高精度檢測錄波終端在配網運維中的應用

李洪濤 唐先武 劉日亮 史 永

1.國網北京市電科院 北京 100075

2.北京映翰通網絡技術股份有限公司 北京 100015

3.國家電網公司 北京 100033

0 引言

中性點小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判斷一直是困擾10kV線路運行的大問題。小電流接地配電網在發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)中只產生很小的接地電流，三相線電壓依然對稱，并不影響系統(tǒng)的正常工作。按照我國電力操作規(guī)程，小電流接地配電網可以帶故障運行2小時，在此期間瞬時和短時間單相接地故障會自行消失，配電網無需跳閘停電，提高了供電可靠性，這也是小電流接地在我國配電網得到廣泛應用的原因。單相接地故障是小電流接地配電網所有故障中發(fā)生最頻繁的一種，約占所有故障的50~80%。在發(fā)生長時間單相接地故障后，必須盡快找到單相接地故障點，排除故障。否則接地故障產生的過電壓和接地電流，可以導致電纜燒損、電壓互感器燒毀、開關柜損壞等電力系統(tǒng)事故。同時接地線路如果當作正常線路長期運行，會給當地居民、家畜安全帶來極大的隱患。近年來，多起人身觸電、開關柜燒損、電纜起火等惡性事故時有發(fā)生，極大地威脅了電網安全生產。［1－2］

我們已不能用傳統(tǒng)的思路來看待小電流接地系統(tǒng)單相接地的問題，國家電網公司數據：中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)的變電站比例為28.2%，不接地系統(tǒng)的變電站的比例是68.5%，比例巨大。中國廣大的郊區(qū)和農村普遍采用架空線路，絕大部分采用小電流接地方式，由于線路總長度大、分支多、地理環(huán)節(jié)復雜，單相接地故障查找困難，有效地故障判斷技術收效大。

在饋線自動化方面，線路開關FTU集成選線模塊，與選線技術相配合，實現了單相接地判斷從選線到選段的進步［3－4］。但由于城郊和農村配網長線路比例很高，還需要進一步的進行單相接地故障定位。

1 高精度檢測終端采用的技術

1.1 采用電子式電流互感器拾取電流信號

傳統(tǒng)電磁式互感器由于采用電磁感應原理，利用鐵磁性材料作為測量磁路，在測量的線性度、帶寬、暫態(tài)響應上性能稍差，特別是在大電流時鐵磁性材料會飽和。為了更好地拾取配電網線路電流信號，高精度檢測錄波終端在三相線路上安裝的采集單元采用電子式電流互感器測量電流，電子式電流互感器具有低噪聲、高線性度、高精度和高帶寬的特點。

1.2 采用高采樣率采集暫態(tài)電流信號

為了能準確記錄小電流接地配電網發(fā)生單相接地故障時線路上的暫態(tài)電流信號，采集單元采用4kHz采樣率對線路電流信號進行采集，可以記錄帶寬在1000Hz以內的小電流接地故障暫態(tài)電流信號。

1.3 采用電流突變和電場突變觸發(fā)錄波

為了能記錄下故障發(fā)生瞬時前后的線路電流和線路對地電場波形，采集單元采用電流突變和電場突變作為觸發(fā)條件，啟動錄波。

1.4 采用三相高精度無線同步對時疊加生成零序電流

為了能在架空線上獲得零序電流，三相采集單元通過三相之間進行高精度無線同步對時，通過時間精確同步的三相電流信號直接疊加來生成零序電流，時間同步誤差可以控制在±100us以內，三相相角誤差在±1.8°。

2 高精度檢測終端性能指標實測

2.1 電子式電流互感器線性度與測量誤差

使用采集單元的電子式電流互感器，測量如下電流值交流電流：20A，25A，30A，200A，300A，400A，500A，600A，700A，一個典型的測量值和真實值之間的關系如圖1所示，相應的測量誤差如圖2所示。

通過圖1和圖2，可以發(fā)現采集單元的電子式電流互感器具有較高的測量線性度，而且精度等級可以達到1級。

圖1 電子式電流互感器測量線性度

圖2 電子式電流互感器典型測量誤差

2.2 現場測試

為了進一步檢驗電子式電流互感器的性能，還對其進行了現場測試，將線路狀態(tài)監(jiān)測器安裝在架空線柱上開關附近，用電子式電流互感器線路電流有效值測量結果和柱上開關內電流互感器測量結果比對，在甲供電公司A路2號桿前安裝的線路狀態(tài)監(jiān)測器和A路215開關的負荷電流測量值比對結果如圖3所示。

