基于智能接地電流放大裝置的配電網(wǎng)單相接地故障研判方法

謝 成， 金涌濤， 溫 典， 雷 超

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江桐廬縣供電公司，浙江 桐廬 311500）

基于智能接地電流放大裝置的配電網(wǎng)單相接地故障研判方法

謝 成1， 金涌濤1， 溫 典1， 雷 超2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江桐廬縣供電公司，浙江 桐廬 311500）

小電流接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)故障特征微弱，現(xiàn)有檢測(cè)方法和選線裝置應(yīng)用效果不理想，故障處理仍以人工試?yán)x線為主。提出一種基于智能接地電流放大裝置的單相接地故障檢測(cè)原理，研究了檢測(cè)裝置的整體構(gòu)架和研判系統(tǒng)的處理流程，通過(guò)試點(diǎn)工程應(yīng)用驗(yàn)證了裝置的整體性能與故障研判的準(zhǔn)確性。實(shí)踐證明，基于智能接地電流放大裝置的故障研判方法能夠準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)中壓配電網(wǎng)單相接地故障的選線與區(qū)段定位。

單相接地；智能接地電流放大；故障研判；選線；定位

0 引言

浙江地區(qū)中壓配電網(wǎng)主要采用不接地和經(jīng)消弧線圈中性點(diǎn)接地方式，線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，主要采用以站內(nèi)選線裝置輔助配合人工試?yán)x線為主的方式。隨著配電自動(dòng)化的發(fā)展，線路故障指示器的推廣應(yīng)用使得郊區(qū)架空線路的故障檢測(cè)和處理效率有了顯著的提高，然而由于單相接地故障具有故障特征微弱的特點(diǎn)，單純依靠故障指示器無(wú)法對(duì)接地故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，限制了架空線路配電自動(dòng)化解決接地選線定位的功能發(fā)揮[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)人們研究了大量接地故障檢測(cè)方法及裝置，西安交通大學(xué)研究了基于暫態(tài)零序電流特征的小電流接地選線方法，并通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了裝置的有效性和適用性[2]；索南加樂(lè)等提出了一種基于模型參數(shù)識(shí)別法的故障選線方法[3]；也有采用小波包分析的手段來(lái)提取單相接地故障特征[4]；西安科技大學(xué)提出基于零序非工頻電流分量特征的選線方法[5]，但仍未得到實(shí)際工程驗(yàn)證或應(yīng)用狀況不夠理想。浙江省部分安裝的站內(nèi)中電阻選線裝置大多采用零序過(guò)流保護(hù)[6]，但實(shí)際運(yùn)行準(zhǔn)確率不足50%。新建的配電自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)采集零序電壓、零序電流、負(fù)序電流等狀態(tài)量來(lái)判斷接地故障[7]。然而，受零序電流互感器精度、保護(hù)整定等因素影響，高阻接地難以診斷，而解合環(huán)等系統(tǒng)操作又易引起裝置誤動(dòng)。與此同時(shí)，由于單相接地狀態(tài)可能導(dǎo)致故障衍化為相間故障[8]，供電公司已改變?cè)性试S接地故障運(yùn)行2 h的策略，要求盡快實(shí)現(xiàn)接地故障診斷和隔離。

因此，為提高故障選線準(zhǔn)確性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障的區(qū)段定位，提出了一種智能接地電流放大裝置，實(shí)現(xiàn)了接地故障電流的瞬間放大，并利用浙江省在運(yùn)的配電線路在線監(jiān)測(cè)終端和主站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相接地的故障研判和快速告警。

