配電系統(tǒng)多重故障辨識(shí)及恢復(fù)策略研究

霍 健，尹茂林

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

配電網(wǎng)多重故障對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有極為不利的影響［1］，在中性點(diǎn)非直接接地的配電系統(tǒng)中，單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振均會(huì)造成零序電壓升高及相電壓異常，故障判別辨識(shí)困難［2］。且單相接地、斷線均易引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓，造成多重故障的疊加，增加了故障辨識(shí)、隔離與恢復(fù)的難度。因此，對(duì)此類多重故障的機(jī)理及特征進(jìn)行分析并研究其最優(yōu)的辨識(shí)與恢復(fù)策略，對(duì)提高配電系統(tǒng)故障處理效率，提升供電可靠性具有重要的意義。

對(duì)復(fù)雜多重故障的辨識(shí)與分析是提高調(diào)控運(yùn)行效率的重要手段［3］，文獻(xiàn)［1］提出了多重故障對(duì)配電網(wǎng)可靠性的量化評(píng)估方法，文獻(xiàn)［3-5］對(duì)斷線及單相接地激發(fā)鐵磁諧振的機(jī)理進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)［2，6］提出了接地、諧振等故障的辨識(shí)方法。但以上研究均未涉及多重故障處理流程及恢復(fù)策略的優(yōu)化。

在介紹配電系統(tǒng)接地、斷線激發(fā)鐵磁諧振原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振的故障特征，分析單相接地及鐵磁諧振、電壓互感器高壓熔絲熔斷的多重故障辨識(shí)及恢復(fù)策略。在每次試斷開(kāi)配電線路前，根據(jù)電壓幅值及實(shí)時(shí)波動(dòng)情況，首先排除諧振及電壓互感器高壓側(cè)熔斷的干擾；利用綜合故障測(cè)度確定并隔離接地線路。實(shí)際案例分析說(shuō)明所述策略的故障處理過(guò)程。

1 接地、斷線激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓機(jī)理分析

1.1 單相接地激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓

小電流接地的配電系統(tǒng)中，單相接地故障發(fā)生及消除瞬間，電壓互感器均會(huì)嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致鐵磁諧振［7］。發(fā)生單相接地時(shí)，瞬時(shí)電弧過(guò)電壓導(dǎo)致電壓震蕩；單相接地消除時(shí)，非故障兩相由線電壓突變?yōu)橄嚯妷?，在故障期間由于過(guò)電壓被充電的對(duì)地電容通過(guò)電壓互感器一次側(cè)釋放電荷，造成電壓互感器飽和。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電壓互感器等值電路

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電壓互感器等值電路如圖1所示， 圖中，EA、EB、EC分別為 A、B、C 三相電源電動(dòng)勢(shì)，U0為中性點(diǎn)電壓，LA、LB、LC為電壓互感器的三相勵(lì)磁電感，CA、CB、CC為系統(tǒng)三相對(duì)地電容，由圖1可知，系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓可以由式（1）表示。

式中：YA、YB、YC為三相等值電納。

單相接地故障表現(xiàn)為接地相電壓降低，非接地兩相電壓升高，因此，故障發(fā)生瞬間一般會(huì)出現(xiàn)電壓互感器非接地兩相飽和。對(duì)圖1所示的等值電路，若A相接地激發(fā)鐵磁諧振，則A相未飽和，等效電容CA=C0，B、C 相飽和，等效電感 LB=LC=L，則式（1）可表示為

對(duì)式（2）作向量圖分析如圖2所示，由式（2）及圖2可知，U0與EA相位相反，在此種情況下激發(fā)的鐵磁諧振，造成電壓互感器飽和兩相電壓升高，非飽和相電壓降低。若飽和程度較低，U0幅值較小，則B、C兩相電壓幅值不超過(guò)線電壓，如圖2（a）所示；若飽和程度較高，U0幅值較大，則會(huì)造成B、C兩相電壓幅值高于線電壓，如圖2（b）所示。

