小電流接地系統單相接地故障定位方法的研究

滕浩,鄭紅霞

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

小電流接地系統單相接地故障定位方法的研究

滕浩,鄭紅霞

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

針對現有方法受對地電容影響大，檢測信號不易提取，定位成本高等問題，提出了一種新的針對小電流接地系統單相接地故障的故障定位方法-特定頻率注入法。在滿足系統脫諧度和中性點對地電壓標準的前提下，在消弧線圈兩側并聯高頻電源，向系統內注入高頻信號，在高頻電源支路、線路、接地點、大地之間形成故障電流回路，通過回路電流、電壓與回路阻抗的關系，結合均勻線路的性質，確定故障距離測量點的位置。最后使用電力系統仿真軟件PSCAD對系統進行了仿真和驗證，仿真結果證明，該系統對小電流接地系統進行定位誤差小，靈敏度高，適合小電流接地系統的故障定位。

小電流接地系統；單相接地故障；特定頻率注入法；高頻電源

1 引言

小電流接地系統發(fā)生單相接地故障時，對地電流小，信號不容易提取，并且發(fā)生弧光接地時，接地電流不穩(wěn)定，加之配電網分支眾多，紛繁復雜，因此，小電流接地系統的故障選線和故障測距都比較困難。經過國內外研究人員的不懈努力，現在配電網故障選線的準確程度已經基本滿足社會生活的需求，但是還沒有自動化程度高，定位準確的故障定位方法得到認可。目前常用的方法依舊是人工巡線，即在發(fā)生故障后工人手持信號探測器延線路檢測信號，故障信號消失的地方即為故障點，這樣的方法自動化程度低，需要時間長，無法滿足現代社會對供電可靠性的要求[4]。目前有很對針對小電流接地系統的自動定位技術，但是由于建模試驗難度大，大多技術還是處于理論研究階段，距離現場應用還有很長一段距離。

針對定位裝置故障診斷精度低，自動化程度低等問題，本課題提出了一種自動化程度高、對電能質量影響小的小電流接地系統單相接地故障定位方法-特定頻率注入法。特定頻率注入法在消弧線圈兩端并聯高頻電源支路，根據頻率與線路阻抗的關系確定高頻電源的頻率，進而確定保護諧振支路參數。利用電力系統仿真軟件PSCAD驗證其正確性和準確性。

2 特定頻率注入法的基本原理

特定頻率注入法，即系統發(fā)生接地故障后，通過在消弧線圈兩側并聯高頻電源，向系統內注入高頻信號，在高頻電源支路、線路、接地點、大地之間形成故障電流回路，通過回路電流、電壓與回路阻抗的關系，結合均勻線路的性質，確定故障距離測量點的位置。

2.1 對地電容和接地電阻的計算

圖1 單相接地故障零序電流回路

如圖1所示，U0為系統開口三角檢測到的零序電壓值，I0為消弧線圈處的零序電流互感器檢測到的零序電流，C0為三相配電網總的對地分布電容值，忽略三相線路的不對稱，其值為單相對地分布電容的3倍，Rtr為電網的對地電阻，則有：

(1)

整理方程(1)可得:

(2)

即

(3)

即得到系統的對地電阻值，其中ω1為工頻時的角速度。

同樣道理，通過各支路的饋線終端裝置測量支路的零序電流和電壓，確定第i條支路的對地電容C0i。由方程(1)可得：

(4)

即

(5)

其中，I0i為第i條支路的零序電流。因為每條支路上的線路所處的地理環(huán)境相同，老化程度相同，可以認為每一條支路的對地電容為相等的，所以第i條支路每相的對地電容為：

(6)

2.2 故障距離的計算

發(fā)生單相接地故障后通過中性點向系統注入高頻信號，等效簡化電路如圖2所示。

圖2 注入高頻信號后的等效電路模型

其中CL、LL1、LL2組成通高頻、阻工頻電路，UL為高頻信號源，L為消弧線圈等效電感，Rs、Ls為線路等效電阻、電感C1為故障支路對地電容。當注入信號頻率達到150Hz以上時，消弧線圈阻抗是線路阻抗和對地電容阻抗的幾十倍，此時消弧線圈對于注入信號的阻礙作用可以忽略，又因為工頻濾波電路整體對注入信號呈串聯諧振狀態(tài)，所以線路阻抗、對地電容和接地電阻決定了UL、IL之間的關系，根據基爾霍夫定律，投切信號穩(wěn)定后有：

(7)

解方程(7)，得到：

(8)