1 技術(shù)方案

1.1 配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

浙江省電力公司配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由在線監(jiān)測(cè)裝置（故障指示器采集終端和匯集單元，如圖1所示）、遠(yuǎn)程通信信道、安全接入平臺(tái)和監(jiān)測(cè)主站組成的簡(jiǎn)易配電自動(dòng)化系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)終端采集的遙信、遙測(cè)數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)現(xiàn)線路正常運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，更可以通過(guò)主站的綜合分析實(shí)現(xiàn)故障的選線、定位與告警功能。目前該系統(tǒng)對(duì)短路故障研判具有較高準(zhǔn)確性，而單相接地故障檢測(cè)可靠性尚不滿足生產(chǎn)需求。究其原因，是故障指示器判斷單相接地故障主要采用首半波法，即利用故障線路暫態(tài)零模電壓與零模電流初始極性相反的特點(diǎn)，然而，故障線路零模電壓與零模電流初始極性相反的持續(xù)時(shí)間非常短（通常在2 ms以?xún)?nèi)），并且電壓電流受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及接地點(diǎn)過(guò)渡電阻等影響而幅值分散性大，容易造成漏判或由于干擾導(dǎo)致誤判，因此故障指示器接地判斷算法閾值難以確定。

1.2 智能接地電流放大裝置

為了使故障電流值能夠大于故障指示器算法閾值以便準(zhǔn)確觸發(fā)接地告警，避免故障指示器錯(cuò)過(guò)時(shí)間短且易受干擾淹沒(méi)的單相接地首半波特征，當(dāng)線路發(fā)生單相接地時(shí)，通過(guò)智能接地電流放大裝置對(duì)非故障相和大地之間短時(shí)投切一個(gè)一定容量的單相電容器，人為地把單相接地故障變成多次經(jīng)電容器和大地的瞬時(shí)性相間“短路”，即多次利用電容投切的涌流將對(duì)地電流放大幾十倍，以提高小電流接地故障定位的準(zhǔn)確性。

圖1 配電線路在線監(jiān)測(cè)裝置

圖2 配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能接地電流放大裝置成套設(shè)備由主裝置、監(jiān)控終端及其與三相線路連接的配件組成，主裝置的主要部件包括電容器、三相電子式電壓互感器、2個(gè)單相接觸器以及3個(gè)繼電器，分別是A相電容繼電器、C相電容繼電器和儲(chǔ)能繼電器。一次接線如圖3所示。

圖3 智能接地電流放大裝置一次接線

同一母線多條支線，只需要在任意一條支線上安裝1臺(tái)智能接地電流放大裝置，檢測(cè)三相的相電壓，每分鐘向主站上報(bào)1次數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)到1相電壓降低超過(guò)限值，另有至少1相電壓升高超過(guò)限值，會(huì)向主站告警，并自動(dòng)控制相應(yīng)電容投切。此外，主站也可以根據(jù)分鐘數(shù)據(jù)點(diǎn)分析判斷，假如主站檢測(cè)到符合單相接地故障數(shù)據(jù)條件，但未接收到監(jiān)控終端告警信號(hào)，此時(shí)主站可以主動(dòng)向智能接地電流放大裝置發(fā)命令投切相應(yīng)電容。

裝置的工作流程和判據(jù)如下：

（1）1相電壓低和另外至少1相電壓高時(shí)間超過(guò)30 s時(shí)，儲(chǔ)能繼電器動(dòng)作進(jìn)行開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能時(shí)間可以設(shè)定。

（2）1相電壓低和另外至少1相電壓高時(shí)間超過(guò)60 s時(shí)，儲(chǔ)能繼電器斷開(kāi)，投切繼電器第一次動(dòng)作。

（3）投切繼電器吸合時(shí)間到，根據(jù)設(shè)定的投切次數(shù)，如果次數(shù)為1，投切全部完成，如果次數(shù)非1，那么進(jìn)入儲(chǔ)能繼電器動(dòng)作，重新開(kāi)始儲(chǔ)能投切動(dòng)作。

（4）A/B相電壓低，投切C相電容繼電器；C相電壓低，投切A相電容繼電器。電壓升高動(dòng)作限值及電壓下降動(dòng)作限值，可以由本地或主站遠(yuǎn)程設(shè)定。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)智能接地電流放大裝置采用電容器，額定放大電流為50 A。采用50 A左右放大電流便于故障指示器捕捉，同時(shí)又不影響線路運(yùn)行，電容容量通過(guò)下式計(jì)算：

P=UI=10 kV×50 A=500 kvar .

