基于雙端同步信息量測的小電流單相接地故障區(qū)段定位

袁 靖，程 林，李洪濤，黃仁樂

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.清華大學(xué)電機(jī)系國家重點實驗室，北京100084;3.國網(wǎng)北京市電力公司，北京100031)

配電系統(tǒng)采用中性點不接地方式發(fā)生單相接地故障時，故障線路處短路電流是所有非故障線路的對地電容電流之和，信號微弱導(dǎo)致識別困難。故障可靠定位的問題一直也沒能得到很好的解決。目前，常見的故障定位的方法有故障分析法［1－14］，行波法［15－19］和“S”注入法［20－21］。

故障分析法是故障發(fā)生后，獲取線路的電壓和電流信息，利用某些測距原理和算法得出故障點的位置［4］。常用的測距算法有零序電流修正法、零序電流相位修正法、解一次方程法、解二次方程法、解微分方程法和智能化算法等。零序電流修正法是根據(jù)線路電壓、電流與故障位置的函數(shù)關(guān)系列寫方程，并進(jìn)行迭代求故障位置，迭代的結(jié)果不一定收斂于實際故障距離;零序電流相位修正法和解微分方程法是基于線路集中參數(shù)的，不考慮分布電容的影響，所以并不適用于中性點不接地系統(tǒng);解一、二次方程的方法是對電流的分布系數(shù)做適當(dāng)處理，需要列寫的方程數(shù)目較多，計算過程復(fù)雜且易出現(xiàn)偽根，因此也并不適用于分支居多，線路復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多變的配電網(wǎng)絡(luò)。智能化算法將其他學(xué)科的研究成果應(yīng)用到了故障測距中，此算法大部分處于研究開發(fā)階段。

故障分析法包括基于以上算法的單端信息法和利用雙端信息進(jìn)行采樣定位的方法，單端信息法不能克服過渡電阻及對端系統(tǒng)阻抗變化的影響;雙端信息法中不計分布電容的集中參數(shù)電路并不適用于中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障定位，計及分布電容的迭代法趨于復(fù)雜。行波法是根據(jù)行波的傳輸實現(xiàn)輸電線路的故障測距，此定位方法不受線路類型、過渡電阻及量測系統(tǒng)的影響，但是也會受參數(shù)頻變及非線性元件動態(tài)時延的影響等。S注入法是向電壓互感器的二次側(cè)注入?yún)^(qū)別于工頻的故障信號，該故障信號耦合至電壓互感器一次側(cè)并與故障點形成回路，根據(jù)注入信號的路徑就可以找到故障點［20］。注入信號受過渡電阻影響較大，過渡電阻越高，信號的衰減越嚴(yán)重。小電流接地系統(tǒng)中現(xiàn)存的一些新型定位方法如故障區(qū)間邊界節(jié)點算法［22］、最大故障電流法［23－24］、零序?qū)Ъ{法［25］及基于線電壓和零模電流的區(qū)段定位法［26］等也各自有其適用條件，因此對于小電流接地系統(tǒng)的故障定位仍是急需解決的問題。

本文針對中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時特定區(qū)段的雙端同步信息特征進(jìn)行分析，提出了基于區(qū)段雙端同步信息量測的故障定位新方法。該方法簡便易實現(xiàn)，且不受線路長短的影響，對過渡電阻較大時的故障定位均可行，通過RTDS仿真驗證了其可行性。

1 單相接地故障特征

當(dāng)某一電力網(wǎng)絡(luò)中有發(fā)電機(jī)G和n條線路存在時，設(shè)第i(i=1，2，…，n)條線路的對地電容為C0i，以C相接地為例，則發(fā)生單相接地故障時，C相電流為零，A相和B相中流有本身的電容電流，圖1顯示故障時的零序電流圖。

圖1 單相接地故障零序網(wǎng)絡(luò)圖

故障線路故障相的電流為

各線路非故障相的電流為

由此可見，非故障線路從母線流向線路的零序電流，數(shù)值上等于線路本身的對地電容電流，由故障線路流向母線的零序電流，其數(shù)值等于全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和(但不包括故障線路本身)，恰好與非故障線路上的相反。

2 區(qū)段雙端同步信息定位法

2.1 故障判據(jù)

中性點直接接地系統(tǒng)中差動保護(hù)是利用基爾霍夫電流定理實現(xiàn)的，當(dāng)電力元件正常工作時，流入電流和流出電流相等，差動繼電器不動作。當(dāng)其內(nèi)部發(fā)生故障時，兩側(cè)向故障點提供短路電流，此時差動保護(hù)感受的電流正比于故障電流，差動繼電器動作。

