配電網(wǎng)接地故障選線技術(shù)及其應(yīng)用

張明春，王金波

（1.中石化巴陵分公司，湖南 巴陵 414003；2.萊蕪市機(jī)關(guān)事務(wù)管理局，山東 萊蕪 271100）

0 引言

我國(guó)6～66 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)多采用消弧線圈接地方式[1-2]，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，消弧線圈產(chǎn)生的感性電流及時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的電容電流，減小了故障點(diǎn)故障電流，降低系統(tǒng)過(guò)電壓水平，使電網(wǎng)系統(tǒng)能夠帶故障運(yùn)行2 h。為了增強(qiáng)配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，越來(lái)越多工業(yè)企業(yè)的配電網(wǎng)系統(tǒng)采用了消弧線圈接地方式，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，由于消弧線圈的電流補(bǔ)償作用，故障線路故障電流較小，很難準(zhǔn)確及時(shí)判定故障線路。

1 配電網(wǎng)系統(tǒng)故障特點(diǎn)

配電網(wǎng)的中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式，系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障線路的電氣量變化并不明顯，使故障線路查找變得困難。

系統(tǒng)發(fā)生接地故障，消弧線圈的補(bǔ)償過(guò)程如圖1所示，其中L為消弧線圈，C為系統(tǒng)電容，R為故障點(diǎn)的接地電阻，IL、IC、If分別為消弧線圈補(bǔ)償電流、系統(tǒng)的電容電流、故障點(diǎn)的殘流。

圖1 消弧接地系統(tǒng)接地故障原理圖

從圖1可以得出：線路發(fā)生接地故障，系統(tǒng)線路對(duì)地的電容電流IC流過(guò)故障點(diǎn)，由于消弧線圈的補(bǔ)償電流IL與電容電流IC是數(shù)值相等方向相反，因此故障點(diǎn)的故障電流If幾乎為0，大大減小了故障點(diǎn)的電流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生了瞬時(shí)性接地故障，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，接地故障自行消失，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光接地故障時(shí)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，弧光接地故障消失，防止非故障相電壓繼續(xù)升高，避免弧光接地過(guò)電壓產(chǎn)生，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生永久性接地故障時(shí)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，接地點(diǎn)故障電流較小，系統(tǒng)可帶電運(yùn)行2 h，大大減少停電次數(shù)，提高整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，但故障線路的故障電流較小，使故障線路判定變得困難。

2 配電網(wǎng)故障選線技術(shù)

配電網(wǎng)系統(tǒng)中，線路分支較多，運(yùn)行方式復(fù)雜，線路的管理維護(hù)工作量很大。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障查找非常困難，而故障選線技術(shù)和選線產(chǎn)品的研發(fā)，大大緩解了這一問(wèn)題。

2.1 故障選線方法

行波法。該方法利用根據(jù)行波理論（線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向線路兩端傳播的行波信號(hào)），利用在線路測(cè)量端捕捉到的暫態(tài)行波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)故障定位。該方法有一定的優(yōu)點(diǎn)，可以把故障點(diǎn)確定在較小范圍內(nèi)，方便用戶快速準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)，適合于網(wǎng)絡(luò)分支較少線路。而配電網(wǎng)出線分支較多，線路分支處和負(fù)荷處均為波阻抗不連續(xù)點(diǎn)，行波在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的折射和反射造成線路一端測(cè)得的行波波形將特別復(fù)雜，很難正確識(shí)別出故障點(diǎn)的反射波，故障定位困難。

信號(hào)注入法。該方法需要借助外部信號(hào)設(shè)備，提供故障檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，安裝在變電站的信號(hào)源主動(dòng)向母線注入一個(gè)特殊的信號(hào)，這樣這個(gè)特殊信號(hào)在接地點(diǎn)和信號(hào)源構(gòu)成的回路上流過(guò)，即只在故障線路上流過(guò)，選線裝置通過(guò)檢測(cè)到這個(gè)特殊信號(hào)在眾多線路中找出故障線路。該方法可以提高消弧線圈系統(tǒng)接地故障選線的準(zhǔn)確性，但注入信號(hào)的注入時(shí)間和注入量如果不能很好地限制，會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

