小電流接地系統(tǒng)故障區(qū)段定位方法

許君 成振華

【摘?要】配電網(wǎng)廣泛采用中性點不接地運行方式和經(jīng)消弧線圈接地運行方式，即小電流接地系統(tǒng)。配電網(wǎng)結構復雜，故障多發(fā)，尤其單相接地故障最甚。本文深入分析基于配電網(wǎng)的小電流單相接地故障特征，提出一種基于暫態(tài)零序電流的配電自動化系統(tǒng)小電流接地故障區(qū)段定位新方法，提出了適應分布式故障處理的小電流接地故障暫態(tài)原理定位算法。

【關鍵詞】配電網(wǎng);小電流接地故障;零序電流;故障區(qū)段定位;

1?研究背景

現(xiàn)有依賴主站的集中式小電流接地故障定位方法參與環(huán)節(jié)多、不同廠家產(chǎn)品之間不易配合。需要依賴配電終端、通信系統(tǒng)、子站或主站的可靠協(xié)調(diào)配合，在掌握全局信息的基礎上才能做出正確判斷、生成處理策略，故障處理時間較長，參與環(huán)節(jié)多、可靠性低，并發(fā)故障時主站處理能力不足，特別是小電流接地故障暫態(tài)定位方法算法復雜，主站需要開發(fā)專用的處理模塊，存在軟件產(chǎn)權、系統(tǒng)管理等限制。為提高配電網(wǎng)故障處理的性能，對各種故障處理的方式進行比較，提出了分布智能協(xié)調(diào)控制策略。該方法依賴主站，通信壓力大，速度慢，投資大。通過對現(xiàn)有技術進行研究，提出一種基于分布式配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的小電流接地故障定位方法。該方法是饋線終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）之間通過對等通信交換故障信息，對采集到的暫態(tài)零序電流計算相似系數(shù)來確定故障的位置。這種基于分布式智能的故障定位方法，能適用于所有的檢測點，適應范圍廣。除此之外，它不依賴于主站，減小了通信壓力，可提高供電可靠性。

2?故障分析

中性點不接地系統(tǒng)有n條輸電線路，假如故障發(fā)生在其中一條線路上，檢測點在AD線段中，在A、B、C、D四處分別設置一個負荷開關，E為故障點，零模等效電路如圖1所示。

在AB區(qū)段的暫態(tài)零模電流為

式中i為故障點右側所有正常線路的暫態(tài)零模電流相加;i為AB段與大地之間的暫態(tài)零模電流。由上可知，CD區(qū)段的暫態(tài)零模電流為

式中i為故障點右側所有正常線路的暫態(tài)零模電流之和;i為CD段與大地之間的暫態(tài)零模電流。由式（1）、（2）得，各個檢測點的暫態(tài)零模電流之差等于它們之間線段的暫態(tài)電容電流。由于AB、CD段的線路比較短，故線段之間的暫態(tài)電流遠遠小于健全線路的零模電流總和，所以可以忽略AB、CD與大地之間的電容電流，則AB、CD段兩端的暫態(tài)零模電流近似相等，即i≈i，i≈i，二者的波形相似。

3?分布式小電流接地故障定位算法

3.1?各區(qū)段兩側暫態(tài)電流相似性特征分析

相似系數(shù)是描述兩個函數(shù)之間在任意時刻的相似程度，能分析函數(shù)中每一個分量的大小和角度關系，是描述隨機變量的重要統(tǒng)計數(shù)學特征。因此，可以求相鄰檢測點暫態(tài)電流之間的相似系數(shù)來分析它們之間的相似程度。

3.2?各區(qū)段兩側暫態(tài)電流有效值特征分析

定義各區(qū)段暫態(tài)電流有效值系數(shù)M為：

M表示故障點上游健全區(qū)段兩側暫態(tài)電流有效值系數(shù);M表示故障點下游健全區(qū)段兩側暫態(tài)電流有效值系數(shù);M表示故障區(qū)段兩側暫態(tài)電流有效值系數(shù)。一般配電網(wǎng)中整個系統(tǒng)對地電容電流大于故障線路對地電容電流2倍以上，每條饋線上裝設3或4個FTU。