圖2 區(qū)段BC的區(qū)內(nèi)及區(qū)外故障零序電流示意圖

本文將此“差動”的思想應(yīng)用到中性點不接地系統(tǒng)中，根據(jù)單相接地故障發(fā)生時，區(qū)段雙端穩(wěn)態(tài)零序電流值的差異，采集區(qū)段雙端同步穩(wěn)態(tài)零序電流瞬時值并利用此雙端同步信息做差。線路正常運行時無零序電流，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，非故障線路零序電流由母線流向線路，任意區(qū)段的雙端零序電流極性一致，雙端穩(wěn)態(tài)零序電流瞬時值做差瞬時值變小;故障區(qū)段首端零序電流由線路流向母線，末端零序電流由故障處流向線路，首末端極性相反，差值極性仍與故障區(qū)段的首端極性一致。

定義由電源側(cè)指向負(fù)荷側(cè)終端的方向為該網(wǎng)絡(luò)的正方向，即極性為“+”，反之為“－”。如圖2所示，區(qū)段BC的區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障示意圖。

(a)對于故障線路區(qū)段BC發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時:

(b)對于線路區(qū)段BC負(fù)荷側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時:

(c)對于線路區(qū)段BC系統(tǒng)側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時:

其中:iB為BC區(qū)段首端B點處3倍穩(wěn)態(tài)零序電流瞬時值;iC為BC區(qū)段末端C點處3倍穩(wěn)態(tài)零序電流瞬時值;ΔiBC為BC區(qū)段雙端同步3倍穩(wěn)態(tài)零序電流瞬時值的差。

對于公式(2)的理論分析，雙端信息同步時，線路自身電容電流在線路首端最大，所以小于，因此以上非故障區(qū)段極性為正值。

2.2 故障定位的原理及實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，線路區(qū)段雙端檢測裝置采集的3倍穩(wěn)態(tài)零序電流瞬時值iB、iC及計算得到的雙端差值ΔiBC極性來判斷故障區(qū)段。

圖3 故障定位流程

1)若雙端檢測裝置所提取計算的ΔiBC極性為負(fù)，則該特定區(qū)段為故障區(qū)段，可直接進(jìn)行故障隔離，消除故障;

2)若雙端檢測裝置所提取的ΔiBC為正，則故障發(fā)生在該特定區(qū)段外，再判定雙端3倍零序電流極性;

a)若特定區(qū)段BC雙端iB、iC都為正，故障點在該區(qū)段系統(tǒng)側(cè)。則由特定區(qū)段向系統(tǒng)側(cè)分析前一檢測裝置穩(wěn)態(tài)零序電流極性，直到找到極性為負(fù)的一點，則該點檢測裝置與后一個檢測裝置之間的線路區(qū)段為故障區(qū)段，若所有檢測裝置測出3倍零序電流穩(wěn)態(tài)值全為正值，則故障點位于其他線路;

b)若特定區(qū)段BC雙端iB、iC都為負(fù)，故障點在該區(qū)段負(fù)荷側(cè)。則由特定區(qū)段向負(fù)荷側(cè)分析后一檢測裝置穩(wěn)態(tài)零序電流極性，直到找到極性為正的一點，則該點檢測裝置與前一個檢測裝置之間的線路區(qū)段為故障區(qū)段，若所有檢測裝置測出3倍零序電流穩(wěn)態(tài)值全為負(fù)值，則故障點位于線路末端。

判定某區(qū)段為故障區(qū)段或者故障區(qū)段定位的基本流程，見圖3。

3 仿真驗證

利用RTDS對10 kV中性點不接地系統(tǒng)帶5條電纜出線進(jìn)行仿真，三相負(fù)荷對稱，系統(tǒng)參數(shù)對稱。11，12，21…為雙端信息檢測裝置的測量點，仿真接地故障位于線路四BC區(qū)段(區(qū)內(nèi)故障)，BC區(qū)段外系統(tǒng)側(cè)(A點故障)和BC區(qū)段外負(fù)荷側(cè)(E點故障)時基于雙端同步信息量測的故障區(qū)段判據(jù)。仿真參數(shù)如下:110 kV 電源，R=1.0 Ω，L=0.1 H，變壓器容量 31.5 MVA，電纜線路參數(shù):R1=0.34 Ω/km，L1=0.385 mH/km，C1=0.455 μF/km，零序參數(shù):R0=1.0 km，L0=1.050 mH/km，C0=0.451 6 μF/km，負(fù)載S=3+j4 MVA。

