10 kV配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究

王繼星，任 波，宋 娜

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.中國長江電力股份有限公司三峽電廠，湖北宜昌443002;3.中國長江電力股份有限公司葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443002)

中國10 kV配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式常采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地兩種方式，統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)。該類接地系統(tǒng)中單相接地故障定位一直是研究的難點(diǎn)。單相接地故障約占全部電網(wǎng)故障的80%，所以深入研究配電網(wǎng)單相接地故障定位對提高供電可靠性具有重大意義。

小電流接地故障檢測主要分為故障選線和故障定位。目前，對于故障選線的研究成果已經(jīng)很多，主要有零序電流法、功率方向法、比幅比相法、負(fù)序電流法、注入信號(hào)法等[1-5]。而小電流接地故障定位研究領(lǐng)域卻沒有取得很大進(jìn)展，雖有行波法、小波分析法、故障定位的矩陣算法和注入信號(hào)法等研究成果[6-10]，但是由于信號(hào)微弱，受到干擾后不易檢測和消弧線圈的補(bǔ)償作用，使得以上方法實(shí)際應(yīng)用效果不理想。

近幾年，基于暫態(tài)零序電流進(jìn)行故障選線的方法已經(jīng)取得一定突破[11-13]，但是，基于暫態(tài)零序電流進(jìn)行故障分支定位的方法則很少涉及。因此，本文提出了暫態(tài)零序電流向量的概念，并通過矩陣算法來實(shí)現(xiàn)故障分支定位。

1 小電流接地系統(tǒng)故障區(qū)間定位原理

1．1 輻射型接線方式

中國10 kV配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的方式，配電網(wǎng)不同線路通過雙電源連接開關(guān)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，雙電源連接開關(guān)斷開，從變電站引出的配電線路開環(huán)運(yùn)行，形成了單電源輻射狀的樹狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 10 kV配電網(wǎng)示意圖

1．2 故障選線和故障定位

在小電流接地系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)小電流接地故障，非故障相對地電壓升為線電壓，特別是出現(xiàn)間歇性弧光接地時(shí)，中性點(diǎn)缺少電荷釋放的通路，引起弧光接地過電壓，從而威脅線路絕緣，容易擴(kuò)大為相間短路故障。

本文規(guī)定:從變電站同一條母線上引出的多條線路中識(shí)別出發(fā)生小電流接地故障的線路，并給出判斷結(jié)果的過程稱為故障選線;在選出的故障線路中，根據(jù)故障信息找到發(fā)生單相接地故障的支路，并確定故障支路相關(guān)測點(diǎn)編號(hào)的過程稱為故障定位。

1．3 小電流接地故障信息的獲取

由于線路不對稱，可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)零序電壓，在變電站出口母線處設(shè)置一個(gè)零序電壓測點(diǎn)，并且設(shè)定線路零序電壓故障閥值uf，若零序電壓超過閥值uf，則系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障，啟動(dòng)故障定位功能。在變電所母線上裝設(shè)三相五柱式電壓互感器，將其二次成開口三角形的一側(cè)接于過電壓繼電器上，通過一定延時(shí)啟動(dòng)故障定位程序。加入延時(shí)主要是為了躲過瞬時(shí)接地故障的情況。

在每條線路的出口處和分支線路的出口處均布置零序電流測點(diǎn)，對于線路較長的無分支線路，則布置2-3個(gè)測點(diǎn)，以便縮短查找故障點(diǎn)的范圍，如圖1所示。各個(gè)測點(diǎn)均安裝基于GPS的零序電流測量裝置和相對應(yīng)的負(fù)荷開關(guān)，通過GPS秒脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流數(shù)據(jù)的同步采樣，然后，將采集的數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)。

1．4 故障支路定位

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路上流過的零序電流等于其他非故障線路對地電容電流之和，幅值較大。為此，通過比較變電站各出線出口處測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流幅值的大小來選出故障線路[14]。

將一個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流的所有采樣值的集合作為一個(gè)向量，稱為該測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量。暫態(tài)零序電流幅值I0的計(jì)算公式為

式中:N為暫態(tài)零序電流向量中元素個(gè)數(shù)，i0j表示暫態(tài)零序電流向量中第j個(gè)元素。

以圖1線路a為例，將線路a的所有零序電流測點(diǎn)按從電源側(cè)指向負(fù)荷側(cè)的方向依次編號(hào)，形成線路a的起點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量為

采用測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣來描述線路各個(gè)測點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系。測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣S的元素sij定義為:從電源側(cè)指向負(fù)荷側(cè)的方向，當(dāng)測點(diǎn)i位于測點(diǎn)j的上游，且測點(diǎn) i和測點(diǎn) j相鄰時(shí)，則 sij=1;否則，sij=0。從而可以得到以線路a的測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為

確定故障支路的算法以變電站各條出線的起始測點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量和測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為輸入量，具體描述如下:

1)獲取變電站各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量，比較各條線路出線處測點(diǎn)暫態(tài)零序電流幅值的大小，幅值較大的為故障線路。

2)在故障線路上，非故障路徑測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流的方向相同，而故障路徑測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流的方向相反。因此，提出將故障線路各個(gè)測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量與下一條非故障線路出線處測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量做內(nèi)積運(yùn)算，得到故障路徑標(biāo)識(shí)向量e。定義故障路徑標(biāo)識(shí)向量e的長度與起始節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量r一致，其元素與向量r元素存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)故障線路測點(diǎn)i的暫態(tài)零序電流向量與非故障線路出線處測點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量內(nèi)積為負(fù)時(shí)，則ei=1;否則，ei=0。

