基于直流注入法的新型小電流接地故障隔離和定位解決方案研究

劉紅偉　郭上華（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠?！?19060）

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基于直流注入法的新型小電流接地故障隔離和定位解決方案研究

劉紅偉郭上華
（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海519060）

摘要10kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)饋電線路單相接地故障隔離和定位解決方案，是近30年來國內(nèi)外行業(yè)專家研究的重點，特別是消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障隔離和定位解決方案一直是國內(nèi)外研究的焦點。本文結(jié)合國內(nèi)10kV配電網(wǎng)建設(shè)的特色要求，提出了一種基于直流注入法的新型小電流接地故障隔離和定位的解決方案，方案研究結(jié)果表明該方案能夠自動隔離和定位故障點，能夠可靠解決10kV全饋電線路小電流接地故障隔離和定位問題，能夠提高配電網(wǎng)接地故障處理的可靠性、快速自愈性，也能夠滿足我國配電網(wǎng)建設(shè)的實用化要求。

關(guān)鍵詞：直流注入法；配電變壓器；接地故障；故障處理

Research on New Type of Small Current Grounding Fault Isolation and Location based on DC Injection Method

Liu HongweiGuo Shanghua
（Zhuhai XJ Electric Co.， Ltd， Zhuhai， Guangdong519060））

Abstract 10kV distribution network in small current ground systematically feed line single-phase grounding fault isolation and location solution is nearly 30 years the focus of domestic and international industry experts to study， especially the grounding system single-phase grounding fault isolation and location solution is always the focus of the research at home and abroad arc suppression coil extinction. Combined with the characteristics of domestic 10kV distribution network construction， put forward a based on DC injection method of a new type of small current grounding fault isolation and location of online solutions and scheme research results show that the scheme can automatic isolation and locate the fault point， can reliably solve 10kV complete feed line in small current grounding fault isolation and location problem， can improve the distribution network earthing fault processing reliability， fast healing，is also able to meet the practical requirements of the distribution network construction of our country.

Keywords：DC injection method; distribution transformer; ground fault; fault treatment

目前，國內(nèi)10kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障處理方法已取得了大量研究成果。研究成果主要有信號注入法和故障信號暫穩(wěn)態(tài)法兩大類[1]。信號注入法主要有交流注入法、中電阻增流法、直流注入法。故障信號暫穩(wěn)態(tài)法主要有零序電流定值比較法、首半波法、功率方向法、諧波分量法、行波法、暫態(tài)特征頻段法、參數(shù)識別法、相電流突變法。各種接地故障隔離和定位方法分析對比如下：

1）交流注入法[2]：交流注入法是指通過變電站接地系統(tǒng)中性點或通過接地變壓器中性點向饋電線路注入特定頻率的交流電流信號，利用故障指示器或故障探測器來定位接地故障點。交流注入法在一定條件下能夠很好的判別線路故障，但是仍然受線路分布電容影響，當(dāng)非故障線路分支較長、接地電阻較大時，電容分流過大，仍然會造成故障誤判。

2）中電阻增流法[3]：由于小電流接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時，電流較小，很難判別界、內(nèi)外接地故障。對于不接地系統(tǒng)，中電阻增流法是在線路發(fā)生接地故障時，在變電站接地系統(tǒng)中性點并入小電阻，增大接地電流，繼電保護(hù)裝置或故障指示器通過故障電流判別界內(nèi)外接地故障；對于消弧線圈接地系統(tǒng)，發(fā)生接地故障時，自動切換為小電阻接地系統(tǒng)，便于繼電保護(hù)裝置定位接地故障點，但這種辦法增加了故障電流對線路的沖擊，甚至可能擴大故障范圍。

3）零序電流定值比較法[4]：對于小電阻接地系統(tǒng)，通過零序電流幅值與零序電流整定值比較，較為容易判別接地故障，但是對于小電流接地系統(tǒng)，較難判別；對于小電流接地系統(tǒng)，該方法只適用于用戶分支架空線路接地故障判別，分支線路容性電流遠(yuǎn)小于非故障線路容性電流或消弧線圈補償后電流遠(yuǎn)大于分支線路容性電流，可以可靠定位接地故障點。

4）首半波法、功率方向法、諧波分量法、行波法、暫態(tài)特征頻段法、參數(shù)識別法、相電流突變法[5-9]這幾種方法主要是捕捉故障時刻的暫態(tài)故障特征與穩(wěn)態(tài)特征結(jié)合實現(xiàn)接地故障定位，但受接地故障暫態(tài)特性的不確定性、間歇性、不穩(wěn)定性及過渡電阻大小等影響，應(yīng)用于配電網(wǎng)單相接地故障定位，只能一定的適用范圍內(nèi)準(zhǔn)確判別接地故障，不能解決全饋電線路單相接地故障定位。