由于線路是均勻的，即單位長度線路的阻抗相等，結合輸電線的規(guī)格，可得故障點到測試點的距離為：

(9)

其中Xs是故障支路線路單位長度的等效電抗。

2.3 特定頻率信號源的選取

高頻信號源的選取首先要不影響系統的正常運行，但基于方法本身的要求，需要信號易于獲得和提取?；诓挥绊懴到y穩(wěn)態(tài)運行的方面考慮，高頻信號的能量要遠小于系統的固有信號?；谛盘栆子谔崛?，不被系統固有信號所湮沒，投切信號應該有自己與眾不同的特征，本方法采用頻率與基波頻率和基波倍頻均不同的投切信號，即投切信號的頻率不能是工頻頻率的整數倍。

信號采集頻率的選擇則主要考慮裝置的采集能力和信號的處理。對于信號的采集和后期處理而言，工頻信號和各倍頻信號均為干擾信號，為了方便高頻信號的分離和獲取，減少系統的計算量，使濾波過程簡單，濾波成本低，采樣頻率應為工頻信號的整數倍，即采樣頻率滿足

fs=P·f1

(10)

或者

T1=P·Ts

(11)

其中fs、Ts為采樣的頻率和周期；f1、T1為工頻頻率和周期；P為正整數。

為了方便信號的處理，減少運算量，盡量滿足每個采樣周期內采集到的點數為整數，即采樣點數滿足：

fs=Q·fsig

(12)

或者

Tsig=Q·Ts

(13)

其中fs、Ts為采樣周期和采樣頻率；fsig、Tsig為投切信號源的頻率和周期；Q為正整數。

綜合以上各個條件，注入信號的的頻率應滿足以下方程：

(14)

以10kV配電網、支路線路為LJ-50型架空線、距離出線端10km的位置發(fā)生故障為例進行分析。在實際的10kV配電系統中，對地電容電流大于20A時才需要安裝消弧線圈，而就目前我國電力網規(guī)模而言，對地電容電流一般不會超過80A。根據

Ic1=3ω1C1Uφ

(15)

(16)

得到L=3.04H。線路發(fā)生單相接地故障時，接地點為金屬性接地時接地電阻為0Ω，接地點為弧光接地時，則接地電阻不確定，接地點為絕緣老化時，對地電阻則可能是幾十到幾千歐姆，所以，等效接地電阻從金屬性接地到幾千歐都有可能。經查閱資料得，在工頻下，LJ-50型架空線路單位電抗值為0.368Ω/km。

發(fā)生單相接地故障時，等效故障電流回路如圖3所示。

圖3 等效故障電流回路

其中Rs、Ls分別為線路的等效電阻和電感，R1為故障點等效對地電阻，工頻條件下正常運行時，線路阻抗對故障電流的影響非常小，傳統的故障定位分析中通常將故障線路的阻抗忽略，而特定頻率注入法從Ls入手，等效檢測電路如圖4所示。

圖4 等效檢測電路

如圖所示，在消弧線圈兩側并聯高頻電源，由

Xs=ωLs

(17)

(18)

可知注入信號的頻率越高，線路電抗對信號的阻礙能力越強，對于有10條支路的配電網，假設分布電容在每條出線上平均分配，等效電路中各部分的阻抗隨頻率的變化如表1所示。

分析表1中數據可以得到，當注入信號頻率在150～200Hz時，線路阻抗 和對地電容的阻抗對信號的影響相當，注入信號頻率應在線路阻抗和對地電容阻抗達到同一量級的范圍內，同時為了注入信號不被電力系統的固有信號淹沒，宜采用頻率介于工頻第N次與第N+1次諧波之間的信號。綜上所述，采用頻率為180Hz的電壓源。

表1 電路各部分阻抗值與頻率的關系

從電能質量方面考慮，注入信號的幅值越小越好，但是信號幅值過小則使測量信號特征不明顯。DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定：消弧線圈在正常運行情況下，中性點的長時間電壓位移不應超過系統標稱相電壓的15%，即在10kV配電線路中，中性點位移電壓不能超過0.866kV，注入信號峰值也應小于這個值，基于此，電壓信號幅值取0.1kV，遠小于極限值0.866kV。

3 特定頻率注入法的PSCAD仿真

3.1 系統仿真接線

如圖5所示對10kV配電網進行仿真，電源中性點經消弧線圈接地，三條輸電線為架空線的支路，在距離母線10km和15km處設置單相接地故障。為了便于觀察，設置單相接地故障發(fā)生在1.0s，持續(xù)時間1.0s，仿真總時長2.0s。母線線電壓：10kV，高頻信號源幅值：0.1kV，消弧線圈等效電感：1.0H。