3)從向量e的第一個(gè)元素開始查找，找到e中值為1的最后一個(gè)元素，設(shè)為ek，則測點(diǎn)k為故障支路的起始測點(diǎn)。

4)將故障線路的測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣中的元素skk置1，然后，查找skk所在行的元素，若存在skj=1，則說明故障支路在測點(diǎn)k和j之間;若其他元素均為0，則說明故障支路在測點(diǎn)k的下游。

2 仿真實(shí)例

以圖1所示系統(tǒng)為例，利用Matlab進(jìn)行仿真。為了使仿真更接近實(shí)際電力系統(tǒng)，采用電纜—架空線混合線路。架空線路參數(shù)為

電纜線路參數(shù)為

變壓器35/10 kV，采用Δ/Y接線;在消弧線圈接地系統(tǒng)仿真時(shí)，系統(tǒng)設(shè)為8%過補(bǔ)償。采樣頻率為105Hz，采集故障發(fā)生后5 ms的數(shù)據(jù)。

2．1 仿真算例1

如圖1所示，當(dāng)f1點(diǎn)在0.005 s發(fā)生單相接地故障時(shí)，過渡電阻R=100 Ω，補(bǔ)償度為8%時(shí)，各線路出口處暫態(tài)零序電流如圖2所示。

圖2 各線路出口處暫態(tài)零序電流波形圖

從圖2波形可以看到，線路a、b、c出口處零序電流幅值分別為8.676 6、5.741 3、3.175 6 A。由此可見，線路a為故障線路，線路b、c為非故障線路。測點(diǎn)4a、5a和測點(diǎn)1b的暫態(tài)零序電流如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)4a、5a和測點(diǎn)1b的暫態(tài)零序電流波形

從圖3可以看到，在故障線路上，非故障路徑測點(diǎn)(5a)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測點(diǎn)(1b)的暫態(tài)零序電流的方向相同，而故障路徑測點(diǎn)(4a)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測點(diǎn)(1b)的暫態(tài)零序電流的方向相反。

線路a的測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣和起始測點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量如前所述，線路a各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與下一條線路出口處(測點(diǎn)1b)暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積如表1所示。

表1 線路a各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與測點(diǎn)1b暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積 ×104

則線路a的故障路徑標(biāo)識(shí)向量為e=[1 1 0 1 0 0 0 0]，修改后的線路a的測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為

由此可以判斷出測點(diǎn)4a和測點(diǎn)5a(6a)之間的支路發(fā)生單相接地故障。

2．2 仿真算例2

如圖1所示，當(dāng)f2點(diǎn)在0.01 s發(fā)生單相接地故障，過渡電阻R=1 000 Ω，補(bǔ)償度為7%時(shí)，線路a、b、c出口處暫態(tài)零序電流幅值分別為 0.710 9、0.953 9、0.367 6 A。由此可見，線路b為故障線路，線路a、c為非故障線路。

線路b的測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣Sb和起始測點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量rb為

線路b各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與下一條線路出口處(測點(diǎn)1c)暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積如表2所示。

表2 線路a各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與測點(diǎn)1b暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積

線路b的故障路徑標(biāo)識(shí)向量為 e=[1 0 1 0 0 0]，則修改后的線路b的測點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為

由此可以判斷，測點(diǎn)3b和測點(diǎn)4b之間的支路發(fā)生單相接地故障。

3 結(jié)語

本文研究10 kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的問題。首先，通過裝有GPS模塊的零序電流測量裝置實(shí)現(xiàn)各個(gè)測點(diǎn)暫態(tài)零序電流的同步采樣，以獲取故障特征信息。然后，提出了確定故障支路相關(guān)測點(diǎn)的算法。最后，通過仿真算例表明本文提出的確定故障支路相關(guān)測點(diǎn)算法的定位準(zhǔn)確性。

[1]牟龍華.零序電流有功分量方向接地選線保護(hù)原理[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(9)60-62.

[2]王祖光.微機(jī)小電流接地系統(tǒng)接地選線裝置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1993，17(6)48-51.

[3]曾祥君，尹項(xiàng)根，張哲，等.零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(4):5-10.

[4]唐軼，陳奎，陳慶，等.導(dǎo)納互差之絕對值和的極大值法小電流接地選線研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(6):49-54.

[5]曾祥君，尹項(xiàng)根，張哲，等.配電網(wǎng)接地故障負(fù)序電流分布及接地保護(hù)原理研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(6):84-88.

[6]桑在中，張慧芬，潘貞存.用注入法實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地選線保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1996，20(2):11-12.

[7]于盛楠，楊以涵，鮑海.基于C型行波法的配電網(wǎng)故障定位的實(shí)用研究[J].繼電器，2007，35(10):1-4，10.

[8]DAS R，SACHDEV M S，SIDHU T S.A technique for estimating locations of shunt faults on distribution lines[C]//Proceedings of IEEE Communications Power and Computing Conference Wescanex95.Canada，1995:6-11.

[9]梅念，石東源，楊增力，等.一種實(shí)用的復(fù)雜配電網(wǎng)故障定位的矩陣算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(10):66-70.

[10]齊鄭，高玉華，楊以涵.配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位矩陣算法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(20):159-163.

[11]薛永端，馮祖仁，徐丙垠，等.基于暫態(tài)零序電流比較的小電流接地選線研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(9):48-53.

[12]馬士聰，徐丙垠，高厚磊，等.檢測暫態(tài)零模電流相關(guān)性的小電流接地故障定位方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(7):48-51.

[13]薛永端，馮祖仁，徐丙垠.中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)特征分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(2):195-199.

[14]張新慧，潘貞存，徐丙垠，等.基于暫態(tài)零序電流的小電流接地故障選線仿真[J].繼電器，2008，36(3):5-9.