配電網(wǎng)開閉所選線方式及故障定位研究

陳先恩（中石化巴陵分公司物資裝備部）

配電網(wǎng)開閉所選線方式及故障定位研究

陳先恩
（中石化巴陵分公司物資裝備部）

摘 要：本文簡要介紹了一種應(yīng)用于配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)的故障選線和區(qū)段定位的技術(shù)方案。配電網(wǎng)中性點(diǎn)一般經(jīng)消弧線圈接地，配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，變電所通過并聯(lián)中電阻選線裝置準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)選擇故障線路，變電所下轄開閉所通過二級選線裝置進(jìn)一步選出支線，開閉所下級配電及終端支線的使用故障指示器實(shí)現(xiàn)區(qū)段定位。

關(guān)鍵詞：消弧線圈；開閉所；并聯(lián)中電阻；故障選線

0　引言

配電網(wǎng)開閉所或開關(guān)站（下簡稱“開閉所”）常用于電力系統(tǒng)及大型的工礦企業(yè)。在用電企業(yè)中，因負(fù)荷比較分散，為降低線損，采用多級開閉所方式。開閉所配有母線和開關(guān)柜，變電站的出線首先接入開閉所，再分出多路出線到各個負(fù)荷集中的變配電室或車間變電所。配電站有環(huán)網(wǎng)式（用環(huán)網(wǎng)柜）、終端式，配電站帶有配變，一般可設(shè)二臺配變，以提高供電可靠性。

配電網(wǎng)系統(tǒng)的中性點(diǎn)多采用消弧線圈接地方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，消弧線圈產(chǎn)生的感性電流及時(shí)地補(bǔ)償系統(tǒng)的電容電流，減小了故障點(diǎn)的故障電流，降低系統(tǒng)的過電壓水平，使電網(wǎng)系統(tǒng)能夠帶故障運(yùn)行2h。但接地故障時(shí)，由于消弧線圈的電流補(bǔ)償作用，故障線路的故障電流較小，給接地故障選線和故障定位帶來了困難。本文在分析總結(jié)現(xiàn)有故障定位方法[3,4]基礎(chǔ)上，組建了一種新的故障區(qū)段定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)借助并聯(lián)中電阻，根據(jù)系統(tǒng)電壓和各出線段的零序電流，計(jì)算出各出線段的故障特征值，找出故障區(qū)段，大大提高了故障定位的準(zhǔn)確性。

1　變電所接地故障選線

要實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位，首先要在變電所實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的接地故障選線；在消弧接地系統(tǒng)中，接地故障時(shí)故障電流較小，常用的選線方法有一定的局限性。利用投切并聯(lián)中電阻的方法，則可以有效地解決因故障電流較小而判定不出故障線路或故障區(qū)段的問題。帶并聯(lián)中電阻的小電流接地系統(tǒng)如圖1所示，圖中，T為帶中性點(diǎn)的變壓器；L為消弧線圈；R為并聯(lián)中電阻；K為真空接觸器；M為母線；C1、C2，…，C6為各出線的對地電容；d為接地故障點(diǎn)。

圖1　帶并聯(lián)中電阻的小電流接地系統(tǒng)圖

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，真空接觸器K斷開，并聯(lián)中電阻不投入運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，并聯(lián)中電阻短時(shí)間內(nèi)投入系統(tǒng)，增大故障線路的故障電流，0.5s后從系統(tǒng)中切出并聯(lián)中電阻，根據(jù)并聯(lián)中電阻投切前后故障線路與正常線路零序電流的變化不同，判定出故障線路。

故障線路具體判定過程為：

1）當(dāng)系統(tǒng)單相接地，按設(shè)定的延時(shí)時(shí)間投并聯(lián)電阻（投入時(shí)間小于1s）；

2）采樣各線路零序電流和系統(tǒng)電壓；

3）切除并聯(lián)電阻，采樣各線路零序電流和系統(tǒng)電壓；

主要試劑：蛋白胨和牛肉膏(均購置北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司)，十二烷基硫酸鈉(SDS)，NaCl、H2O2、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、溴酚藍(lán)、甘油、甲醇和無水乙醇(均購置天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)，瓊脂(海南省瓊海市長青瓊脂廠)，丙烯酰胺、過硫酸氨、甘氨酸(電泳級)、冰乙酸和考馬斯亮藍(lán)(R250)(均購置天津博迪化工股份有限公司)，三羥甲基氨基甲烷(Tris，天津市鼎盛鑫化工有限公司)，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺和四甲基乙二胺(TEMED)(均購置天津市大茂化學(xué)試劑廠)，Cry1Ac蛋白(純度96%)及其酶聯(lián)免疫試劑盒(上海佑隆生物科技有限公司)。

