基于零序導納模值差絕對極大值法的定位方法研究

付光杰，蓋峰，陳聰，李明秋

(1.東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318;2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000;3.大慶油田有限責任公司 采油一廠電力維修大隊，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

我國的中壓配電線路大部分是架空線，其故障80%以上來源于單相對地短路故障［1］。小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地時電流微弱、電弧不穩(wěn)定，給故障定位帶來一定的困難。目前已有的定位方法有:阻抗法［2］、行波法［3］、暫態(tài)無功功率方向法［4］等。但是各種方法在實際應用上都有局限性:阻抗法受線路及系統(tǒng)運行方式等因素的影響，適用情況比較單一;行波法不適用于結構復雜、分支眾多的線路，難以解決故障波頭的識別及混和線路波阻抗變化的問題;暫態(tài)零序無功功率方向法缺點在于裝置復雜，成本高。另外基于小波變換［5］、數學形態(tài)學［6］等利用數學分析工具的保護方法也沒有很好地解決小電流接地故障定位的問題。

本文提出零序導納模值差絕對極大值法進行小電流接地故障定位，定義了線路穩(wěn)態(tài)時的故障參數，充分利用故障點兩端分段開關處的零序測量導納模值差異加大的特點，消除了僅依據導納角確定故障區(qū)段而引起的誤判，適用性強，精度高。最后通過電磁暫態(tài)仿真軟件進行仿真，驗證了本方法的可行性。

1 單相接地故障系統(tǒng)零序測量導納分析

當配電網正常運行時，三相負荷對稱，系統(tǒng)參數對稱。假定第n條線路發(fā)生單相故障時，相應的零序網絡如圖1所示。圖中Gi、Bi為第i條線路的對地電容及電導，GL、BL為消弧線圈等效電導和感納，M、N、P、Q為線路n上的分段開關，在NP處發(fā)生單相故障，Rf為接地電阻。

圖1 小電流接地故障零序等效網絡

由于健全線路及故障點下游分段開關處零序測量導納等于該開關后線路的對地導納［7］94，其線路n在故障點下游P、Q處的零序測量導納分別為

式中I0P、I0Q為流經 P、Q兩點的零序電流，U0為零序電壓，GQL、GPQ分別為Q點至線路負荷段、PQ兩點間的對地電導，BQL、BPQ分別為Q點至線路負荷段、PQ兩點間的對地電納。如圖2所示，由于電導及電納均為正值，故障點下游分段開關處的零序測量導納矢量位于第一象限，此時模值相對較小，又由于電纜及架空線的阻尼率在10%以內［8］，因此其故障線路及非故障線路的導納角α≈84.2°～88.9°。

由于故障點上游分段開關處零序測量導納等于消弧線圈、所有健全線路及該開關至母線間線路的零序導納之和的負數［7］，其線路n在故障點上游M、N處的零序測量導納為:

式中I0M、I0N為流經M、N點的零序電流，GBM、GMN為M處至母線間線路、MN兩點間的對地電導電納，BBM、BMN為M處至母線間線路、MN兩點間的對地電納。如圖2所示，零序測量導納矢量位于導納平面的左半部分，而導納角隨著消弧線圈v的減小延直線6變化，其直線6的斜率取決于消弧線圈的銅損等值電導［9］。

由公式(1)、(2)、(3)、(4)可以看出，發(fā)生小電流故障接地點同側相鄰2檢測點的模值差異不明顯，而故障接地點兩端相鄰檢測點模值差異較大，因此可以借助求取相鄰2檢測點的模值差，判斷模值最大的兩檢測點之間即為故障區(qū)段。

圖2 零序測量導納復量圖

2 零序導納模值差絕對極大值定位方案

由零序導納復量圖可見，故障線路接地點下游零序測量導納在第一象限，模值較小;而上游零序測量導納分布在第二、第三象限，模值較大。對于諧振接地欠補償、全補償及中性點不接地的情況，故障點上游與下游零序測量導納差異明顯，可通過導納角進行可靠區(qū)分［7］。然而，諧振接地系統(tǒng)通常運行在過補償狀態(tài)，故障點上游開關處零序測量導納隨過補償度增大其導納角逐漸接近虛軸，且各互感器存在測量誤差、互感之間的參數不一致，采用導納角進行故障定位容易產生誤判，需研究更加合理的區(qū)分方法。

