一種基于參數(shù)識別的配電網(wǎng)單相接地故障 區(qū)段定位方法

馬志賓，張少凡，李俊格，蔡燕春

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

我國配電網(wǎng)大多采用中性點小電流接地方式，為了保證供電的可靠性，單相接地故障后允許繼續(xù)運行2 h，但此時相電壓升高至線電壓[1-2]，而配電網(wǎng)單相接地故障頻發(fā)，為了避免長時間帶故障運行導致相間短路或者多點接地短路需盡快定位故障。

目前的定位方法主要有以下2類：

a) 利用外加信號[3-5]的方法進行定位，但受過渡電阻的影響較大，并且需要較多的輔助裝置，效果不佳。文獻[3]的方法注入信號比較微弱，尤其在接地電阻較大或者接地點存在間歇性電弧時，檢測效果不佳；文獻[4]針對間歇性電弧接地提出了一種改進方法，即直流開路、交流尋蹤的方法，首先通過故障后外加直流高壓使接地點保持擊穿狀態(tài)，然后加入交流檢測信號，通過尋蹤交流信號實現(xiàn)選線和故障定位，但這樣對于故障點的絕緣恢復不利；文獻[5]針對高阻接地提出了一種變頻信號注入法，當接地電阻較小時，信號電流大部分都經(jīng)故障線路流通，導致非故障線路上的阻尼率也較大，效果并不理想。

b) 利用線路本身電氣量故障前后的變化來實現(xiàn)故障定位，其中又分為故障穩(wěn)態(tài)分量定位和故障暫態(tài)量定位[6]。發(fā)生單相故障后，尤其是消弧線圈接地系統(tǒng)，故障線與正常線的穩(wěn)態(tài)電氣量差別不大，故障定位失效。文獻[7]提出一種將故障定位轉(zhuǎn)化為電流矩陣的方法，也只是適用于不接地系統(tǒng)，所以只能采用暫態(tài)量[8-11]進行故障定位。文獻[8]提出用暫態(tài)相電流的方法，需要配置三相電流互感器(current transformer,CT)且受負荷變化影響；文獻[9]提出一種零模電流相關性的方法，但對時間同步精度要求較高；文獻[10]提出利用線電壓和零模電流的定位方法，需要三相電壓互感器(voltage transformer,VT)或者3個線電壓，電壓門檻設定值受故障強度和過渡電阻影響，且高阻接地效果不好。如文獻[11]所述，現(xiàn)有暫態(tài)量定位方法大多有待完善，受中性點接地方式、過渡電阻等外部因素影響較大。

近年來以小波分析法[12-13]為首的一些新興數(shù)學方法用于小電流選線中，取得了一些效果，但小波基函數(shù)及小波分解尺度的選擇缺乏理論據(jù)。文獻[12]提出利用小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡結合對暫態(tài)零序電流處理的定位方法，但該方法對微變量過于敏感，抗干擾能力差；文獻[13]對暫態(tài)零序電流進行雙樹復小波，去噪徹底抗干擾能力強，但也僅是用于故障選線而不能用于故障定位；文獻[14]提出了利用零模和線模行波分量速度差的故障定位方法，但需要故障后準確捕捉波頭、采樣頻率高等條件，難于實現(xiàn)。

本文提出一種基于參數(shù)識別的配電網(wǎng)單相接地故障區(qū)段定位新方法。在零序網(wǎng)絡中，對于特定的頻帶，正常線路與故障線上故障點之后的線路可以等效為正電容，而故障線上故障點之前的線路可以等效為負電容。在配電網(wǎng)各線路出口及分支處安裝保護裝置，利用保護裝置測量得到的零序電壓和零序電流識別各區(qū)段電容值，根據(jù)識別得到的電容值的正負即可判別故障區(qū)段，進而結合網(wǎng)絡拓撲即可實現(xiàn)故障區(qū)段定位。本方法基于網(wǎng)架結構，正常線路等效模型穩(wěn)定，實用性強，可靠性高。

1 等效模型

有n條出線的配電網(wǎng)單相接地故障的零序網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 單相接地零序網(wǎng)絡結構Fig. 1 Structure of zero sequence network with single- phase grounding fault

圖1中，隔離開關QS控制中性點接地方式為中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地；R0x、L0x、C0x(x=1，2,…,n)分別為線路x的電阻、電感、電容參數(shù)。故障點位于第i條線路上時，線路在故障點兩邊的部分各用一個“π”模型表示，其中R0F、L0F、C0F為故障點與母線間線路參數(shù)；uF0為故障點處的等效零序電壓源；3L為消弧線圈的電感。

