基于暫態(tài)錄波技術(shù)的線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)在配網(wǎng)中的應(yīng)用

王 勤，邱 輝，李大武

(國網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司，上海 200540)

配電網(wǎng)線路一般由架空線路和電纜線路組成，具有輸電距離較長、分支線路眾多、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部環(huán)境和氣候條件較惡劣等特點(diǎn)，是最易發(fā)生故障的系統(tǒng)之一。配電網(wǎng)線路故障類型以短路故障和單相接地故障居多，而單相接地故障是配電網(wǎng)中最容易發(fā)生且最難查找的故障[1]。

當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，常用的處理方式是故障定位、故障區(qū)域隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)送電，但是由于無法準(zhǔn)確、快速地定位故障區(qū)域，只能依靠運(yùn)行檢修人員人工巡線查找，故障查找時(shí)間會(huì)超過修復(fù)故障時(shí)間，導(dǎo)致故障處理時(shí)間較長。

故障指示器可以在線路發(fā)生故障時(shí)快速定位故障區(qū)段，從而縮短線路故障的響應(yīng)和處理時(shí)間，提高了配網(wǎng)的供電可靠性。在線路運(yùn)行正常時(shí)，故障指示器能夠監(jiān)測配網(wǎng)線路的運(yùn)行工況并上傳至配電主站系統(tǒng)，可對配電網(wǎng)運(yùn)行方式的優(yōu)化、用電負(fù)荷的合理控制提供依據(jù)。

1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的檢測方法

我國配電系統(tǒng)(6～35 kV)中性點(diǎn)的接地方式除了小部分是經(jīng)小電阻接地外，大部分是不接地或經(jīng)消弧線圈接地，稱為小電流接地系統(tǒng)。小電流接地系統(tǒng)在單相接地時(shí)的準(zhǔn)確選線及故障定位技術(shù)，各國均有一定研究，檢測單相接地故障的方法主要是以下幾種。

(1) 首半波法。首半波法原理是基于接地故障發(fā)生在相電壓接近最大值的瞬間假設(shè)的，采樣接地瞬間的電容電流首半波和電壓首半波，比較其相位。當(dāng)采樣接地瞬間的電容電流突變且大于一定值時(shí)，并且與接地瞬間的電壓首半波同相，同時(shí)導(dǎo)線對地電壓降低，則判斷線路發(fā)生接地。該方法可檢測不穩(wěn)定接地故障，但易受線路參數(shù)、故障初相角等因素的影響[1-2]。

(2) 零序電流比幅比相法。零序電流比幅比相法是小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后，流過故障線路上的工頻零序電流值最大且零序電流的方向與健全線路上的方向相反這一特點(diǎn)進(jìn)行故障選線。這種方法受電流互感器不平衡電流影響，選線準(zhǔn)確率不高。

(3) 暫態(tài)零序電流五次諧波法。通過檢測五次諧波電流的變化來判斷單相接地故障。其工作原理是當(dāng)小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，含有鐵心的設(shè)備由于三相電壓不平衡而進(jìn)入磁飽和狀態(tài)(磁化曲線在非線性區(qū))，尤其是電壓互感器。這樣就會(huì)有大量諧波分量產(chǎn)生，其中五次、七次等奇次諧波分量較為突出[3-5]。消弧線圈是按照基波整定的，對五次諧波的干擾較小，但是其幅值較小，易受其他因素干擾，從而影響選線結(jié)果。

(4) 信號(hào)注入法。信號(hào)注入法無需考慮系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通過信號(hào)注入裝置向系統(tǒng)注入某一特征信號(hào)，信號(hào)注入裝置、大地、故障點(diǎn)形成了回路，故障指示器在檢測該特征信號(hào)后翻牌亮燈報(bào)警。

2 基于暫態(tài)錄波技術(shù)的線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于暫態(tài)錄波技術(shù)的線路故障在線檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)基于6～35 kV架空線路短路和接地故障的準(zhǔn)確定位，工作過程如圖1所示。由配電主站系統(tǒng)、采集單元和匯集單元組成，綜合運(yùn)用了先進(jìn)的故障檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信和信息建模等技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地在線檢測短路故障、接地故障，實(shí)時(shí)監(jiān)測線路負(fù)荷、諧波等情況，并將所采集到的故障特征信息及故障瞬時(shí)波形發(fā)送到配電主站。配電主站系統(tǒng)軟件根據(jù)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算分析確定故障區(qū)域，同時(shí)具備告警顯示、告警短信轉(zhuǎn)發(fā)、故障統(tǒng)計(jì)檢索和查詢等功能，從而引導(dǎo)維護(hù)人員快速準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)。