圖2 電壓互感器飽和鐵磁諧振電壓向量分析

1.2 斷線激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓

小電流接地系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)電壓互感器三相電感分別為L(zhǎng)A、LB、LC，若長(zhǎng)度為l的配電線路在距電源xl（0＜x＜1）處發(fā)生 A 相斷線故障，故障線路對(duì)地電容為C0L，相間電容為C1L，則A相電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)對(duì)地電容分別為 xC0L、xC1L；相間 電容 分別為（1-x）C0L、（1-x）C1L。斷線故障情況下，系統(tǒng)的單相等值電路如圖3所示。

圖3 斷線系統(tǒng)單相等值電路

在圖3所示系統(tǒng)中，根據(jù)基爾霍夫定律，系統(tǒng)電感電壓UL及系統(tǒng)母線電壓為U

系統(tǒng)斷線可能會(huì)造成電壓互感器飽和，導(dǎo)致其斷線相電感LA減小，若LA的值減小至使XL與XC滿足諧振條件，則導(dǎo)致諧振過(guò)電壓。實(shí)際運(yùn)行中，為避免單相接地故障電流過(guò)大，變電站多采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，且處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)［8］。此時(shí)，諧振過(guò)電壓表現(xiàn)為斷線相電壓降低，非斷線相電壓升高。

2 配電系統(tǒng)多重故障優(yōu)化辨識(shí)及恢復(fù)策略

對(duì)于單相接地故障，傳統(tǒng)處理方式是通過(guò)短時(shí)停電法將接地母線的配電線路試斷開(kāi)，若試斷開(kāi)第k條線路后母線電壓恢復(fù)正常，則判斷第k條線路為接地故障線路。若全部線路試斷開(kāi)后電壓仍未恢復(fù)，則需進(jìn)行第二輪試斷開(kāi)甚至將母線停電處理［8］。

單相接地故障的發(fā)生和消除以及斷線故障均可能導(dǎo)鐵磁諧振過(guò)電壓，諧振過(guò)電壓可能表現(xiàn)為故障（接地、斷線）相電壓降低，非故障兩相電壓升高，與單相接地故障象征相似。小電流選線裝置僅依靠零序電壓和零序電流啟動(dòng)，無(wú)法區(qū)分接地、諧振與電壓互感器高壓側(cè)熔斷。

配電系統(tǒng)單相接地、鐵磁諧振、電壓互感器高壓側(cè)熔絲熔斷、斷線故障特征對(duì)比如表1所示。對(duì)于單純的鐵磁諧振或電壓互感器高壓側(cè)熔絲熔斷造成的母線電壓異常，可以根據(jù)表1中的故障特征準(zhǔn)確判斷故障原因，但若系統(tǒng)發(fā)生接地故障的同時(shí)，伴隨其激發(fā)的鐵磁諧振及電壓互感器高壓側(cè)熔絲熔斷，一方面多重故障疊加后故障象征并不明顯符合表1中單一故障的特征，判斷困難；另一方面，即便通過(guò)短時(shí)停電法將接地線路隔離，由于鐵磁諧振或電壓互感器高壓熔絲熔斷，電壓異常及接地告警信號(hào)也不會(huì)消失，無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí)接地線路。

表1 配電系統(tǒng)電壓異常類故障特征對(duì)比

通過(guò)分析表1中4種故障電壓幅值及波動(dòng)方式的不同，結(jié)合單相接地故障處理流程，可以得到配電系統(tǒng)多重故障優(yōu)化辨識(shí)及恢復(fù)流程如圖4所示，核心是在每次試斷開(kāi)線路前，根據(jù)電壓幅值及實(shí)時(shí)波動(dòng)情況，首先排除諧振及電壓互感器高壓側(cè)熔斷的干擾，通過(guò)投切電容器、空載線路等方式破壞諧振條件；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查，排除電壓互感器高壓側(cè)熔斷的干擾。以避免接地線路隔離后虛幻接地現(xiàn)象導(dǎo)致試斷開(kāi)環(huán)節(jié)無(wú)法結(jié)束。