小擾動(dòng)選線方法。小擾動(dòng)選線方法利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用快速可控式消弧線圈（通過(guò)可控硅控制消弧線圈的電感變化）與小擾動(dòng)選線裝置配合實(shí)現(xiàn)。小擾動(dòng)選線原理是依據(jù)殘流的變化量進(jìn)行選線，該選線方法不需要獲得較大的信號(hào)而將殘流增多，減小選線過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的影響。該選線方法操作時(shí)間短，在短時(shí)間內(nèi)可以連續(xù)進(jìn)行多次選線，擾動(dòng)機(jī)制靈活可變，保證了選線功能的靈活性和快速性。但該選線方法只能在連續(xù)可調(diào)的相控消弧線圈的接地系統(tǒng)中應(yīng)用，對(duì)于其它消弧線圈則不能使用，另外，該方法的選線準(zhǔn)確性與擾動(dòng)信號(hào)的擾動(dòng)時(shí)間和擾動(dòng)幅度直接相關(guān)，在實(shí)際使用過(guò)程中，由于其它因素影響，擾動(dòng)信號(hào)很難配合得當(dāng)，影響故障選線的準(zhǔn)確性。

首半波法。該方法采樣接地瞬間的電容電流首半波與接地瞬間的電壓首半波，比較其相位。當(dāng)采樣接地瞬間電容電流突變且大于一定數(shù)值，并且與接地瞬間電壓首半波同相，同時(shí)導(dǎo)線對(duì)地電壓降低，則判斷線路發(fā)生接地。首半波法的前提條件是故障需發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間，但如果在接地故障發(fā)生在電壓的零點(diǎn)附近時(shí)，其值較小，導(dǎo)致首半波檢測(cè)存在檢測(cè)死區(qū)，從選線原理上，該方法存在一定缺陷。

2.2 并聯(lián)中電阻選線方法

根據(jù)以上分析可知，在消弧線圈接地系統(tǒng)中，接地故障時(shí)故障電流較小，常用的故障選線方法在實(shí)際應(yīng)用中均存在著一定的局限性。下面介紹并聯(lián)中電阻選線方法，該方法是信號(hào)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(shí)，通過(guò)投切并聯(lián)中電阻方法，向系統(tǒng)注入工頻信號(hào)，該信號(hào)僅在故障線路中流通，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)從而選出故障線路。

帶并聯(lián)中電阻的消弧線圈接地系統(tǒng)如圖2所示，T為帶中性點(diǎn)的變壓器，L為消弧線圈，R為并聯(lián)中電阻，K為真空接觸器，M為母線，C1、C2…C6為各出線的對(duì)地電容，d為接地故障點(diǎn)。

圖2 配電網(wǎng)接地系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，真空接觸器K斷開(kāi)，并聯(lián)中電阻不投入運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，并聯(lián)中電阻短時(shí)間內(nèi)投入系統(tǒng)，增大故障線路的故障電流，0.5 s后從系統(tǒng)中切出并聯(lián)中電阻，根據(jù)并聯(lián)中電阻投切前后故障線路與正常線路零序電流的變化不同，判定出故障線路。

故障選線具體步驟：當(dāng)系統(tǒng)單相接地，系統(tǒng)地中性點(diǎn)電壓升高，超過(guò)設(shè)定值2 kV，啟動(dòng)并聯(lián)中電阻裝置；控制開(kāi)關(guān)K閉合；并聯(lián)中電阻在中性點(diǎn)電壓的作用下，通過(guò)中性點(diǎn)向系統(tǒng)注入工頻電流；工頻電流流過(guò)故障線路，使故障線路的零序電流發(fā)生波動(dòng)；0.5 s后開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，切除并聯(lián)電阻；選線裝置通過(guò)計(jì)算各線路并聯(lián)中電阻投切前后的零序電流變化不同，找出故障線路。

投切并聯(lián)中電阻選線的各線路零序電流波形如圖3所示，系統(tǒng)中有6條線路，其中1號(hào)線路發(fā)生了接地故障，短時(shí)間投入并聯(lián)中電阻，只有1號(hào)線路的零序電流發(fā)生了較大的變化，而其它線路變化較小，因此可以根據(jù)這一變化判定故障線路。

圖3 各出線的零序電流波形圖

并聯(lián)中電阻選線方法，簡(jiǎn)單直接，可以有效解決消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線不準(zhǔn)確的問(wèn)題。另外，該方法利用故障時(shí)中心點(diǎn)過(guò)電壓向系統(tǒng)注入工頻電流信號(hào)，信號(hào)注入時(shí)間較短，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)影響較小，如果并聯(lián)中電阻阻值選擇得當(dāng)，將注入電流限制在安全范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成不利影響。

3 配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)