為提高工作效率、減輕維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了一種強(qiáng)有利的手段，也能有效提高配電線路故障檢測的自動(dòng)化和現(xiàn)代化水平，及時(shí)為線路安全性提供科學(xué)有效的依據(jù)。

圖1 工作過程示意圖

根據(jù)單相接地時(shí)的線路特征，通過采集線路中的相電場強(qiáng)度的突變值，觸發(fā)采集單元(暫態(tài)錄波型故障指示器)對線路負(fù)荷電流數(shù)據(jù)進(jìn)行錄波，同時(shí)匯集單元對三相采集單元的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總合成零序電流波形，形成Comtrade錄波文件上送至配電主站。主站分析軟件提取其暫態(tài)分量和工頻分量，對故障線路與非故障線路的暫態(tài)電流波形進(jìn)行對比(見圖2)，故障線路暫態(tài)電流波形不相似、極性相反；非故障線路暫態(tài)電流波形相似、極性一致；故障點(diǎn)上游的暫態(tài)電流波形相似、極性一致；故障點(diǎn)下游與上游的暫態(tài)電流波形相比，暫態(tài)電流不相似、極性相反。因此，可以運(yùn)用多種算法比較相鄰采集單元暫態(tài)電流的相似度來確定故障區(qū)段。匯集單元能接收配電主站下發(fā)的故障數(shù)據(jù)信息，采集單元以閃光形式指示故障；當(dāng)裝置判斷出接地故障處于安裝位置的上游和下游時(shí)，采集單元能就地采集故障信息和波形，以閃光形式指示故障，并且將故障信息和波形上傳至主站。

圖2 非故障線路和故障線路的暫態(tài)波形對比

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)應(yīng)用于上海金山供電局張12桑園(下)線，全線安裝了4套暫態(tài)錄波型故障指示器，即4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別是變電站出口1號(hào)桿、26號(hào)桿、49號(hào)桿和4-20號(hào)桿。通過4套暫態(tài)錄波型故障指示器將線路分割成4個(gè)區(qū)域。

張12桑園(下)線部分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖3。在某日張12桑園(下)線發(fā)生單相接地故障時(shí)，采集單元(暫態(tài)錄波型故障指示器)根據(jù)相電場強(qiáng)度突變同組觸發(fā)啟動(dòng)錄波功能，同時(shí)匯集單元對三相采集單元的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總合成零序電流波形，形成Comtrade錄波文件上送至配電主站(見圖4至圖6)。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對上送波形進(jìn)行拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分析，確定故障區(qū)域在26號(hào)桿和49號(hào)桿之間后系統(tǒng)自動(dòng)將故障區(qū)域信息發(fā)送到巡線人員手機(jī)上，巡線人員立即前往故障區(qū)域進(jìn)行故障點(diǎn)查找與修復(fù)，故障處理和恢復(fù)送電的時(shí)間約為20 min，比實(shí)施前可節(jié)省3/4的時(shí)間。

圖3 12桑園(下)線部分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4 1號(hào)桿(故障點(diǎn)前)零序電流波形

圖5 29號(hào)桿(故障點(diǎn)前)零序電流波形

圖6 49號(hào)桿(故障點(diǎn)后)零序電流波形

4 效益分析

該項(xiàng)目實(shí)施后從故障發(fā)生到故障恢復(fù)時(shí)間縮短為小于20 min，極大地保證了售電量。同時(shí)，在實(shí)施后能夠有效地對配網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，在發(fā)生故障時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確地判斷出故障區(qū)域，減少了人工巡線的環(huán)節(jié)，減少人力、物力等費(fèi)用，提高了供電可靠性。

采用基于暫態(tài)錄波技術(shù)的線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)后，配電主站系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示線路的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)會(huì)在2 min內(nèi)快速準(zhǔn)確地判斷出故障區(qū)域并通過短信的形式告知巡線人員，提高了工作效率。

5 結(jié)語

基于暫態(tài)錄波技術(shù)的線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對配電線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，可以獲取線路的運(yùn)行參數(shù)，并具備短路故障的快速準(zhǔn)確定位及對發(fā)生接地故障的時(shí)刻進(jìn)行故障錄波的功能，提高了故障排除速度，縮短了停電時(shí)間，減少了停電損失，提高了配網(wǎng)的供電可靠性。

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