5）直流注入法[10]：直流注入法是一種離線故障定位方法，線路失電后，通過直流源向線路注入直流電流信號，接地點與注入源形成回路，即可判定線路存在接地故障。該方法目前主要應(yīng)用于便攜式離線接地故障查找方案，線路故障后通過直流源向被測線路注入直流信號，通過人工手持信號探測器的方式探測故障點，該方法不受線路參數(shù)影響、不受接地系統(tǒng)影響，且受過渡電阻影響較小，能可靠定位故障點，但是不能自動定位故障點，人工查找較為麻煩。

綜上所述，比較各種故障隔離和定位方法，直流注入法是一種較為可靠的接地故障定位方法，但是基于直流注入法的離線接地故障查找方案不能自動進(jìn)行接地故障隔離和定位，不滿足配電自動化自動隔離和自動定位接地故障的智能化要求。本文針對現(xiàn)有基于直流注入法的離線接地故障查找方案的不足，提出一種基于直流注入法的新型小電流接地故障隔離和定位的解決方案，可以自動隔離接地故障分段、分支區(qū)域，恢復(fù)非故障區(qū)域線路供電，自動定位接地故障點。

1　直流注入法接地故障定位基本原理介紹

直流注入法單相接地故障定位的基本原理：在線路失電情況下，采用直流信號源從變電站出口斷路器或分段斷路器（負(fù)荷開關(guān)）負(fù)荷側(cè)向線路與大地間注入直流信號，電源的輸出電壓為DC 0V～DC 6000V，通過調(diào)整直流電源的電壓控制注入電流的大小，一般將電流信號控制在100mA左右。如果線路無故障則直流信號源輸出開路，輸出電流為零；如果線路有故障，則直流信號源輸出100mA電流，通過接地點故障前后的相線直流電流的大小、方向等可判別、定位線路故障點。

圖1為直流注入法單相接地故障查找定位法的示意圖，注入直流電流通過1-3-4-f路徑流入大地，并由大地返回直流電源點。電流注入后，節(jié)點1處測量12支路和13支路電流，12支路無電流流過，13支路電流為100mA，則判定支路13是故障路徑的一部分，繼續(xù)向前測量，節(jié)點3處測量支路34，支路34有電流流過，支路34也是故障路徑的一部分，節(jié)點4處測量支路45和支路46，支路45無電流流過，支路46有電流流過，則判定故障在支路46或其下游，在節(jié)點6處測量支路46電流，支路46無電流流過，則判定故障點位于支路46的某一點。對支路46可以繼續(xù)進(jìn)行等分電流測試，不斷縮小故障區(qū)域，最后可以定位故障點。

圖1　直流注入法示意圖

2　配電網(wǎng)中配電變壓器對直流法的影響分析

2.1無分支線路配電變壓器對直流注入法影響分析

理論上講，直流注入法注入的直流電流信號只能在故障路徑上故障點前檢測到，但實際上由于配電變壓器的存在，使得直流信號流動變得較為復(fù)雜。假設(shè)線路總長20km，線路C相中點f點發(fā)生接地故障，接地電阻為1000Ω，線路首、末端各有一臺三相變壓器，線路阻抗按照0.1Ω/km計算，其他線路參數(shù)忽略，變壓器等效為0Ω通路，則線路仿真電路如圖2所示。由仿真結(jié)果可知，故障點前A、B、C三相電流之和約為100mA（16.67mA＋16.67mA ＋66.68mA），C相電流最大；故障點之后A、B、C三相電流之約為0（16.66mA＋16.66mA－33.34mA），故障點前后C相電流方向相反，C相電流絕對值等于B、C相電流之和。由仿真結(jié)果可見，雖然配電變對注入直流電流有分流，故障點后電流反向流動，但電流主要通路仍然是故障線路，因為注入直流只有通過故障點才能形成回路，此外從截平面角度來看，故障點前三相電流之和等于注入電流，故障點之后三相電流之和為0，這些均可以作為單相接地故障隔離和定位的判據(jù)。