4）計(jì)算各線路并聯(lián)中電阻投切前后的故障信號特征值；

5）根據(jù)各線路的故障信號特征值判斷故障線路。

投切并聯(lián)中電阻選線的各線路零序電流波形如圖2所示，系統(tǒng)中有3條線路，其中1號線路發(fā)生了接地故障，短時(shí)間投入并聯(lián)中電阻，只有1號線路的零序電流發(fā)生了較大的變化，而其他線路變化較小，因此可以根據(jù)這一變化判定故障線路。

圖2　各出線的零序電流波形圖

系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，利用投切并聯(lián)中電阻方法，根據(jù)故障出線與非故障出線的零序電流變化量不同，判定故障出線段，解決了小電流接地系統(tǒng)故障線路判定不準(zhǔn)確的問題。

2　開閉所二級選線

當(dāng)變電所通過投切中電阻技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的故障選線，但無法進(jìn)一步判斷下一級開閉所的哪一條出線出現(xiàn)故障。

所以有必要對類似系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析，實(shí)現(xiàn)在同等電網(wǎng)架構(gòu)下開閉所的故障選線。針對該類型系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)變電站、開閉所在發(fā)生接地時(shí)同時(shí)選線，變電所的選線裝置實(shí)現(xiàn)一級選線，將故障定位到開閉所；開閉所的選線裝置利用變電所投切中電阻產(chǎn)生的信號實(shí)現(xiàn)二級選線，可一步步找出末端故障線路。

該電網(wǎng)系統(tǒng)由變電站和若干開閉所組成，變電站與開閉所的電氣主接線如圖3所示。

圖3　變電站與開閉所電氣主接線圖

在每個開閉所安裝選線控制器，一旦發(fā)生單相接地故障，首先變電站的消弧線圈控制器可判斷出哪個開閉所發(fā)生故障；然后在該開閉所的選線控制器可進(jìn)一步判斷出下一級開閉所的故障，一步步排查，最終找到故障線路。

3　配網(wǎng)分支故障定位

3.1 基于FTU實(shí)現(xiàn)電纜故障定位

基于FTU（饋線終端單元）的故障區(qū)段定位方法，即在線路開關(guān)處安裝FTU，通過FTU監(jiān)測線路上的故障信息，并把監(jiān)測結(jié)果通過通訊網(wǎng)絡(luò)送至監(jiān)控平臺系統(tǒng)，監(jiān)控平臺系統(tǒng)系統(tǒng)根據(jù)一定的故障定位算法，自動判定故障區(qū)段。該方法根據(jù)各開關(guān)處的故障信息，實(shí)現(xiàn)接地故障區(qū)段定位。

3.2 基于故障指示器解決架空線故障定位

故障指示器掛在線路上，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障指示器翻牌或亮燈，用戶根據(jù)故障指示器的指示情況判定故障區(qū)段。該方法對于故障電流較大的相間短路故障，準(zhǔn)確率較高，對于故障電流較小的單相接地故障，準(zhǔn)確率很低，而且需要人工查找，不能實(shí)現(xiàn)自動故障區(qū)段定位。

4　故障區(qū)段定位系統(tǒng)

綜合上述變電站接地選線、開閉所二級選線及配網(wǎng)末端分支的故障指示多級技術(shù)手段，形成的一套故障區(qū)段定位系統(tǒng)的解決方案。

故障區(qū)段定位方案利用投切中電阻信號，利用并聯(lián)中電阻方法的優(yōu)點(diǎn)，提高故障區(qū)段定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本案中的故障區(qū)段定位系統(tǒng)包括如下幾個部分：故障定位監(jiān)控平臺、并聯(lián)中電阻、監(jiān)測終端、電壓互感器、故障指示器。故障區(qū)段定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

故障定位監(jiān)控平臺由高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和智能故障定位系統(tǒng)軟件組成，它負(fù)責(zé)對變電站、開閉所、配電站的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，收集由監(jiān)測終端上傳來的故障信息，對故障信息進(jìn)行處理和分類，根據(jù)可靠的、準(zhǔn)確的故障信息判定故障位置。