圖3 線路最大負荷電流100A～200A比對結果

從圖3可以看出，A路2號桿前線路狀態(tài)監(jiān)測器和開關電流測量結果基本趨勢保持同步，誤差分布為正態(tài)分布，平均誤差為1.1A。

2.3 三相合成零序電流性能測試結果

零序電流由三相合成，這要求三只TA精度高、性能一致、對時誤差非常小，線路投運通過勵磁涌流時是一個判斷典型情況，我們可以考察其零序電流合成結果。

如圖4所示，圖中黃、綠、紅分別代表U、V、W三相電流，黑色為3倍零序電流3I0，橫軸為采樣點序號，采樣率4kHz，縱軸為電流，單位為A。可以發(fā)現盡管線路上出現了波形嚴重畸變的勵磁涌流，但是由于是不接地配電網，零序電流應該仍然近似為0。

圖4 線路出現勵磁涌流時的零序電流合成結果

3 應用于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的可行性和實踐

3.1 總體布置

總體布置如圖5所示，在小電流接地系統(tǒng)線路上的一些關鍵監(jiān)測點，安裝高精度檢測錄波終端，每一套終端包括安裝在三相線路上的采集單元和安裝在桿塔上的太陽供電匯集單元。

圖5 總體布置

3.2 基本原理

小電流接地配電網單相接地故障過程中的零序電壓和零序電流信號如圖6所示。具體過程如下：

2）在故障發(fā)生瞬間，由于接地相的相地電壓跌落和非接地相的相地電壓上升，會產生一個幅度不為0的工頻零序電壓，同時還會產生一個幅度為It的暫態(tài)高頻零序電流，持續(xù)時間很短，一般不超過20ms；

3）經過大約20ms的暫態(tài)過程之后，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)過程，相對于暫態(tài)高頻零序電流幅度It，穩(wěn)態(tài)工頻零序電流幅度Is很小。

圖6 小電流接地配電網單相接地故障過程

通過上述單相接地故障具體過程，可以知道為了準確檢測定位小電流接地配電網單相接地故障，最好是利用暫態(tài)高頻零序電流信號。同時根據理論分析和現場錄波結果發(fā)現，小電流接地配電網單相接地過程中產生的高頻暫態(tài)零序電流信號，具有如圖7所示的分布規(guī)律：

圖7 小電流接地配電網單相接地故障高頻暫態(tài)零序電流信號分布規(guī)律［4］

1）非故障線路和故障線路的高頻暫態(tài)零序電流信號不同。一般情況下暫態(tài)電流方向相反；

2）故障線路上故障點前和故障點后的高頻暫態(tài)零序電流信號不同。

智能化配電網架空線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就是依據上述規(guī)律進行單相接地故障檢測定位，具體過程如下：

1）監(jiān)測點線路采集單元觸發(fā)錄波

單相接地故障發(fā)生時，接地相的相地電壓跌落，導致相地電場也會跌落，非接地相的相地電壓升高，導致相地電場也會升高，同時接地相和非接地相上會產生高頻暫態(tài)電流，這些異常變化可以觸發(fā)采集單元錄波。

李老黑就是李老黑，他根本不管這個那個的，布置完任務，李老黑丟下我轉身就走。走出幾步又折回身來說，我納悶了半天，你黑板上那幾個字啥意思啊四眼兒張。

2）獲取各個監(jiān)測點高頻暫態(tài)零序電流信號

每個監(jiān)測點的三相采集單元時間是同步的，這樣可以通過處理得到各個監(jiān)測點的零序電流信號，進一步還可以得到高頻暫態(tài)零序電流信號。

3）網絡化分析高頻暫態(tài)零序電流信號

根據圖7所示的高頻暫態(tài)零序電流信號在配電網線路上的分布規(guī)律，就可以進行單相接地故障的檢測定位，定位出故障點位于哪兩個監(jiān)測點之間的區(qū)段。

3.3 實踐情況

為了探索高精度檢測錄波終端在配網運維上的應用，北京市供電公司分別在甲供電公司和乙供電公司進行了試點工作，其中甲供電公司總計在6個變電站30套線路上安裝了113套終端，變電站接地方式為經消弧線圈接地方式，乙供電公司總計在1個變電站5條線路上安裝了16套終端，變電站接地方式為經消弧線圈接地。

乙供電公司試點工作開始于2015年6月10日，在此之前B路已經發(fā)生了多起接地故障，因而在B路上安裝了10套設備用于故障區(qū)段定位，同時在C路和D路出線1號桿處各安裝了1套，用于定位接地線路。在2015年7月28日凌晨3時44分，乙供電公司B路發(fā)生一起接地故障，在B路、C路、D路上安裝的高精度檢測錄波終端記錄下了故障瞬間的電流和對地電場波形。由于接地故障發(fā)生在線路末端，現給出B路故障點前兩個終端和C路出線處終端的錄波波形，說明故障判斷原理以及波形反映的故障信息。如圖8所示：

根據小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的基本原理，從圖8的波形中可以發(fā)現如下信息：

圖8 2015年7月28日凌晨3時44分乙供電公司B路接地故障錄波波形

本次接地故障的故障相為W相。W相對地電場幅值顯著下降，而另外兩相幅值顯著升高，符合小電流接地系統(tǒng)單相接地故障接地相對地電壓下降、非接地相對地電壓升高的一般規(guī)律。