圖2　無分支線路配電變影響分析仿真電路圖

2.2有分支線路配電變壓器對直流注入法影響分析

假設(shè)在圖2網(wǎng)架基礎(chǔ)上增加10km分支線，分支線后端有變壓器，仿真電路如圖3所示，由仿真結(jié)果可見，輸入電流總和仍約為100mA，A、B、C三相電流分別為22.23mA、22.23mA、55.56mA；故障分支線路故障點前A、B、C三相電流分別為11.11mA、11.11mA、77.79mA，故障點后A、B、C三相電流分別為11.11mA、11.11mA、－22.23mA；非故障分支線路A、B、C三相電流分別為11.11mA、11.11mA、－22.23mA。雖然線路非故障相也產(chǎn)生了分流，但是故障點前后截平面法仍成立，分支線截平面三相電流之和為0，故障相電流仍最大，分支線路配電變并不影響線路單相接地故障判別。

圖3　分支線路配電變影響分析仿真電路圖

3　基于直流注入法的新型單相接地故障解決方案

圖4為單相接地故障解決方案設(shè)備及網(wǎng)架示意圖，圖中CB1—CB2為變電站出口斷路器；S1—S2為直流注入信號源；FB1—FB4為智能分段斷路器成套裝置，包括開關(guān)本體、取電PT、直流注入信號源、配電終端三大部分，安裝于主干線分段點、大分支線處；LB為智能聯(lián)絡(luò)斷路器成套裝置，包括開關(guān)本體、取電PT、直流注入信號源、配電終端三大部分，安裝于主干線聯(lián)絡(luò)點處；YB1—YB4為智能斷路器看門狗，包括開關(guān)本體、取電PT、直流傳感器，安裝于用戶分支線處；F1—F20為交直流故障指示器（示意圖中指的是安裝于故障相線），安裝于整條線路故障細(xì)分段定位點處。

直流信號源S1、S2用于配合CB1、CB2進(jìn)行接地故障預(yù)查；智能分段斷路器成套裝置FB具備集中型、就地型兩種短路故障處理功能，具備單相接地故障預(yù)查功能；LB具備聯(lián)絡(luò)點自動轉(zhuǎn)供電功能，具備短路故障閉鎖功能，具備單相接地故障預(yù)查功能；交直流故障指示器具備短路故障檢出告警功能，具備直流注入法接地故障檢出告警功能。

圖4　單相接地故障解決方案設(shè)備及網(wǎng)架示意圖

3.1故障處理過程

1）主干線F2與F3之間發(fā)生單相接地故障

（1）CB1經(jīng)過一定延時（不同接地系統(tǒng)不同延時）自動跳閘或人工手動分閘、FB1、FB3失壓分閘，如圖5所示。

圖5　故障處理過程示意圖1

（2）S1向線路注入直流電流單相接地故障探測信號，檢測到有直流電流輸出，閉鎖CB1重合閘（如果不能改變CB1，可以直接在CB1負(fù)荷側(cè)安裝智能分段斷路器成套裝置），S1退出。F1、F2、檢測到直流信號滿足單相接地故障判據(jù)條件，進(jìn)行翻牌或LED指示，并上送故障信息；F3不滿足單相接地故障條件，不變化，則定位故障點于F2與F3之間。最終接地故障處理結(jié)果如圖6所示。

圖6　故障處理過程示意圖2

2）主干線F4與F5之間發(fā)生單相接地故障

（1）CB1經(jīng)過一定延時（不同接地系統(tǒng)不同延時）自動跳閘或人工手動分閘、FB1、FB3失壓分閘，如圖7所示。

圖7　故障處理過程示意圖3

（2）S1向線路注入直流電流單相接地故障探測信號，未檢測到有直流電流輸出，退出注入信號，CB1重合閘。F1—F3未檢測到注入直流信號，狀態(tài)不變，如圖8所示。

圖8　故障處理過程示意圖4

（3）FB1帶電，通過自帶直流注入信號源，向其負(fù)荷側(cè)注入單相接地預(yù)查直流電流信號，檢測到有直流電流信號輸出，閉鎖重合閘，信號源退出。F4檢測到直流信號滿足單相接地故障判據(jù)條件，進(jìn)行翻牌或LED指示，并上送故障信息；F5、F6、F13不滿足單相接地故障判據(jù)條件，不變化，則定位故障點于F4與F5之間。最終接地故障處理結(jié)果如圖9所示。

3）大分支線F14與F15之間發(fā)生單相接地故障

（1）CB1經(jīng)過一定延時（不同接地系統(tǒng)不同延時）自動跳閘或人工手動分閘、FB1、FB3失壓分閘，如圖10所示。

圖9　故障處理過程示意圖5

圖10　故障處理過程示意圖6

（2）S1向線路注入直流電流單相接地故障探測信號，未檢測到有直流電流輸出，退出注入信號，CB1重合閘。F1—F3未檢測到注入直流電流信號，狀態(tài)不變，如圖11所示。

