基于磁場測量的配電網(wǎng)單相接地選線及定位新方法

田 書，王亞彩，王曉衛(wèi)，尚鵬輝

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基于磁場測量的配電網(wǎng)單相接地選線及定位新方法

田 書，王亞彩，王曉衛(wèi)，尚鵬輝

(河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

輸電線路發(fā)生接地故障時(shí)，架空線下方磁場能反映線路故障信息。輸電線路短路電流大小不同，線路下方磁場相應(yīng)地不同，即輸電線路下方磁場的變化能夠完全反映線路中電流的變化，磁場可以應(yīng)用到電力系統(tǒng)保護(hù)中。配電網(wǎng)多為單端電源供電方式，針對配電網(wǎng)的復(fù)雜性及傳統(tǒng)定位方法精度不高提出了一種基于磁場的非接觸式故障選線及定位的新方法。利用磁阻傳感器非接觸測量桿塔下方磁場，根據(jù)磁場的幅值和相位選出故障線路，確定故障點(diǎn)位置。磁阻傳感器測量精度高，成本低，故障距離可以確定在兩個(gè)桿塔之間。利用MATLAB建立線路模型，仿真驗(yàn)證了理論的可行性。

磁場；架空線；配電網(wǎng)；故障選線；故障定位

0 引言

小電流接地系統(tǒng)因具有供電可靠性高和單相接地故障時(shí)對設(shè)備沖擊小的優(yōu)點(diǎn)而在我國配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。配電網(wǎng)配電線路較短，中性點(diǎn)主要采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，多為單電源供電方式。單相接地是配電網(wǎng)的常見故障，占線路總故障的70%~ 80%，在發(fā)生單相故障后允許帶故障運(yùn)行1~2 h[1]。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)盡快選出故障線路。人們對此進(jìn)行了大量的研究，提出了基于不同原理的多種選線方法。目前故障選線的方法主要有穩(wěn)態(tài)法[2-3]、暫態(tài)法[4-6]、信號注入法[7]和選線方法的多判據(jù)融合[8-9]等?；诜€(wěn)態(tài)量的選線方法穩(wěn)態(tài)信號數(shù)值小，容易造成選線誤判；基于暫態(tài)量選線方法雖然數(shù)值較大易于測量，但受電弧不穩(wěn)影響，而且絕對量的整定存在困難；注入法存在增加附加設(shè)備、注入信號微弱、選線可信度不高的缺點(diǎn)。因此，理論上雖有各種選線方案，但實(shí)際應(yīng)用的效果并不理想。

對于配電網(wǎng)，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障點(diǎn)定位一直也是故障測距研究中的難題[10]。在線路故障后迅速準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)，不僅能及時(shí)修復(fù)線路和保證可靠供電，而且對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的作用。目前故障定位的方法主要有行波法和阻抗法。文獻(xiàn)[11]提出了考慮電流行波極性和電壓行波極性的綜合行波極性判別法。在配電網(wǎng)多分支下的短線路中，硬件和軟件都無法實(shí)現(xiàn)行波法準(zhǔn)確定位。文獻(xiàn)[12]采用分布參數(shù)建模，利用故障點(diǎn)電壓瞬時(shí)值過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算測量阻抗，提出了一種新的單端故障測距方法。阻抗法主要適用于中性點(diǎn)有效接地配電系統(tǒng)，對于中性點(diǎn)非有效接地配電系統(tǒng)，其應(yīng)用受到較大限制。而且阻抗法誤差較大，其定位精度受負(fù)荷變化、過渡電阻等因素的影響較大，無法排除偽故障點(diǎn)。文獻(xiàn)[13]針對雙端電源超高壓輸電線路，通過檢測下方磁場的相位進(jìn)行故障測距。

