信號的特征更加明顯也避免了系統(tǒng)擾動的影響，可大大提高故障判定的準(zhǔn)確性。

下面搭建一個模擬電網(wǎng)，在不同的接地方式下，同時對并聯(lián)中電阻和二次諧波信號源進行投切，通過仿真驗證該方法的可行性。

設(shè)系統(tǒng)電壓10kV，并聯(lián)中電阻為135Ω，消弧線圈為預(yù)調(diào)式，過補償10%，系統(tǒng)對地電容為30uF。系統(tǒng)接地后，同時對并聯(lián)中電阻與二次諧波信號源進行短時投切單相接地仿真框圖如圖3所示。

4.1 金屬性接地情況模擬

取故障點的接地電阻為10Ω進行仿真，此時注入的總電流信號波形如圖4(a)所示，通過仿真得到的波形分別如如圖4(b)和4(c)所示。

由圖4可見：

1）在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，由于消弧線圈的補償作用，故障線路的電流有效值立即減小至5A左右，驗證了消弧線圈的有效性。

2）系統(tǒng)單相接地后經(jīng)過約1s的延時同時投入并聯(lián)中電阻和二次諧波信號，故障線路總電流有效值增加約92A，信號增量明顯。

3）信號投入0.5s后，切斷中電阻與二次諧波信號，各路信號恢復(fù)正常。

4）由圖(c)所示，通過信號的投切，故障線路電流基波和二次諧波信號增量明顯，二次諧波電流源的投切，在中電阻選線的基礎(chǔ)上，為后續(xù)故障指示器的判定提供了更可靠的保證。

5）在系統(tǒng)金屬接地情況下，通過中電阻和二次諧波電流信號的同時投切，明顯增強了注入信號的變化特征，并且通過對兩種信號增量的同時判斷，可排除系統(tǒng)擾動的影響，準(zhǔn)確地判斷故障線路。

4.2 高阻接地情況模擬

利用圖3仿真模型，取故障點的接地電阻為1000Ω進行仿真，得到的仿真曲線如圖5所示。

通過對比分析圖4、圖5可得：

1）系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，隨著接地電阻的增加，故障線路總電流增量減弱，但增量大于5A，可容易地分辨出故障線路。

2）隨著接地電阻的增加，故障線路基波電流信號增量減弱，但增量依然明顯，說明在高阻接地的情況下利用投切中電阻依然可辨別故障線路。

3）由于二次諧波電流信號的同時投切，故障線路的二次諧波電流增量顯著，利用其與中電阻投切相結(jié)合為定位提供了可靠的保障。

4）在高阻接地的情況下，通過中電阻與二次諧波信號的同時投切，故障線路電流增量明顯，對兩種信號增量的同時判斷，可排除系統(tǒng)擾動的影響，驗證了本文方法的有效性。

綜上可得，本文提出的故障定位方法無論在消弧線圈系統(tǒng)金屬性接地或高阻接地情況下，均能準(zhǔn)確、有效地判定故障區(qū)段。

結(jié)合同時投切中電阻與諧波信號的選線方法將故障指示器安裝于架空線路的主干線和各分支線上，共同構(gòu)成消弧線圈接地系統(tǒng)故障定位系統(tǒng)。當(dāng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時，通過同時投切中電阻和諧波信號源向故障點注入信號，使故障線路的零序電流基波和諧波含量增加顯著。該注入信號不但為變電站故障選線提供了選線信息也為配電網(wǎng)開閉所出線提供了選線信息。對于安裝了故障指示器的線路來說，由于雙信號同時注入，此時故障線路產(chǎn)生的特征信號觸發(fā)故障線路上從變電站出口到故障點的所有故障指示器動作，而故障點后的故障指示器不動作，因此可以實現(xiàn)故障線路的自動定位，免除了人工查線的煩惱，提高了工作效率，具有很高的應(yīng)用價值。

5.結(jié)語

本文根據(jù)消弧線圈接地系統(tǒng)故障定位不準(zhǔn)確的問題，在分析現(xiàn)有故障選線方法以及故障定位技術(shù)存在困難的基礎(chǔ)上，提出了一種基于并聯(lián)中電阻選線和諧波注入的故障定位方法。通過理論分析和仿真驗證，證實了此種故障定位方法無論在系統(tǒng)金屬性接地或高阻接地的情況下均可準(zhǔn)確定位故障，與故障指示器的結(jié)合，克服了傳統(tǒng)選線、定位技術(shù)不能應(yīng)用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的缺點，雙信號同時注入增強了故障線路特征的同時也避免了系統(tǒng)擾動造成的故障指示器誤動作，為故障定位技術(shù)提供了有價值的參考。

[1]陳維江,蔡國雄,蔡雅萍,譚躍亭等.10kV配電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式[J].電網(wǎng)技術(shù),2004(24):56-60.

[2]龍維民.基于故障指示器的配電網(wǎng)故障自動定位系統(tǒng)[J].電力設(shè)備,2006,7(11):65-66.

[3]張林利,徐丙垠,薛永瑞等.基于線電壓和零模電流的小電流接地故障暫態(tài)定位方法[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(13):110-115.

[4]陸國慶,姜新宇,梅中健等.配電網(wǎng)中性點接地的新途徑[J].電網(wǎng)技術(shù),2004(2):32-35.

[5]要煥年,曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京:中國電力出版社,2000.

[6]陳忠仁,李微波,吳維寧.一種新型小電流接地綜合選線裝置[J].電力自動化設(shè)備,2007,27(5):114-117.

[7]高艷,林湘寧,劉沛.基于廣義形態(tài)開閉變換的小電流接地選線算法[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(14):1-6.

[8]潘靖,郝會鋒,何潤華.配電網(wǎng)接地選線裝置的研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2008,36(19):48-52.

[9]季濤,孫同景等.配電網(wǎng)故障定位技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].繼電器,2005,33(24):32-37.

[10]董新洲,畢見廣.配電線路暫態(tài)行波的分析和接地選線研究[J].中國電機工程學(xué)報,2005,25(4):1-6.

[11]張大立.配電故障指示器的應(yīng)用及發(fā)展[J].電氣應(yīng)用,2008,27(5):53-55.