圖11　故障處理過程示意圖7

（3）FB1帶電，通過自帶直流注入信號源，向其負(fù)荷側(cè)注入單相接地預(yù)查直流電流信號，未檢測到有直流電流輸出，退出注入信號，F(xiàn)B1重合閘。F4—F6、F13未檢測到注入直流信號，狀態(tài)不變，如圖12所示。

圖12　故障處理過程示意圖8

（4）FB3帶電，通過自帶直流注入信號源，向其負(fù)荷側(cè)注入單相接地預(yù)查直流電流信號，檢測到有直流電流信號輸出，閉鎖重合閘，信號源退出。F4檢測到直流信號滿足單相接地故障判據(jù)條件，進(jìn)行翻牌或LED指示，并上送故障信息；F15、F16、YB1、YB2不滿足單相接地故障判據(jù)條件，不變化，則定位故障點于F14與F15之間。最終接地故障處理結(jié)果如圖13所示。

圖13　故障處理過程示意圖9

4）用戶分支線YB2界內(nèi)發(fā)生單相接地故障

（1）CB1經(jīng)過一定延時（不同接地系統(tǒng)不同延時）自動跳閘或人工手動分閘、FB1、FB3失壓分閘，如圖14所示。

圖14　故障處理過程示意圖10

（2）故障處理過程同3.1中1），逐級預(yù)查，F(xiàn)B3帶電后，通過自帶直流注入信號源，向其負(fù)荷側(cè)注入單相接地預(yù)查直流信號，檢測到有直流電流信號輸出，閉鎖重合閘，信號源退出。YB2檢測到直流信號滿足單相接地故障判據(jù)條件，分閘，并上送故障信息；F14—F16、YB1不滿足單相接地故障判據(jù)條件，不變化，則定位故障點于YB2界內(nèi)，如圖15所示。

圖15　故障處理過程示意圖11

（3）主站系統(tǒng)收到Y(jié)B2故障分閘信息后，可遠(yuǎn)程遙控FB3恢復(fù)線路供電，故障處理結(jié)果如圖16所示。

5）CB1負(fù)荷側(cè)線路故障，聯(lián)絡(luò)點自動轉(zhuǎn)供電功能

CB1負(fù)荷側(cè)某段線路發(fā)生故障，LB失壓延時轉(zhuǎn)供電，LB轉(zhuǎn)供電合閘之前，先進(jìn)行單相接地故障預(yù)查，預(yù)查無故障后，再進(jìn)行合閘。方法同上述1）至3）故障處理過程。

圖16　故障處理過程示意圖12

3.2基于直流注入法的新型單相接地故障解決方案優(yōu)缺點

1）方案優(yōu)點

（1）相比線路交流注入法或者特殊信號注入法，直流注入法不受線路分布電容、線路電感影響，信號無衰減、穩(wěn)定可靠。

（2）適用于架空、電纜線路，線路允許長度不受限制，不受線路分支影響。

（3）停電進(jìn)行信號注入故障探測，干擾較小，可靠性較高。

（4）采用DC 6000V、100mA電流源，接地故障過渡電阻可達(dá)60K，線路長度不受限制。

（5）故障指示器無需采集線路零序電流，通過相電流即可判別接地故障，現(xiàn)場可通過故障指示器信號定位故障點。

2）方案缺點

（1）線路對地直流電阻需要大于1MΩ，零序PT等接地設(shè)備會影響故障判別。

（2）線路需要進(jìn)行停電故障預(yù)查，變電站出口斷路器需要進(jìn)行一次重合閘。

4　結(jié)論

本文通過配電網(wǎng)饋電線路主干線加裝分段斷路器實現(xiàn)主干線接地故障分段隔離故障、用戶側(cè)加裝斷路器看門狗實現(xiàn)用戶接地故障直接隔離，通過在全線路加裝故障指示器進(jìn)行接地故障細(xì)分段定位，斷路器成本較高，實現(xiàn)分段和分界故障隔離滿足實用化要求；故障指示器成本低廉，實現(xiàn)接地故障定位作用，滿足配電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟性、實用性要求。此外，該方案加入相電流定值比較法，可以準(zhǔn)確定位短路故障。因此，基于直流注入法的新型小電流接地故障和定位解決方案是一種全饋電線路故障隔離和定位的實用化解決方案，推廣應(yīng)用具有較大意義。

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劉紅偉（1983-），男，工程碩士，研發(fā)部長，主要從事10kV智能配電終端、配電成套設(shè)備及無線供電設(shè)備的研究開發(fā)工作。

作者簡介