圖4中，試斷開(kāi)第k條線路的選擇以相關(guān)規(guī)程規(guī)定的原則為基礎(chǔ)，詳細(xì)試斷開(kāi)序列由以線路結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)構(gòu)成的接地故障綜合測(cè)度函數(shù)［9-10］確定，以提高試斷開(kāi)線路準(zhǔn)確性。若接地母線共有N條出線，則第k條線路Lk接地故障測(cè)度函數(shù)m（Lk）為

式中：mj為線路Lk第j個(gè)單一故障測(cè)度值，如零序電流擾動(dòng)量大小、歷史故障次數(shù)、分支線條數(shù)等；ωj為相應(yīng)單一故障測(cè)度在綜合測(cè)度函數(shù)中的自適應(yīng)權(quán)重。對(duì)接地母線上N條出線按m（L）由大到小即為試斷開(kāi)序列。

圖4 配電系統(tǒng)多重故障優(yōu)化辨識(shí)及恢復(fù)流程

由于斷線故障不會(huì)造成站內(nèi)母線電壓的明顯異常，因此母線電壓恢復(fù)正常后，結(jié)合故障巡視排查斷線故障即可。

3 實(shí)例分析

以某地區(qū)35 kV W站10 kV 1號(hào)、2號(hào)母線單相接地、電壓互感器高壓熔絲熔斷、鐵磁諧振及線路斷線的多重故障處理過(guò)程為例，分析說(shuō)明提出的配電網(wǎng)多重故障辨識(shí)恢復(fù)過(guò)程及其優(yōu)越性。35 kV W站10 kV 1號(hào)、2號(hào)母線及其出線的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式如圖5所示。某日，10 kV 1號(hào)、2號(hào)母線電壓顯示為10 kV、10 kV、0 kV，且發(fā)出C相接地告警信號(hào)。小電流選線裝置選線為線路W5。

W站10 kV母線三相電壓及告警信息表現(xiàn)為典型單相接地故障。調(diào)控人員首先根據(jù)小電流選線信息試斷開(kāi)線路W5后，接地告警信息未復(fù)歸，C相電壓仍為0 kV，A、B兩相電壓幅值在8～11 kV范圍內(nèi)波動(dòng)。調(diào)控人員試斷開(kāi)線路W5后，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)顯示W(wǎng)站10 kV 1號(hào)、2號(hào)母線A、B兩相電壓幅值如圖6、圖7所示。圖6及圖7中，t1、t2分別為系統(tǒng)發(fā)生故障及調(diào)控人員試斷開(kāi)線路W5的時(shí)刻。

圖5 W站10 kV 1號(hào)、2母線及其出線結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4所示多重故障辨識(shí)及恢復(fù)處理流程，在試斷開(kāi)線路W5后，雖然系統(tǒng)仍然呈現(xiàn)單相接地故障象征，但調(diào)控人員通過(guò)對(duì)比A、B相電壓的幅值及波動(dòng)情況，判斷可能存在鐵磁諧振，在試斷開(kāi)第二條線路前，首先投入1號(hào)電容器，母線A、B兩相電壓恢復(fù)正常，C相電壓仍然為零。

圖6 試斷開(kāi)線路W5前后母線A相電壓幅值變化情況

圖7 試斷開(kāi)線路W5前后母線B相電壓幅值變化情況

檢查站內(nèi)10 kV母線電壓互感器后，確認(rèn)電壓互感器高壓熔絲C相熔斷；更換電壓互感器的C相高壓熔絲后，系統(tǒng)電壓顯示恢復(fù)正常，接地告警信號(hào)復(fù)歸。調(diào)控人員將試斷開(kāi)的線路W5送電后，接地信號(hào)重新發(fā)出，三相電壓變?yōu)?0 kV、10 kV、0 kV。由此確認(rèn)線路W5為接地故障線路，配電運(yùn)檢人員巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)線路W3存在單相斷線故障。調(diào)控人員隨即將線路W3停電處理。