隨著配電網(wǎng)綜合自動化技術(shù)的發(fā)展和用戶對供電質(zhì)量要求的不斷提高，原有配電網(wǎng)中的饋線故障檢測方法已不能滿足需求。如何快速、準(zhǔn)確地對配電線路故障進(jìn)行診斷定位，提高配電線路運(yùn)行可靠性已成為人們比較關(guān)注的問題[14]。配電網(wǎng)多為單端供電，本文針對配電網(wǎng)提出了一種利用磁阻傳感器非接觸式測量線路下方磁場進(jìn)行故障選線和定位的新方法。磁阻傳感器響應(yīng)速度在0~100 kHz或以上，供電電壓在1~5 V，工作溫度在-40~150℃，分辨率小于，其靈敏度和線性度等各方面的性能明顯優(yōu)于霍爾器件。利用磁阻傳感器非接觸測量桿塔下方磁場，通過磁場的幅值和相位選出故障線路，定位故障點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的直接接觸式檢測方法，磁阻傳感器能非接觸線路準(zhǔn)確檢測架空線下方三維磁場，提高了電氣安全性，檢測精度高，故障定位可以精確到一個(gè)跨距；另外其成本低，工作電壓低，微功耗，可以內(nèi)置后備電池，工作可靠；在桿塔下方易安裝，可以進(jìn)行不斷電安裝及檢修。

1 架空線路下方磁場特性分析

架空輸電線路周圍的工頻電磁場，雖隨時(shí)間變化，但變化很緩慢，此時(shí)可以忽略電磁感應(yīng)作用，即輸電線路的工頻電磁場屬于準(zhǔn)靜態(tài)電磁場。輸電線路工頻交變電場是一種準(zhǔn)靜態(tài)場，工頻磁場僅由電流產(chǎn)生，即可以認(rèn)為工頻電場和磁場是分開的。在一般情況下，計(jì)算架空線下的磁場時(shí)只考慮處于空間的導(dǎo)線，而不考慮它的鏡像已足夠精確[15-16]。實(shí)踐應(yīng)用表明，當(dāng)輸電線路距離大于20 m時(shí)產(chǎn)生的磁場和無限長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場差異很小，因此，可將輸電線路近似看成無限長直導(dǎo)線。

忽略地磁場的作用，無限長直導(dǎo)線在檢測點(diǎn)產(chǎn)生的磁場為

(1)

三相水平排列，在與三相導(dǎo)線垂直的平面上建立坐標(biāo)系，如圖1所示。三相坐標(biāo)為，=(1, 2, 3)，檢測點(diǎn)P的坐標(biāo)為，設(shè)導(dǎo)線無限長并與地面平行。

圖1水平排列的三相導(dǎo)線與檢測點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)

則

(2)

(3)

(4)

架空線下產(chǎn)生的磁場由三相電流共同產(chǎn)生，則檢測點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是由A、B和C三相單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁場的矢量和。如圖1所示，在P點(diǎn)處，BA、BB、BC為ABC三相產(chǎn)生的磁場方向，BA是以A為圓心PA為半徑的圓在P點(diǎn)處的切線。同理BB垂直于PB，BC垂直于PC。

P點(diǎn)磁場沿軸的分量

沿軸的分量(6)

沿軸的分量(7)

則P點(diǎn)的磁場為、、軸方向的矢量和：

2 配電網(wǎng)單相接地故障電流分析

配電網(wǎng)單相故障系統(tǒng)模型如圖2所示。其中，01、02和0B分別是各線路的對地電容，系統(tǒng)饋線L2中C相發(fā)生單相接地故障。

圖2 配電網(wǎng)單相故障系統(tǒng)模型

當(dāng)C相發(fā)生單相接地故障，故障相電壓降低(金屬性接地時(shí)相電壓降低為0)，健全相電壓升高。

對于非故障線路，非故障相電容電流升高，故障相電容電流幾乎為零。

對于故障線路，徑向傳輸系統(tǒng)只有發(fā)送端有電源，電源側(cè)線路通過故障點(diǎn)接地與大地和電源形成回路，線路流有全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和，故障相電流顯著增大。

3 輸電線路故障選線及故障定位

3.1 故障選線與故障定位

單端配電網(wǎng)的單相短路故障如圖3所示。

圖3單端配電網(wǎng)單相接地故障示意圖

圖中，E為電源，M1, M2,…, M分別為沿各條線路在桿塔上安裝的磁阻傳感器。

由于磁阻傳感器能在三維空間里分別測量磁場的三個(gè)分量，所以它能夠完全反映三相電流的變化。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，架空線的磁場由三相電流疊加而成。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，架空線的三相合成的磁場處于正常穩(wěn)態(tài)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，架空線下的三維磁場穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化。單相接地故障時(shí)，對于正常線路，在故障前后磁場發(fā)生突變，但任意時(shí)刻，沿線路磁場均相同。對于故障線路，故障點(diǎn)流出整個(gè)系統(tǒng)非故障相的電流和，帶故障運(yùn)行較正常運(yùn)行時(shí)磁場穩(wěn)態(tài)發(fā)生改變，且在故障點(diǎn)處突變，即故障點(diǎn)前和故障點(diǎn)后磁場的幅值和相位均不同。據(jù)此可以選出故障線路及確定故障點(diǎn)。