圖4　基于并聯(lián)中電阻的故障區(qū)段定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

監(jiān)測終端以PC104、DSP為內(nèi)核，通過電壓互感器、零序電流互感器采樣電壓信號和各線路零序電流信號，對變電站、開閉所、配電站電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處的監(jiān)測終端報(bào)接地故障，并將故障信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給配電網(wǎng)故障定位監(jiān)控平臺。變電站的監(jiān)測終端，負(fù)責(zé)控制真空接觸器，投切并聯(lián)中電阻。

故障區(qū)段定位系統(tǒng)的故障判定過程：電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，放置在變電站、開閉所、配電站的監(jiān)測終端不斷地監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)的電壓和各出線的零序電流，中性點(diǎn)的并聯(lián)中電阻不投入運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬間接地故障或干擾時(shí)，監(jiān)測終端監(jiān)測判定后，不報(bào)接地故障，并聯(lián)中電阻不動作；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生永久性接地故障時(shí)，變電站內(nèi)的并聯(lián)中電阻在監(jiān)測終端的控制下瞬間投切，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)上監(jiān)測終端報(bào)接地故障，并把并聯(lián)中電阻投切前后各節(jié)點(diǎn)處的電壓、各出線的零序電流信號通過GPRS通訊模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到配電網(wǎng)故障定位監(jiān)控平臺，配電網(wǎng)故障定位監(jiān)控平臺將收集來的故障信息進(jìn)行處理和分類，將有效的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，而后配電網(wǎng)故障定位監(jiān)控平臺啟動故障定位功能，根據(jù)收集到的各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的電壓、各出線零序電流故障信息，通過并聯(lián)中電阻故障判定方法，準(zhǔn)確地判定故障區(qū)段。故障指示器根據(jù)投資額度，可選用帶廣域無線通信功能的智能故障指示器，也可選用簡單翻牌式。

與現(xiàn)有的故障定位系統(tǒng)產(chǎn)品相比，基于并聯(lián)中電阻的故障定位系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1）采用電網(wǎng)中性點(diǎn)瞬間投切并聯(lián)中電阻的方法，短時(shí)間內(nèi)增大了故障點(diǎn)的零序電流，有利于成套裝置正確采樣、準(zhǔn)確判定；

2）發(fā)生接地故障時(shí)，變電站、開閉所、配電站各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的電氣信息都上傳到故障定位監(jiān)控平臺，故障定位監(jiān)控平臺軟件對收集來的信息進(jìn)行分析、處理、分類，篩選有效的故障信息，然后對有效的故障信息進(jìn)行綜合分析，避免了錯誤信息、干擾信息、信息丟失等因素造成的故障判定不準(zhǔn)確的情況，大大提高故障定位準(zhǔn)確性；

3）監(jiān)測終端安裝在變電站、開閉所、配電站內(nèi)，安裝方便，有可靠的供電電源，可靠性高，成本較低；

4）通過故障指示器，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)末端的精確區(qū)段定位。如選用帶廣域無線通信功能的智能故障指示器，可實(shí)現(xiàn)全部信息在監(jiān)控平臺上集中顯示和處置。

5　結(jié)束語

本文在分析總結(jié)開閉所選線方法的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)中故障定位產(chǎn)品的不足，借助并聯(lián)中電阻組建一種新的配電網(wǎng)故障區(qū)段定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電氣信號測量和故障判定方法都較以往的產(chǎn)品有很大的改進(jìn)，避免了現(xiàn)有故障定位產(chǎn)品在小電流接地系統(tǒng)中應(yīng)用上的不足，較好地實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)開閉所系統(tǒng)中故障區(qū)段定位。

參考文獻(xiàn)

[1] 計(jì)建仁, 濮衛(wèi)萍. 消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地的選線原理和應(yīng)用[J]. 浙江電力, 2003(3): 51-54.

[2] 要煥年, 曹梅月. 電力系統(tǒng)諧振接地[M]. 北京: 中國電力出版社, 2000.

[3] 張國平, 揚(yáng)明皓. 配電網(wǎng)10kV線路單相接地故障區(qū)段定位的有效方法[J]. 繼電器, 2005, 33(8): 34-37.

[4] 夏雨, 賈俊國, 靖曉平, 等. 基于新型配電自動化開關(guān)的饋線單相接地故障區(qū)段定位和隔離辦法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(1): 102-106.

收稿日期：（2015-05-20）