因配電網(wǎng)出線一般較短，40 km 長的線路已經(jīng)是超長線路，所以在研究故障區(qū)段定位時，線路采用“π”模型已足夠精確。

1.1 正常線路等效模型及等效頻帶

發(fā)生單相接地故障時，正常線路和故障點后方線路的“π”模型零序等效模型如圖2所示。

圖2 正常線路零序等效模型Fig. 2 Zero sequence equivalent model of normal lines

由圖2知，線路的零序等效阻抗

(1)

根據(jù)上述結論，在一定截止頻率下，圖1的系統(tǒng)零序網(wǎng)絡可簡化成如圖3所示。

圖3 單相接地故障零序網(wǎng)絡簡化結構Fig.3 Simplified structure of zero sequence network with single-phase grounding fault

圖3中，C0k∑表示各正常線路和故障線路故障點后方部分的零序等效電容值。

1.2 故障部分等效模型及等效頻帶

對于故障點前方網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡阻抗為所有正常線路(包括消弧線圈支路)并聯(lián)再與故障點前方線路串聯(lián)后所呈現(xiàn)的阻抗。在某一截止頻率之下，所有正常線路可以等效為一對地電容Cg，作為故障點前方線路的負荷。因此，故障點前方網(wǎng)絡結構可簡化為如圖4所示的電路模型。

圖4 故障點前方網(wǎng)絡簡化電路Fig. 4 Simplified circuit of network in front of the fault point

圖4中，隔離開關QS打開和閉合分別對應中性點不接地和消弧線圈接地?？梢姡收喜糠值木€路等效與中性點接地方式有關，以下對這2種情況分別進行討論。

1.2.1 中性點不接地系統(tǒng)

在中性點不接地時，圖4中的消弧線圈退出，電路末端僅有電容。此時，故障點前方等效阻抗

(2)

顯然，此等效阻抗也存在一串聯(lián)諧振頻率f0F，在此頻率下，該阻抗等效為電容，所以故障線路在故障點前方的部分也可等效為電容。令f0,min為f0F和f0x,min兩者中的最小值，那么，在0～f0,min頻段內(nèi)，各條線路都可完全等效為對地電容，其結構如圖5所示(虛線箭頭為零序電流的參考方向，從母線指向線路；實線箭頭為零序電流的實際方向)。

圖5 零序?qū)Φ仉娙菽Ｐ虵ig. 5 Zero sequence ground capacitance model

1.2.2 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

在中性點經(jīng)消弧線圈接地時，圖5中的消弧線圈投入，電路末端不僅有電容，還有電感。易知線路末端電容C0F、Cg和電感3L的并聯(lián)諧振頻率

(3)

由于消弧線圈的過補償度一般為5%～10%，所以系統(tǒng)無故障時，系統(tǒng)并聯(lián)諧振頻率略大于工頻頻率，但遠低于f0x, min，具體值由消弧線圈電感和線路的對地電容共同決定。由于消弧線圈的影響，不同頻帶內(nèi)故障點前方網(wǎng)絡的零序等效電路所表現(xiàn)的性質(zhì)并不相同，結合具體頻帶對其作以下具體分析：

a)0

b)f1

綜上所述，得出以下結論：對于中性點不接地系統(tǒng)，在0～f0x, min段內(nèi)，各條線路都可完全等效為對地電容，從而有如圖5所示的網(wǎng)絡零序?qū)Φ仉娙菽Ｐ?。消弧線圈接地系統(tǒng)，在f1～f0,min頻段內(nèi)，故障點前方的測量點的背側(cè)阻抗為電容，也可以得到如圖5所示的模型。至此，建立了一定頻段內(nèi)的配電網(wǎng)零序等效模型。

2 參數(shù)識別及判據(jù)

2.1 參數(shù)識別原理

由文章第1節(jié)可知，配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，在某一頻率范圍內(nèi)，正常線路的零序模型可等效為1個正電容；對故障線路而言，其零序模型由系統(tǒng)背側(cè)的電路構成，在指定的電壓電流參考方向以及指定的頻段內(nèi)亦可等效為1個負電容。

2.1.1 正常線路和故障后方線路

第k條線路(區(qū)段)的零序電流

(4)

式中u0和t分別為t時刻的零序電壓和對應的時刻。

2.1.2 故障部分線路

(5)

2.2 區(qū)段定位判據(jù)