圖5 實際系統仿真接線圖

3.2 PSCAD仿真結果

改變故障距離和接地電阻，采集的數據及計算結果的對比如表2所示，從檢測誤差上來看，特定頻率注入法對于小電流接地系統的單相接地故障定位較為準確。

從驗證數據來看，測距誤差控制在10%以內，該方法能夠有效的進行小電流接地系統單相接地故障時的定位。

表2 采集的數據及計算結果的對比

4 結論

小電流接地系統在國內外的配電網中有著至關重要的地位，其運行的穩(wěn)定性是配電網乃至整個電力系統的穩(wěn)定運行的基礎。由于我國配電網飛速發(fā)展，分支眾多，涉及地域廣闊，線路老化嚴重，一旦發(fā)生接地故障，如果不及時采取措施，很可能發(fā)生相間故障，造成重大社會損失。因此，小電流接地系統的故障診斷顯得尤其重要。目前，故障定位方法和裝置的只要問題有：自動化程度低，檢測信號不易提取，檢測成本高，抗干擾能力差。目前應用最廣泛的故障定位方法仍舊是人工巡線，該方法需要工人手持信號探測器巡線，自動化程度低，費時費力，不能滿足配網自動化的要求。針對以上存在問題，本課題提出了一種新的小電流接地系統單相接地故障定位方法-特定頻率注入法，該方法自動化程度高，檢測信號易提取，投資成本小。

[1] 李孟秋，王耀南，王輝,等.小電流接地故障探測方法的研究[J].中國電機工程學報，2001(10)：6-9.

[2] 鄺冶,雷鳴.一種配電網故障類型及相別的判別方法[J].低壓電器，2009，17:13-15+52.

[3] 朱建寶，劉建平.10kV線路故障指示器單相接地故障檢測原理分析[J].電氣應用，2015，4：93-96.

[4] 揣振國，劉耀年.小電流接地系統故障仿真分析與研究[J].東北電力大學學報，2008.

[5] 王偉,焦彥軍.暫態(tài)信號特征分量在配網小電流接地選線中的應用[J].電網技術,2008,32(4):96-100.

[6] 康忠健,李丹丹,劉曉林.配電網故障測距方法研究現狀[J].電氣應用,2010,29(22):20-23.

[7] 梁睿.基于故障類型的單相接地故障綜合選線研究[D].江蘇:中國礦業(yè)大學,2010.

[8] 苑博，邱湘可.基于PSCAD/EMTDC的小電流接地系統單相接地故障的仿真研究[J].電子設計工程，2015，4：36-39.

[9] 王一宇.城市配電網中性點接地方式講座,第三講:配電網中性點接地方式的應用[J].供用電，1997，14(1)：53-56.

[10] 陳少華，葉杰宏，鄭帥.中性點經消弧線圈并聯中值電阻接地方式的研究[J].繼電器，2006，34(11)：17-20.

[11] 梁華為，劉萬順.一種考慮對各種誤差綜合修正的線路雙端測距算法[J].繼電器，2005，33(17).

[12] 陳平.輸電線路現代行波故障測距及其應用研究[D].西安：西安交通大學，2003.

Single Phase-to-Ground Fault Location Method for Small Current Grounding System

TENGHao,ZHENGHong-xia

(Northeast Power University,Jilin 132012,China)

In view of large capacitance to ground,the detection signal is not easy to extract and the high position cost the paper proposes a new fault location for the small current grounding system of single-phase ground fault-special frequency injection method.Under the premise of meet the requirement of off tuning degree and the neutral voltage to ground,a high-frequency power is paralleled with the arc suppression coil.Infuse high frequency signal to the system,and the high frequency power supply branch,lines,ground and the earth formed fault current circuit,through the relationship of the loop current,voltage and impedance,and the properties of uniform line to locate the fault distance measurement point.Finally,the method is simulated and verified with power system simulation software PSCAD.Simulation results show that the method is with small error high sensitivity and suit for fault location.

small current grounding system；special frequency injection method；single-phase ground fault；high-frequency power supply

1004-289X(2016)05-0021-05

TM71

B

2015-07-02

滕浩(1990-)，男，漢，遼寧省大連市金州新區(qū)，在讀研究生，研究方向為小電流接地系統單相接地故障定位方法的研究。