圖4 配電網(wǎng)仿真實驗?zāi)Ｐ?/p>

(1)以下仿真中性點不接地系統(tǒng)經(jīng)不同過渡電阻發(fā)生單相接地故障時，區(qū)段BC內(nèi)故障時雙端3倍穩(wěn)態(tài)零序電流的有效值IB、IC及ΔIBC差值。

圖5 Rg=0 Ω和3k Ω時故障區(qū)段兩端穩(wěn)態(tài)零序電流

以上算例顯示，區(qū)段首末端穩(wěn)態(tài)零序電流差值的有效值都為負(fù)值時發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。并且首末端做差以后比首端穩(wěn)態(tài)零序電流有效值明顯變大，因為多了一維測度，進(jìn)而驗證此方法較單端選線方法具有一定的優(yōu)越性。

表1 區(qū)內(nèi)故障時區(qū)段穩(wěn)態(tài)電流有效值

(2)以下仿真中性點不接地系統(tǒng)經(jīng)不同過渡電阻發(fā)生單相接地故障時，區(qū)段BC系統(tǒng)側(cè)故障時雙端穩(wěn)態(tài)3倍零序電流信息有效值IB、IC及ΔIBC差值。

圖6 區(qū)段系統(tǒng)側(cè)故障Rg=0 Ω和3 kΩ時故障區(qū)段兩端穩(wěn)態(tài)零序電流及差值信息

以上算例仿真顯示，區(qū)段首末端穩(wěn)態(tài)零序電流差值的有效值為正值時，發(fā)生區(qū)外故障，首末端的穩(wěn)態(tài)零序電流的有效值均為正值，為區(qū)段的系統(tǒng)側(cè)發(fā)生單相接地故障。繼續(xù)向上一雙端檢測裝置的測量點進(jìn)行極性判斷，直到找到極性為負(fù)值的監(jiān)測點，得到故障區(qū)段。

(3)以下仿真中性點不接地系統(tǒng)經(jīng)不同過渡電阻發(fā)生單相接地故障時，區(qū)段BC負(fù)荷側(cè)故障時雙端端穩(wěn)態(tài)3倍零序電流信息有效值IB、IC及ΔIBC差值。

表2 區(qū)段系統(tǒng)側(cè)故障時區(qū)段穩(wěn)態(tài)電流有效值

圖7 區(qū)段負(fù)荷側(cè)故障Rg=0 Ω和3 kΩ時，故障區(qū)段兩端穩(wěn)態(tài)零序電流及差值信息

以上算例仿真顯示，區(qū)段首末端穩(wěn)態(tài)零序電流差值的有效值為正值時，發(fā)生區(qū)外故障，首末端的穩(wěn)態(tài)零序電流的有效值均為負(fù)值，為區(qū)段的負(fù)荷側(cè)發(fā)生單相接地故障。繼續(xù)向下一雙端檢測裝置的測量點進(jìn)行極性判斷，直到找到極性為正值的監(jiān)測點，得到故障區(qū)段;若全為負(fù)值，則故障發(fā)生在線路末端。

(4)改變電纜線路的長度將CD段改為10 km，分別發(fā)生三種區(qū)段故障時，區(qū)段BC雙端穩(wěn)態(tài)3倍零序電流信息有效值IB、IC及ΔIBC差值。

表3 區(qū)段負(fù)荷側(cè)故障時區(qū)段穩(wěn)態(tài)電流有效值

此仿真不受系統(tǒng)線路長短的影響，從區(qū)段首末端穩(wěn)態(tài)零序電流的差值的幅值可得出，此方法還可具備減輕過渡電阻影響的效果，提高了定位的準(zhǔn)確性。

表4 區(qū)段內(nèi)和區(qū)段外故障時區(qū)段穩(wěn)態(tài)電流有效值

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于饋線各區(qū)段雙端同步信息的小電流接地故障定位方法。此方法借助雙端檢測裝置上傳的同步信息配合配電自動化對區(qū)段雙端同步穩(wěn)態(tài)零序電流及其差值進(jìn)行分析以確定故障區(qū)段。該方法可適用于中性點不接地及高阻接地的配電系統(tǒng)，方法原理簡單，無需復(fù)雜計算，且不受系統(tǒng)線路長短的影響，抗過渡電阻的能力強(qiáng)。對于消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地故障定位方法還需進(jìn)一步研究，通過雙端檢測裝置進(jìn)行雙端同步數(shù)據(jù)上傳，需要采樣的同步性，并需要精確測量單相接地故障時的穩(wěn)態(tài)零序電流，對設(shè)備的精度要求較高。

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