目前，并聯(lián)中電阻選線方法得到了較好地發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)很多以消弧線圈接地方式配電網(wǎng)系統(tǒng)中都采用此選線原理，選線效果得到了廣泛認(rèn)可。但故障選線僅僅對(duì)變電站出線進(jìn)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(shí)，檢修人員需要從變電站站出線開(kāi)始，沿著故障線路，找到下一級(jí)分支點(diǎn)，然后通過(guò)人工試?yán)姆绞酱_定具體的故障線路區(qū)段。該故障查找方法，人力投入較大，故障排查時(shí)間較長(zhǎng)，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

如果能夠?qū)ψ冸娬竞烷_(kāi)閉所（配電線路分支點(diǎn)）同時(shí)進(jìn)行故障選線，借助并聯(lián)中電阻選線方法，形成配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)，將縮小故障區(qū)域，減小故障排除時(shí)間，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示，主要由配電網(wǎng)故障選線監(jiān)控平臺(tái)、并聯(lián)中電阻選線裝置、監(jiān)測(cè)終端組成。

圖4 配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)系統(tǒng)圖

并聯(lián)中電阻選線裝置安裝在變電站，和消弧線圈控制器配合對(duì)變電站的出線進(jìn)行故障選線，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，并聯(lián)中電阻的注入信號(hào)沿著故障線路流向故障點(diǎn)，該注入信號(hào)不但為變電站故障選線提供選線信號(hào)特征值，而且為配電網(wǎng)開(kāi)閉所出線提供選線信號(hào)特征值。

圖5 配電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

監(jiān)測(cè)終端安裝在配電網(wǎng)線路的開(kāi)閉所，通過(guò)零序CT獲取各出線的零序電流，實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉所線路故障檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，監(jiān)測(cè)終端實(shí)現(xiàn)故障選線，并進(jìn)行就地報(bào)警，同時(shí)將故障監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控平臺(tái)。

配電網(wǎng)故障監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)搜集變電站和各開(kāi)閉所的故障選線信息和故障數(shù)據(jù)，并對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分類，進(jìn)而確定故障區(qū)段，并通過(guò)報(bào)警告知檢修人員及時(shí)排除故障。

該配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）瞬間投切并聯(lián)中電阻的方法，短時(shí)間內(nèi)增大了故障線路的零序電流，保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下提高了故障選線的準(zhǔn)確性。

（2）發(fā)生接地故障時(shí)，變電站、開(kāi)閉所、配電站各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電氣信息都上傳到故障定位監(jiān)控平臺(tái)，故障定位監(jiān)控平臺(tái)軟件對(duì)收集來(lái)的信息進(jìn)行分析、處理、分類，篩選有效的故障信息，然后進(jìn)行綜合分析，避免了錯(cuò)誤信息、干擾信息、信息丟失等因素造成的故障判定不準(zhǔn)確的情況，進(jìn)一步提高了故障判定的準(zhǔn)確性。

（3）該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)變電站選線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉所選線，進(jìn)一步縮小故障查找范圍。

4 應(yīng)用實(shí)例

岳陽(yáng)巴陵石化化肥事業(yè)部的配電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。配電網(wǎng)系統(tǒng)情況：電壓等級(jí)6 kV，4臺(tái)配電變壓器，中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式，有2級(jí)開(kāi)閉所，每級(jí)開(kāi)閉所都有4段母線，每段母線上都有若干負(fù)荷。

配電網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障線路電氣量變化不明顯，導(dǎo)致故障線路判定困難，不能及時(shí)找出故障線路，大大延后了故障的排除時(shí)間，電網(wǎng)運(yùn)行可靠性大大降低，給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)極大的危害和風(fēng)險(xiǎn)。

為了提高配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，在配電網(wǎng)安裝配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)成套裝置，該成套裝置采用并聯(lián)中電阻選線技術(shù)，對(duì)變電站層線路、1級(jí)開(kāi)閉所層線路、2級(jí)開(kāi)閉所層線路同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障選線。當(dāng)2級(jí)開(kāi)閉所III段母線上的負(fù)荷9上的線路發(fā)生了接地故障，選線裝置直接判定故障區(qū)段負(fù)荷9線路，減少了故障排除時(shí)間，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了保障。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)消弧線圈接地系統(tǒng)故障選線不準(zhǔn)確問(wèn)題，闡述了消弧線圈接地系統(tǒng)接地故障時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況，以此為基礎(chǔ)分析現(xiàn)有主要故障選線方法的優(yōu)缺點(diǎn)，特別對(duì)并聯(lián)中電阻故障選線方法原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并在此基礎(chǔ)上提出配電網(wǎng)故障選線系統(tǒng)，進(jìn)一步縮小接地故障的查找范圍，提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在實(shí)際的實(shí)施應(yīng)用中取得了較好的效果。