本次接地故障為弧光接地故障。通過故障線路零序電流波形可以明顯地看到在非接地相對地電場幅度升高時刻產生的放電尖峰電流，這是由于非接地相對地電壓升高導致絕緣擊穿發(fā)生弧光放電產生的。

故障線路故障點前的零序電流波形高度相似，暫態(tài)電流幅度很大；

非故障線路與故障線路故障點前的零序電流波形不相似，暫態(tài)電流幅度也很小。

4 短路和接地故障記錄和演化過程推斷

通過檢測錄波終端，可以推演故障發(fā)生的過程。對于多次雷擊造成的單相接地乃至發(fā)展到相間短路、單相接地發(fā)展到異相異地短路的過程。

案例1：雷擊導致的相間短路跳閘故障

該高精度檢測錄波終端于2013年在丙公司D路試點期間，成功地記錄下了一起由于多次雷擊直接導致線路發(fā)生短路跳閘的全過程。距離雷擊點最近的一套終端共記錄下了5次嚴重的雷擊事件和最終短路故障瞬間的波形，如圖9所示。

圖9 2013年5月19日丙公司D路記錄下的多次雷擊導致短路故障波形

通過圖9，可以發(fā)現如下信息：

雷擊線路瞬間，會對線路電流和對地電壓產生較大擾動，此時三相對地電場將瞬間趨于同相。

多次雷擊線路會導致線路絕緣受損，最終導致相間短路，上述短路故障發(fā)生時，首先是雷擊導致V、W兩相發(fā)生兩相相間短路，隨后演變成三相短路。

上述例子也反映了通過高精度檢測錄波終端的錄波波形，可以更進一步地了解短路故障的發(fā)生原因、演變過程，提供更為豐富的信息。

案例2：接地導致的兩點接地短路故障

該高精度檢測錄波終端于2015年在甲供電公司試點期間，成功地記錄下了多起兩點接地短路故障，現給出其中比較典型的1起故障錄波波形。

該故障發(fā)生于 2015年 6月 26日 09：57：56，通過E路 56支2號桿和56支40號桿在09：57：56記錄的波形，如圖10所示。

圖10 2015年6月26日09∶57∶56甲供電公司兩點接地短路故障錄波波形

通過圖10，可以發(fā)現如下信息：

E路存在兩處接地點，一處位于56支2號桿和56支40號桿之間，接地相為W相，另一處位于56支40號桿后，接地相為V相。因為56支2號桿記錄下V、W相出現短路電流，而56支40號桿只記錄下V相出現短路電流，且該短路電流只在400A左右。

E路56支87號桿分段開關檢測到短路電流，分閘，切除了56支40號桿的接地故障點，56支2號桿到56支40號桿之間的接地點也隨后消失，這是峪口站接地故障在09∶58∶04消失的原因。

2014年至2015年在國家電網甲供電公司和乙供電公司試點期間發(fā)現，配網線路故障高發(fā)季節(jié)往往是當地雷雨高發(fā)季節(jié)，同時雷雨天是故障高發(fā)時段，一些線路往往是在故障發(fā)生前一次或前幾次雷雨天氣下遭受多次雷擊。

2014年至2015年在國家電網甲供電公司和丙公司試點期間發(fā)現，一些配網線路永久接地故障或永久短路故障發(fā)生前，往往會發(fā)生多次瞬時接地故障。

5 結論

對于小電流接地架空配電網來說，存在著大量由于絕緣子或設備外絕緣閃絡破損、避雷器擊穿等造成的持續(xù)或瞬時接地故障，這些接地故障盡管在發(fā)生時不會出現跳閘停電，不會影響供電連續(xù)性。但是對這些故障不及時加以處理，可能會導致嚴重停電事故發(fā)生，如劣化的絕緣子避雷器不加以更換，在雷擊發(fā)生時，就有可能被擊穿，導致短路跳閘。對于配電網來說，故障高發(fā)季節(jié)一般就是雷雨季節(jié)，雷雨天氣也是故障高發(fā)時間段，通過高精度檢測錄波終端發(fā)現，多次雷擊后可能發(fā)生單相接地，單相接地不及時處理可能會發(fā)展成為兩相短路接地或異相異地接地。對配電網發(fā)生的持續(xù)或瞬時接地故障，進行檢測定位，統(tǒng)計其出現頻率，分析其出現規(guī)律，就可以指導配電網運維人員進行提前預安排，消除故障隱患，避免嚴重停電事故發(fā)生。

眾所周知，設備檢修經歷了故障檢修、定時檢修，最終發(fā)展到狀態(tài)檢修（只在設備出現要壞的征兆才檢修）。引入高精度檢測錄波終端，不僅僅可以檢測定位接地故障，還可以為配電網運維人員提供一種強大的工具，使得配電網運維人員可以更好地掌握配網的運行狀態(tài)，從故障發(fā)生時的被動處理，轉向可以提前計劃、更有目的性的狀態(tài)檢修。

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