基于暫態(tài)零序電流算法的配網(wǎng)故障快速定位

陳小喬 鄧國明 陽細(xì)斌

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局，廣東 陽江 529500）

0 引言

我國配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)非直接接地方式，單相接地故障快速定位一直是供電企業(yè)的難點(diǎn)之一。本文從理論上對中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)的零序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相頻特性分析，根據(jù)暫態(tài)零序電流的特征，提出一種利用相鄰FTU檢測的暫態(tài)零序電流做出快速故障定位的方法。這種方法能夠準(zhǔn)確定位出中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中故障區(qū)域，減少了故障時過渡電阻對故障定位造成的影響，具有較高的靈敏度。

1 零序網(wǎng)絡(luò)的相頻特性

1.1 單條無故障線路的零序阻抗相頻特性

設(shè)單條10 k V架空線路每千米的零序電阻為R0，零序電感為L0，零序電容為C0，其線路長度為M，角頻率為ω，則根據(jù)典型分布參數(shù)模型，這條線路的輸入阻抗Z0如下：

根據(jù)式（1），該條10 k V架空線路的零序阻抗相頻特性如圖1所示。

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，單條10 k V架空線路零序阻抗的相頻特性是從＋90°～－90°呈周期變換的曲線。隨著頻率加大，該架空線路的零序阻抗在容性頻帶以及感性頻帶之間相互轉(zhuǎn)換。第一次頻帶轉(zhuǎn)換的頻率在2 k Hz左右。

1.2 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)的零序阻抗相頻特性

假設(shè)在多條10 k V架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)中，有一條線路發(fā)生了單相接地故障。對于沒有發(fā)生故障的線路，其零序阻抗的相頻特性只和本條線路相關(guān)，即與圖1所示的相頻特性相同。而對于故障線路，其檢測到的阻抗與其余所有線路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，由于該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的線路同時存在自身的串聯(lián)諧振以及相互之間的并聯(lián)諧振，零序阻抗具有不規(guī)則的感性或容性。即故障線路的相頻特性與其他正常線路相關(guān)，故障線路發(fā)生串聯(lián)諧振時，其頻率等于其余線路發(fā)生串聯(lián)諧振的最小值。設(shè)有4條線路，1～3條為正常線路，第4條線路為故障線路，則這4條線路的相頻特性如圖2所示。

圖2 線路故障時零序阻抗的相頻特性

由圖2可見，在ω′之前，所有線路的阻抗都為容性。

2 暫態(tài)零序電流的特點(diǎn)

在圖2中，0～ω′頻段內(nèi)各線路的阻抗都為容性，用電容等效，這個頻段內(nèi)暫態(tài)零序電流為容性電流。對于故障線路，其出口點(diǎn)監(jiān)測到的零序電流，為其余正常線路對地零序電容電流之和，電流方向?yàn)橛删€路流向母線。在線路發(fā)生接地故障時，在故障點(diǎn)相當(dāng)于出現(xiàn)了一個虛擬電源，從該點(diǎn)流出的零序電流向線路上游和下游流去，故障區(qū)段兩端檢測到的暫態(tài)零序電流方向相反，在幅值上上游電流更大。

因此0～ω′頻段內(nèi)的暫態(tài)零序電流具有以下特點(diǎn)：（1）故障線路的暫態(tài)零序電流幅值大于或等于正常線路；（2）故障線路的暫態(tài)零序電流由線路流向母線，而正常線路的暫態(tài)零序電流由母線流向線路；（3）故障線路的正常段兩端電流幅值基本相等，且電流流向相同，而故障線路的故障區(qū)段兩端電流方向相反，且故障區(qū)段流向上游的電流幅值會遠(yuǎn)大于流向下游的電流幅值。

3 基于暫態(tài)零序電流幅值的故障快速定位方法

3.1 建立饋線自動化系統(tǒng)

建立典型的環(huán)網(wǎng)饋線自動化系統(tǒng)，配置FTU、通信網(wǎng)絡(luò)及FA控制主站。其工作方式為：在線路發(fā)生接地故障后，F(xiàn)TU能夠檢測到過電流，利用通信網(wǎng)絡(luò)將故障信息發(fā)送給控制主站后，控制主站對該信息進(jìn)行分析，找出故障區(qū)段。根據(jù)饋線自動化系統(tǒng)給出的結(jié)論，操作分段開關(guān)將故障區(qū)段隔離，恢復(fù)其余正常線路的供電。

3.2 基于暫態(tài)零序電流幅值的故障快速定位算法

設(shè)第k條線路在0～ω′頻段內(nèi)暫態(tài)零序電流分量為i0k，其第i個數(shù)據(jù)有i0ki，則暫態(tài)零序電流的有效值I0k計算公式如下：

式中，n為數(shù)據(jù)的總個數(shù)。

設(shè)線路上游的暫態(tài)零序電流為I01，線路下游的暫態(tài)零序電流為I02，則上下游暫態(tài)零序電流的比值η如下：

從上文可知，對于線路正常區(qū)段，η約等于1；而對于故障區(qū)段，η遠(yuǎn)大于1。所以，利用線路各區(qū)段兩端的FTU檢測到的上下游暫態(tài)零序電流的比值η，即可判斷故障區(qū)段。

當(dāng)η＜ζ（ζ可整定）時，則判斷該區(qū)段兩端暫態(tài)零序電流幅值相差不大，為正常區(qū)段；當(dāng)η＞ζ（ζ可整定）時，則判斷該區(qū)段兩端暫態(tài)零序電流幅值相差過大，為故障區(qū)段。

3.3 算法特點(diǎn)

采用上述算法，由于FTU發(fā)送的只是暫態(tài)零序電流幅值，而不是全部暫態(tài)零序電流數(shù)據(jù)，故傳輸數(shù)據(jù)量小，對通訊網(wǎng)絡(luò)的壓力較小。同時，這種算法在采集暫態(tài)零序電流幅值時不需要時間同步，即時間不同步也不影響對故障區(qū)段的判斷。從相頻分析可以看出，暫態(tài)零序電流幅值遠(yuǎn)大于工頻分量，保證了故障發(fā)生后監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

線路的零序阻抗相頻特性呈周期性變化，第一次線路零序阻抗從容性頻帶轉(zhuǎn)換為感性頻帶時的頻率遠(yuǎn)大于工頻，在0～ω′頻段內(nèi)暫態(tài)零序電流為容性電流。而線路正常區(qū)段和故障區(qū)段兩端的電流具有明顯的不同，采用基于暫態(tài)零序電流幅值的故障快速定位算法，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少，對故障的定位具有較高的靈敏性和可靠性。

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