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，為了線路發(fā)生故障時(shí)不影響消弧線圈正常的補(bǔ)償運(yùn)行，宜采用中值電阻替代電容器。額定放大電流為50 A時(shí)，電阻值通過(guò)下式計(jì)算：

R=U/I=10 kV/50 A=200Ω .

1.3 故障指示器判斷

線路發(fā)生單相接地時(shí)，根據(jù)不同的接地條件（例如金屬性接地、高阻接地等），會(huì)出現(xiàn)多種復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象，包括出現(xiàn)線路對(duì)地的分布電容放電電流、接地線路對(duì)地電壓下降、接地線路出現(xiàn)5次和7次等高次諧波增大，以及該線路零序電流增大等。

綜合以上情況，指示器單相接地判據(jù)如下：

（1）線路正常運(yùn)行（有電流，或有電壓）超過(guò)30 s。

（2）線路中有突然增大的電容放電電流，并超過(guò)設(shè)定的接地故障檢測(cè)參數(shù)（暫態(tài)接地電流增量定值）。

（3）接地線路電壓降低，并超過(guò)設(shè)定的接地故障檢測(cè)參數(shù)（線路對(duì)地電壓下降比例、對(duì)地電壓下降延時(shí)）。

（4）接地線路依然處于供電（有電流）狀態(tài)。

以上4個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，故障指示器觸發(fā)接地告警并將終端采集的線路數(shù)據(jù)上報(bào)主站。

1.4 主站綜合研判

配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主站在接收到智能接地電流放大裝置的動(dòng)作信號(hào)及各個(gè)監(jiān)測(cè)采集終端的告警數(shù)據(jù)后，根據(jù)故障指示器所監(jiān)測(cè)的對(duì)地故障電流首半波的大小、歷史數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆盟惴ǘㄎ怀鼋拥毓收蠀^(qū)域。

具體為主站收到智能接地電流放大裝置告警，延遲70 s啟動(dòng)第1次接地故障分析，對(duì)所監(jiān)測(cè)的非智能接地電流放大裝置自身所屬的線路逐條檢查，在均無(wú)故障時(shí)再對(duì)自身所屬的線路進(jìn)行檢查；線路故障檢查方法如下：查詢(xún)饋線中各指示器的接地告警情況，時(shí)間范圍為智能接地電流放大裝置告警時(shí)間前后各70 s，將告警信息視為故障信息點(diǎn)保存，待整條線路中的故障信息全部檢查完成后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；若非智能接地電流放大裝置自身所屬線路，則啟動(dòng)分析條件為至少1相發(fā)生接地故障告警；若為智能接地電流放大裝置自身所屬線路，則啟動(dòng)分析條件為至少2相發(fā)生接地故障告警。主站確認(rèn)接地信息后，依據(jù)故障指示器所在線路拓?fù)鋱D給出具體的故障點(diǎn)或故障區(qū)段，并將信息及時(shí)推送至故障搶修平臺(tái)。

基于智能接地電流放大裝置的單相接地故障研判與處理流程如圖4所示。

2 試點(diǎn)應(yīng)用

2.1 試點(diǎn)整體情況

上述基于智能接地放大裝置的研判系統(tǒng)，在浙江桐廬開(kāi)展了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障監(jiān)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)用。該項(xiàng)目覆蓋桐廬瑤琳變電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)瑤琳變）6條線路共76個(gè)在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，自2015年8月29日試運(yùn)行以來(lái)，共研判故障21起，其中短路故障17起，接地故障4起。截止目前，短路故障研判準(zhǔn)確率為100%，接地故障研判準(zhǔn)確率為75%（存在1次漏報(bào)）。

2.2 接地故障研判實(shí)例

2.2.1 瞬時(shí)性接地

圖4 單相接地故障處理流程

2015年10月11日11∶23，瑤琳變冷塢線4號(hào)智能接地放大裝置監(jiān)測(cè)到瑤琳變Ⅱ段母線瞬間失地，智能接地放大裝置動(dòng)作并向系統(tǒng)上報(bào)Ⅱ段母線接地告警。在線監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)接收到智能接地放大裝置母線接地告警后，系統(tǒng)啟動(dòng)Ⅱ段母線饋線接地選線分析并研判出至南線接地后，啟動(dòng)對(duì)至南線失地故障點(diǎn)定位分析。至南線98號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到B相接地電流由2 A突變?yōu)?3 A，超出架空線型故障指示器告警設(shè)置值10 A，具體突變情況如圖5所示；三相對(duì)地電場(chǎng)變化如圖6所示，接地瞬間出線B相電壓跌落，A相、C相電壓升高，而后恢復(fù)正常。