3.3?各檢測點暫態(tài)零序電流峰值與工頻

零序電流幅值特征分析：設U為虛擬電壓幅值;ω為工頻頻率;ω、ω為故障點上、下游主諧振頻率;C、C為監(jiān)測點上、下游等效電容;φ為故障初相角。無論不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，單相接地時，故障點下游檢測點暫態(tài)零序電流峰值為：

故障點下游檢測點工頻零序電流幅值為：

對于故障點下游檢測點，暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值的比值均相等，可表示為：

同理可得，在不接地系統(tǒng)中，單相接地時故障點上游各監(jiān)測點暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值的比值均相等。同理根據(jù)相關公式可知，綜上，故障區(qū)段兩側h不等，故障點下游健全區(qū)段兩側h相等，可利用該特征區(qū)分故障區(qū)段和故障點下游健全區(qū)段。

4?分布式故障定位算法

4.1?分布式故障定位思路

對于兩側均設有監(jiān)測點的區(qū)段，同時利用兩側監(jiān)測點故障特征，可直接判斷其屬性（故障區(qū)段、上游健全區(qū)段或下游健全區(qū)段）。對于只有1個監(jiān)測點的末端區(qū)段，無法直接判斷區(qū)段屬性，可借助其上游區(qū)段屬性進行判斷，即：當上游區(qū)段屬性為上游健全區(qū)段時，則其為故障區(qū)段，否則為下游健全區(qū)段。

4.2?分布式故障定位判據(jù)

根據(jù)上述分析，各區(qū)段兩側暫態(tài)電流相關系數(shù)、暫態(tài)電流有效值系數(shù)以及暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值比特征如表1所示，綜合利用這些特征判斷區(qū)段屬性。其中，S表示上游健全區(qū)段;S表示下游健全區(qū)段;S表示故障區(qū)段。

4.3?分布式故障定位流程

正常運行時，通過逐級查詢方法識別系統(tǒng)拓撲結構，確定各個相鄰節(jié)點間的電氣連接關系。以某個主控FTU為例，說明故障發(fā)生后的處理流程。

a.故障時，F(xiàn)TU根據(jù)暫態(tài)零序電流越限/暫態(tài)零序電壓越限啟動并作為主控FTU，首先將其所監(jiān)測的節(jié)點作為根節(jié)點。若該節(jié)點不是最末檢測點，則將其下游相鄰檢測點作為子節(jié)點，若為最末檢測點，則將其上游相鄰檢測點作為子節(jié)點。

b.向其子節(jié)點FTU請求故障信息，子節(jié)點FTU返回故障零序電流錄波數(shù)據(jù)。

c.計算兩檢測點暫態(tài)零序電流波形相關系數(shù)、暫態(tài)電流有效值系數(shù)以及區(qū)段兩側暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值之比。

d.首先判斷該區(qū)段兩側檢測點暫態(tài)電流波形是否相似但極性相反。若是，則該區(qū)段為故障區(qū)段，執(zhí)行步驟g，否則執(zhí)行步驟e。

e.判斷該區(qū)段M

f.判斷該區(qū)段兩側檢測點h之差的絕對值是否小于預設門檻值hT（可取為1）。若是，則該區(qū)段為故障點下游健全區(qū)段，該FTU停止運行。否則為故障區(qū)段，執(zhí)行步驟g。

g.參照短路故障協(xié)同模式處理方式進行故障隔離及恢復健全區(qū)段供電。

h.將定位和處理結果上報主站。

5?結論

本文經(jīng)過理論分析計算，根據(jù)故障區(qū)段、故障點上游健全區(qū)段與下游健全區(qū)段兩側暫態(tài)電流波形相關系數(shù)、暫態(tài)電流有效值系數(shù)以及區(qū)段兩側暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值之比特征，實現(xiàn)了分布式小電流接地故障定位。

（作者單位：國網(wǎng)永州供電公司）