由以上分析可以形成我們的判據(jù)：通過在測量點處測量得到零序電壓和零序電流，求取對應區(qū)段的等效電容值，然后判斷所得電容值的正負就可以判斷故障點所在區(qū)段。

在用程序?qū)崿F(xiàn)時采用識別區(qū)段x的電容如式(6)所示[15]，其中N為數(shù)據(jù)窗長所對應的點數(shù)，這里取1/2個周波對應的采樣點數(shù)。

識別區(qū)段x電容

(6)

3 信號頻帶選取與仿真驗證

3.1 信號頻帶選取

由正文第1節(jié)內(nèi)容可知，只有在一定頻帶范圍內(nèi)，所有線路才可以等效為一電容模型。不同長度的架空線零序模型等效為電容的截止頻率見表1，不同長度的電纜零序模型可以等效為電容的截止頻率見表2。

表1 不同長度架空線零序π模型等效為電容的截止頻率
Tab. 1 Cut-off frequency of zero sequence π models ofvariable-length overhead lines as equalizing to capacitors

線路長度/km1020406080截止頻率/Hz3 4001 700850565425

表2 不同長度電纜零序π模型等效為電容的截止頻率
Tab. 2 Cut-off frequency of zero sequence π models ofvariable-length cables as equalizing to capacitors

線路長度/km2481020截止頻率/Hz3 4001 700850680340

對中性點不接地系統(tǒng)只需進行低通濾波，因配電網(wǎng)出線一般較短(架空線小于40 km，電纜小于10 km)，從表1、表2可得，截止頻率為680 Hz可滿足要求；考慮一定的裕度，在仿真中的截止頻率取600 Hz。對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，用暫態(tài)下的首容頻段內(nèi)的信號進行故障區(qū)段定位，需要濾除電感頻段，一般消弧線圈過補償度p約10%，因此消弧電感和對地電容的并聯(lián)諧振頻率f1=52.44 Hz；一般來說，系統(tǒng)中最大2條線路的零序電容之和不會超過整個系統(tǒng)對地電容的89%，也就是在此極端情況下系統(tǒng)對地電容為原來的11%，此時f1,new≈158 Hz ，實際取3倍頻150 Hz作為帶通濾波的下限即可。所以消弧線圈接地系統(tǒng)最終選取150～600 Hz的信號進行區(qū)段故障定位。

3.2 仿真模型

以山西某配電網(wǎng)模型為例，在PSCAD上搭建如圖6所示的10 kV小電流接地系統(tǒng)模型進行仿真驗證，采樣頻率為10 kHz，用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)有4條主饋線，主饋線1、3分為3段，其上2條分支線編號分別為5、8及10和13，其余2條主饋線各分為2段。區(qū)段1、3、5、10為電纜，其余都是架空線，具體的線路、變壓器及負荷參數(shù)來自文獻[16]。隔離開關QS控制消弧線圈的投切，投入時過補償度p為10%。

圖6 10 kV小電流接地系統(tǒng)模型結構Fig. 6 Structure of 10 kV small current grounding system model

3.3 仿真結果及分析

分別在消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)中[17-18]的不同區(qū)段內(nèi)設置故障點、不同的過渡電阻以及故障時刻來獲取故障區(qū)段與非故障區(qū)段識別的電容波形，考慮到配電網(wǎng)線路較短，且架空線的零序電容較小，在用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理時，對識別的電容擴大了1 000倍，計算數(shù)據(jù)窗長為100個點(半個周期)。圖7和圖8為區(qū)段6末端在t=2.005 s時發(fā)生經(jīng)5 Ω電阻A相接地故障時的部分仿真曲線(圖7為QS打開；圖8為QS關閉)。

圖7 QS打開時識別的電容波形Fig. 7 Identified capacitance waveforms as QS is open

圖8 隔離開關QS閉合時識別的電容波形Fig. 8 Identified capacitance waveforms as QS is closed

從圖7可看到，區(qū)段6為故障區(qū)段，其他為非故障區(qū)段，區(qū)段1、6識別電容為負數(shù)，其他區(qū)段識別的電容為正數(shù)(在此僅給出了區(qū)段3、8)，結合拓撲可以準確判斷區(qū)段6為故障區(qū)段；從圖8(經(jīng)消弧線圈的過補償接地系統(tǒng)仿真結果)可看到，正常區(qū)段識別的電容一致為正數(shù)，而故障區(qū)段波形故障后一段時間為負數(shù)，且波形與正常區(qū)段差別較大，仍舊可以準確識別出故障區(qū)段。