通過(guò)對(duì)故障的分析可知，線路W5 C相接地的同時(shí)，10 kV母線電壓互感器 C相高壓熔絲熔斷；調(diào)控人員試斷開(kāi)線路W5后，由于單相接地故障的消除激發(fā)系統(tǒng)鐵磁諧振，造成BC相電壓仍然在10 kV附近波動(dòng)，同時(shí)，由于電壓互感器C相高壓熔絲故障，C相電壓始終顯示為零，因此在接地線路W5停電之后，系統(tǒng)仍然存在與單相接地故障極為相近的電壓異常及接地告警。對(duì)調(diào)控人員準(zhǔn)確辨識(shí)及隔離故障造成干擾。

根據(jù)一般的接地故障處理流程；若試斷開(kāi)線路W5后接地信號(hào)未復(fù)歸；電壓異常未消失，則需將線路W5送電并依次試斷開(kāi)線路W1～W4。若接地信號(hào)仍未消除，則認(rèn)為多條線路同相接地，進(jìn)行第二輪試斷開(kāi)，斷開(kāi)每條線路后，不再送電，直至接地信號(hào)消失［8］。若通過(guò)一般接地故障處理流程處理該多重故障，試斷開(kāi)線路W5并將其送電后，系統(tǒng)接地故障仍然存在，試斷開(kāi)線路W1～W4均不會(huì)消除接地故障，需進(jìn)行第二輪試斷開(kāi)。試斷開(kāi)至第二輪第二條線路后，母線AB相電壓方能恢復(fù)至正常值。若以故障相電壓的波動(dòng)情況表示故障處理過(guò)程，則按照一般接地故障處理流程，試斷開(kāi)過(guò)程如圖8所示。圖8中曲線表示故障相電壓幅值。

圖8 一般接地故障處理流程試斷開(kāi)過(guò)程

圖8中，需試斷開(kāi)線路7條次；若試斷開(kāi)一條線路時(shí)長(zhǎng)為3 min，將圖8所示傳統(tǒng)方法與調(diào)控人員按本文所述策略處理的過(guò)程比較，試斷開(kāi)線路及影響負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

由表2可知，相對(duì)傳統(tǒng)故障處理流程，所述策略對(duì)單相接地、電壓互感器高壓熔絲熔斷、鐵磁諧振疊加的配電系統(tǒng)多重故障可以更快速準(zhǔn)確的辨識(shí)和恢復(fù)，能夠提高調(diào)控人員故障處理工作效率。

表2 所述策略與傳統(tǒng)處理方式效率對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

配電系統(tǒng)中單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振均會(huì)造成零序電壓升高及相電壓異常。易互相誘發(fā)形成多重故障，使故障辨識(shí)、隔離及恢復(fù)變得困難。傳統(tǒng)的單相接地故障處理流程無(wú)法對(duì)這樣的多重故障進(jìn)行精準(zhǔn)快速的辨識(shí)和恢復(fù)。

首先梳理了配電系統(tǒng)單相接地及斷線故障激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓的原理，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振的故障特征，分析了配電系統(tǒng)多重故障辨識(shí)及恢復(fù)策略。在每次試斷開(kāi)配電線路前，根據(jù)電壓幅值及實(shí)時(shí)波動(dòng)情況，排除諧振及電壓互感器高壓側(cè)熔斷的干擾；利用綜合故障測(cè)度確定并隔離接地線路。35 kV W站10 kV系統(tǒng)多重故障處理過(guò)程分析表明，對(duì)單相接地、電壓互感器高壓熔絲熔斷、鐵磁諧振疊加的配電系統(tǒng)多重故障，所述方法能夠更快速準(zhǔn)確地辨識(shí)和恢復(fù)，提高調(diào)控人員故障處理效率。