小電流接地故障發(fā)生后，假設互感器采集到的相應分段開關i處的零序電壓和電流信號序列分別為u0i(k)、i0i(k)，k=1～n，其中n由設置的步長及采樣數決定。本文利用不同分段開關處的測量導納Yoi定義故障參數D，其中D的表達式為:

因此分段開關i處的故障參數為:

由公式(1)、(2)、(3)、(4)知，發(fā)生小電流接地故障后，處于故障點同側的相鄰監(jiān)測點導納模值相差不大，處于故障點不同側的相鄰監(jiān)測點導納模值差異較大，故障點上游零序測量導納模值大于故障點下游，隨著補償度的增加上下游兩端的導納模值差異明顯。因此小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，相鄰檢測點的故障參數差最大，即:

式中ΔDi為第i處分段開關在一定時間內測量的導納模值和與下游相鄰分段開關處測量導納模值和之差的絕對值;ΔDg為各相鄰檢測點的模值和之差的極大值，則g點所在位置至下游的分段開關處的區(qū)段可視為故障區(qū)段。

3 仿真驗證

為了驗證以上方法的有效性，利用ATP電磁暫態(tài)軟件搭建小電流接地系統(tǒng)模型。仿真電路如圖3所示，線路總長100 km，其中五條出線L1～L5長度分別為25 km、20 km、10 km、15 km、30 km。故障發(fā)生在線路L1的12 km處，M、N、P、Q4個檢測點裝置分別安裝于線路5 km、10 km、15 km、20 km處。架空線路采用分布參數模型［10］，正序阻抗為 z1=0.17+j0.38 Ω/km，正序對地導納為 b1=3.045 μs/km;零序阻抗為 z0=0.23+j1.72 Ω/km，零序對地導納為 b0=1.884 μs/km。L5線路等效負荷阻抗為ZL=400+j20 Ω。變壓器為Y/Y0形接線，其額定容量為40 MVA，變比為110/10.5 kV，空載損耗為 35.63 kW;一次繞組的漏阻抗 Z1δ=0.4+j12.2 Ω，二次繞組的漏阻抗為 Z2δ=0.006+j0.183 Ω，勵磁電流為0.672 A，勵磁磁通為202.2 Wb，磁路電阻為400 kΩ，高壓側單相對中性點線圈電阻為0.4 Ω，低壓側單相線圈電阻為0.006 Ω。

圖3 小電流接地系統(tǒng)模型

仿真基本條件如下:故障初始相角0°，故障接地發(fā)生在NP區(qū)段內，接地電阻為500 Ω，失諧度8%，同時設定仿真步長1 μs，單相短路時間設為0.01 s，仿真終止時間0.1 s。經仿真得到系統(tǒng)零序電壓如圖4所示，故障區(qū)段兩側的零序電流如圖5所示。

由此可看出諧振接地系統(tǒng)中，故障區(qū)段兩端的零序電流相位存在相角差，但極性不再相反。將仿真得到的零序電壓與零序電流數據進行處理，依據公式(7)計算不同小電流系統(tǒng)對應的穩(wěn)態(tài)故障參數D，如表1所示。

圖4 零序電壓波形

圖5 故障區(qū)段NP兩側零序電流波形

表1 仿真結果

由表1可以看出，對于不同的消弧線圈補償狀態(tài)和過渡電阻的接地故障下，尤其對于補償度越高即導納角接近90°的接地故障下，采用零序導納模值差絕對極大值法均可正確定位，并且引入采樣序列進行故障參數計算，避免單一時刻計算的導納引起誤差，提高了定位的準確率。

4 結束語

本文在深入研究小電流接地系統(tǒng)零序測量導納分布的基礎上，提出了基于零序導納模值差絕對極大值法的小電流接地故障定位方法，通過求取線路各區(qū)段的故障參數確定了區(qū)段定位判據。方法中使用穩(wěn)態(tài)信號，無需饋線終端裝置FTU(feeder terminal units)采樣和處理暫態(tài)信號，對FTU的硬件處理能力要求較低。ATP-EMTP仿真結果表明，該方法不受消弧線圈及線路結構的影響，靈敏度高，抗過渡電阻能力強，定位結果準確，為小電流接地故障定位研究及實際應用奠定了良好的基礎。

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