通過檢測輸電線路下方磁場進(jìn)行故障選線。假設(shè)各桿塔測量點(diǎn)數(shù)據(jù)分別為M1,M2,…,M，若對于任意時(shí)刻，任意傳感器測量點(diǎn)0<<，有

(9)

則為非故障線路。

若故障后存在0<<，使

3.2 實(shí)例仿真

利用Matlab仿真平臺對配電網(wǎng)進(jìn)行故障仿真，配電網(wǎng)電壓等級為10 kV，兩條線路均為6 km，正序參數(shù)為0.012 73W/km，0.933 7 mH/km，0.012 74 μF/km，零序參數(shù)為0.386 4W/km，4.126 4 mH/km，0.007 751 μF/km。線路負(fù)荷分別為1 MV和2 MV，三相系統(tǒng)采用Y型連接方式，系統(tǒng)工作頻率為50 Hz，采用過補(bǔ)償10%。

故障后故障線路故障點(diǎn)前、故障點(diǎn)后和正常線路任意測量點(diǎn)的電流如圖4所示。

正常線路和故障線路在故障前后磁場穩(wěn)態(tài)分布如圖5、圖6所示。

圖5正常線路故障前后的空間磁場分布

從圖中可以看出，對于故障線路，故障前后線路磁場的幅值和相位分布均發(fā)生明顯改變，且故障點(diǎn)前與故障點(diǎn)后比較，幅值和相位均增大。對于正常線路，故障前后線路磁場的幅值和相位分布均發(fā)生明顯改變，但磁場的幅值和相位沿線路未發(fā)生變化。

故障后磁場幅值和相位如圖7、圖8所示。

圖7和圖8給出了故障后(0.1~0.2 s)故障點(diǎn)前、故障點(diǎn)后以及正常線路磁場幅值和相位。通過比較，故障后故障點(diǎn)前后磁場幅值和相位在故障點(diǎn)處發(fā)生突變。

故障后時(shí)刻沿故障線路和正常線路磁場的幅值和相位分布如圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，對于正常線路，磁場的幅值和相位沿線路幾乎未發(fā)生改變，而對于故障線路，磁場的幅值和相位在故障點(diǎn)處發(fā)生突變，突變點(diǎn)即故障點(diǎn)發(fā)生在電源側(cè)1 000 m和1 200 m之間，即第5個(gè)傳感器和第6個(gè)傳感器之間。

圖7 故障后磁場幅值比較

圖8 故障后磁場相位比較

圖9 沿故障線路和正常線路磁場強(qiáng)度

圖10 沿故障線路和正常線路相位

3.3 綜合判據(jù)分析

雖然中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)故障電流微弱，但是通過分析和仿真結(jié)果，磁阻傳感器一般安裝在桿塔正下方3~5 m處，完全可以實(shí)現(xiàn)架空線下磁場檢測、數(shù)據(jù)采集和分析。而對于不同參數(shù)的線路系統(tǒng)，需要設(shè)定具體的閾值。

正常運(yùn)行的線路是一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，在以最大電流max和最小電流min運(yùn)行時(shí)，磁場強(qiáng)度會保持一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過暫態(tài)過程后又變?yōu)榉€(wěn)態(tài)系統(tǒng)，磁場強(qiáng)度也趨于穩(wěn)態(tài)。以本文中的仿真系統(tǒng)為例，故障前后正常線路(線路1)和故障線路(線路2)的磁場強(qiáng)度和相位變化如表1所示。

表1線路下方磁場強(qiáng)度和相位變化

Table 1 Magnetic field and phase change below the line

根據(jù)線路運(yùn)行參數(shù)確定線路磁場強(qiáng)度門檻值(本例線路1門檻設(shè)置為4 μT，線路2門檻設(shè)置為2 μT)；信號采集裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測各桿塔下方磁場強(qiáng)度及相位變化，當(dāng)超過門檻值時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合分析，沿線路進(jìn)行比幅比相，找到幅值和相位突變點(diǎn)，故障點(diǎn)即定位在該磁場突變點(diǎn)所在傳感器與前一個(gè)傳感器所對應(yīng)的桿塔之間。利用磁場強(qiáng)度和相位雙判據(jù)大大提高了算法的可靠性。本例判據(jù)仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，可以直觀顯示磁場強(qiáng)度及相位突變點(diǎn)從而準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)于第5與第6桿塔之間。