圖5 至南線98號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三相電流數(shù)據(jù)

圖6 至南線98號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三相對(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)綜合研判，判斷故障事件為位于至南線98號(hào)后段的瞬時(shí)性單相接地故障。此次接地故障系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)及SCADA（調(diào)度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)對(duì)比確認(rèn)后，故障發(fā)生時(shí)間與實(shí)際故障位置均一致。

2.2.2 永久性接地

2015年10月11日21∶22，瑤琳變冷塢線4號(hào)智能接地放大器監(jiān)測(cè)到瑤琳變Ⅱ段母線失地，智能接地放大器動(dòng)作并向系統(tǒng)上報(bào)Ⅱ段母線失地告警。在線監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)接收到智能接地放大裝置母線接地告警后，系統(tǒng)啟動(dòng)Ⅱ段母線饋線接地選線分析并研判出至南線接地，啟動(dòng)對(duì)至南線失地故障點(diǎn)定位分析。至南線3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到A相接地電流由2 A突變到15 A，超出架空線型故障指示器告警設(shè)置值10 A，具體突變情況如圖7所示；三相對(duì)地電場(chǎng)變化如圖8所示，接地后出現(xiàn)B相電壓跌落，A相、C相電壓升高，狀態(tài)維持至至線路拉停時(shí)刻。

圖7 至南線3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三相電流數(shù)據(jù)

圖8 至南線3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三相對(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)綜合研判，判斷故障事件為位于至南線3—34號(hào)的永久性接地故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)故障原因?yàn)椋褐聊暇€31號(hào)T接分支的電纜外破。此次接地故障系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)及SCADA系統(tǒng)對(duì)比確認(rèn)后，故障發(fā)生時(shí)間與實(shí)際故障位置一致。從21∶22發(fā)生接地故障，21∶26線路拉閘全線停電，22∶08隔離31號(hào)T接分支恢復(fù)非故障區(qū)域供電，非故障區(qū)域共停電42 min。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，基于智能接地電流放大裝置的故障研判方法能夠準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)中壓配電網(wǎng)單相接地故障的選線與區(qū)段定位，并及時(shí)推送故障告警信息，大大縮短單相接地故障的查找與處理時(shí)間，提高了供電可靠性，減少了接地期間電網(wǎng)帶故障運(yùn)行造成的人身觸電風(fēng)險(xiǎn)。

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（本文編輯：徐 晗）

Study on Single-Phase-to-Earth Fault Diagnosis Based on Smart Grounding Current Amplification Equipment in Distribution Networks

XIE Cheng1，JIN Yongtao1，WEN Dian1，LEI Chao2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Tonglu Power Supply Company，Tonglu Zhejiang 311500，China）

∶In the case of single-phase-to-earth fault in small current grounding distribution network，the fault feature is weak and the existing detection method and line selection device are not practically ideal.Therefore，handling of line selection fault still relies on manual switch-out.In this paper，the principle of singlephase-to-earth fault diagnosis method based on smart grounding current amplification equipment is proposed. The overall structure of the equipment and processing procedure of the diagnosis system are investigated. Through application in a pilot project，equipment performance and diagnosis precision are verified.The practice shows that the fault diagnosis based on smart grounding current amplification equipment correctly and fast enables line selection and segment location of single-phase-to-earth fault in medium-voltage distribution networks.

∶single-phase-to-earth；smart grounding current amplification；fault diagnosis；line selection；location

.201704006

1007-1881（2017）04-0022-05

：TM713

：B

2017-02-15

謝 成（1988），男，工程師，從事配電網(wǎng)故障診斷與配電自動(dòng)化研究工作。