這里需要說明的是，消弧線圈接地系統(tǒng)中，故障區(qū)段僅在故障后一段時間內(nèi)識別出的電容是負數(shù)，因為獲得等效的電容模型需要帶通濾波(150～600 Hz)，而僅在故障后一段時間內(nèi)，高頻量較為豐富，可以獲得帶通頻帶內(nèi)的電氣量；穩(wěn)態(tài)后高頻電氣量幾乎沒有，故障區(qū)段就不能等效成電容了，經(jīng)過運算識別的電容也就沒參考價值了。

另外分別在其他區(qū)段設置故障點，不同故障時刻以及不同的過渡電阻在2種接地方式下均可以準確識別出故障區(qū)段，在此不再一一給出。

3.4 動模實驗室數(shù)據(jù)驗證

在許繼集團的開普實驗室搭建如圖9所示的簡單配電網(wǎng)模型來做進一步的驗證。

圖9 開普實驗室配電網(wǎng)模型Fig. 9 Distribution network model in KaiPu Laboratory

消弧線圈處于過補償，其中編號1、2為電纜，長度分別為2 km和5 km；3、4、5、6為架空線，長度分別為5 km、10 km、15 km、 20 km。采樣頻率為2.5 kHz，t=1 s時故障發(fā)生。系統(tǒng)參數(shù)為電纜：正序電阻0.024 2 Ω/km；正序電抗0.162 2 Ω/km；正序電容0.010 0 MΩ·km；零序電阻0.196 5 Ω/km；零序電抗0.306 3 Ω/km；零序電容0.014 6 MΩ·km。

架空線路：正序電阻0.020 8 Ω/km；正序電抗0.281 3 Ω/km；正序電容0.024 7 MΩ·km；零序電阻0.114 8 Ω/km；零序電抗0.719 1 Ω/km；零序電容0.060 7 MΩ·km。

測量變比：線路零序電流200 A/1 A或20 A/1 A，母線電壓10 kV/100 V。線路1、4末端接地故障時識別電容仿真曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 線路1末端90 Ω 電阻A相接地故障識別電容波形Fig. 10 Identified capacitance waveforms as A phase grounding fault occurs at the end of line 1 with 90 Ω resistance

圖11 線路4末端500 Ω電阻A相接地故障識別電容波形Fig. 11 Identified capacitance waveforms as A phase grounding fault occurs at the end of line 4 with 500 Ω resistance

從圖10和圖11的數(shù)據(jù)波形可以看出，故障線路識別電容的波形在故障后一段時間為負數(shù)，與正常線路有區(qū)別，因此進一步驗證了此方法在消弧線圈接地系統(tǒng)中適用性，且有相對較強的過渡電阻能力。

正常線路識別的電容在剛開始隨時間變化，是由于最小二乘識別電容的數(shù)據(jù)窗長為1/2個周波，故障后的1/2個周波識別的電容波形用到故障前的數(shù)據(jù)所導致。

3.5 總結

分別在消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)中，利用識別等效電容的正負進行故障定位。如果某處的區(qū)段隔離開關處識別計算到的電容值為負，則說明接地故障在該開關后面；反之，則該隔離開關后面的區(qū)段為正常線路。當識別計算2個相鄰區(qū)段的電容值符號相反時，說明2個隔離開關之間線路即為故障區(qū)段。

仿真和動模實驗室數(shù)據(jù)表明，在小電流接地系統(tǒng)中在不同區(qū)段、經(jīng)不同過渡電阻發(fā)生單相接地短路時，利用本文提出的參數(shù)識別方法，均能夠可靠進行故障區(qū)段定位。

4 結論

通過對典型配電網(wǎng)的研究分析，本文提出了1種基于參數(shù)識別的配電網(wǎng)單相故障區(qū)段定位方法，通過識別正常線路和故障部分線路的等效電容值，進行故障點的區(qū)段定位。仿真以及動模實驗數(shù)據(jù)均表明，對于小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，都能夠快速、靈敏、可靠地進行故障點區(qū)段定位，且計算簡單，易于實現(xiàn)，具有一定的實用價值。但文中還有很多不足和值得進一步研究挖掘的地方。對線路參數(shù)進行了假設條件，尚未通過實際電網(wǎng)的錄波數(shù)據(jù)驗證，實際效果還需時間檢驗，因此本方法最終的推廣應用還有待后續(xù)進一步的研究。