考慮到空間磁場易受干擾，本文故障點(diǎn)的定位是基于全線路傳感器的采樣值進(jìn)行分析判斷的。假設(shè)線路上某點(diǎn)發(fā)生故障，此故障點(diǎn)前所有傳感器檢測出的磁場的幅值和相位基本相同，此故障點(diǎn)后所有傳感器檢測出的磁場的幅值和相位也基本相同。由于算法采用的數(shù)據(jù)量不是單一個(gè)體，所以即便其中某一個(gè)傳感器周圍的磁場受到干擾而產(chǎn)生壞數(shù)據(jù)，對整體樣本并不能造成影響，不會降低此算法的可靠性。

4 應(yīng)用方案

在沿線桿塔上安裝磁阻傳感器，安裝示意圖如圖11所示。傳感器由太陽能電池板供電。傳感器數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端采集并傳輸?shù)娇蛻舳?。?dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，根據(jù)客戶端顯示的傳感器狀態(tài)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)可實(shí)現(xiàn)故障位置的準(zhǔn)確定位。應(yīng)用方案主要由電源、CPU、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、通信模塊、信號處理模塊組成?？傮w方案如圖12所示。

本方案基于對磁場的非接觸式測量進(jìn)行故障選線及故障定位，其中磁阻傳感器安裝在桿塔上從而避免直接在高壓線上安裝電壓互感器和電流互感器。磁阻傳感器測量精度高、體積小、成本低，故障距離可以確定在兩個(gè)桿塔之間，安裝維護(hù)時(shí)不需要停電，提高了工作人員的安全性。

圖11 在輸電桿塔安裝磁阻傳感器的示意圖

圖12 總體方案

5 總結(jié)

(1)?架空線下磁場能完全反映線路中電流的變化，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相穩(wěn)態(tài)電流發(fā)生變化，磁場也隨之發(fā)生改變。分析了單相接地后故障線路和正常線路及故障線路故障點(diǎn)前后線路的電流分布，探討了正常線路和故障線路在故障前后磁場穩(wěn)態(tài)分布。

(2)?利用磁阻傳感器的沿線路輸出量、磁場強(qiáng)度和相位的變化判斷出線路及定位故障點(diǎn)。通過建立配電網(wǎng)水平分布的架空線電磁場模型，運(yùn)用Matlab進(jìn)行了仿真，仿真驗(yàn)證了理論的可行性。

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(編輯 魏小麗)

A new magnetic field measurement based method to detect faulty line and fault location for single phase to ground fault occurred in distribution network

TIAN Shu, WANG Yacai, WANG Xiaowei, SHANG Penghui

(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Whentransmission line ground fault occurs, the magnetic field below the overhead line reflects the line fault information.Short-circuit current along the transmission line changes, the magnetic field below lines is different correspondingly, it means that changes on magnetic field below the transmission lines can fully reflect the changes in current. Distribution network is mostly single-ended power supply. Since distribution network is complexity and the accuracy is low, a new non-contact magnetic field measurement based method is provided to detect faulty line and locate fault for single phase to ground fault occurred in distribution network.The magnetoresistive sensors installed on the towers can non-contact measure the magnetic field, the fault line and point of failure are solved according to the magnetic field amplitude and phase.Magnetoresistive sensor measurement accuracy ishigh and it is low cost,the fault span can be determined between two towers. MATLAB is used to establish a line model,simulation result shows the feasibility of the theory.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.6140312).

magnetic field; overhead lines; distribution network; fault line;fault location

10.7667/PSPC151201

2015-07-12；

2015-11-21

田 書(1963-)，女，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及配電網(wǎng)故障選線等方面的研究; E-mail: tianshu@hpu.edu.cn

王亞彩(1990-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障選線及故障定位; E-mail: 15138070602@163.com

王曉衛(wèi)(1983-),男，碩士，中國電機(jī)工程學(xué)會會員，助理工程師，研究方向?yàn)樾滦屠^電保護(hù)和故障測距的原理與技術(shù)。E-mail: proceedings@126. Com

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6140312)