故障指示器線路故障區(qū)間定位測試系統(tǒng)及測試方案設計

劉 霡，張彥兵

（1.三峽大學國際文化交流學院，湖北宜昌 443000；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

配電線路故障指示器的設計初衷是解決中性點非有效接地的配網(wǎng)線路發(fā)生單相接地故障時故障區(qū)間定位困難的問題[1-3]。相對而言，暫態(tài)錄波型、外施信號型、零序電壓啟動高精度錄波型以及電場啟動型高精度錄波型故障指示器具有一定的應用效果?，F(xiàn)階段故障指示器的測試主要以單套故障指示器的性能試驗為主，而實現(xiàn)線路故障區(qū)間的定位需要主站系統(tǒng)綜合處理故障指示器所上傳的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障區(qū)間的辨識[4-7]。配電線路故障指示器組網(wǎng)性能測試，是評判配電線路故障區(qū)間定位正確率的有效測試手段。

電力系統(tǒng)數(shù)字實時仿真，相對物模試驗環(huán)境而言，具有試驗便捷、建模靈活、成本風險可控等優(yōu)勢。電力系統(tǒng)實時仿真系統(tǒng)、功率放大器、升流器、升壓器相結合，可以搭建測試功能完善的試驗環(huán)境[8-10]。

設計配電網(wǎng)接地方式自動切換、故障點及故障類型自動觸發(fā)、故障角度自由可控、外施信號源集成開發(fā)、電能質量極端工況模擬、接地電阻自動切換的仿真測試系統(tǒng)，完成配電網(wǎng)運行工況建模。歸納了配電網(wǎng)常規(guī)類型的接地故障試驗項目，設計了特殊類型的接地故障試驗項目，為多套故障指示器組網(wǎng)實現(xiàn)單相接地故障區(qū)間定位提供了參考試驗項目。

1 測試系統(tǒng)設計

10 kV配電系統(tǒng)主接線如圖1所示，10 kV母線有多條出線，配電系統(tǒng)經(jīng)母線安裝的接地變引出中性點，控制中性點斷路器的通、斷狀態(tài)，并匹配相應的線路長度，模擬配電網(wǎng)不同的中性點接地運行方式。P1、P2、P3、P4為安裝在不同線路區(qū)段的故障指示器。K1、K3、K8為不同區(qū)段的區(qū)內故障點，K2、K7為區(qū)外故障點，分別模擬區(qū)、內外故障點發(fā)生單相接地故障，可用于考核故障區(qū)間定位系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

圖1 10 kV配電系統(tǒng)主接線圖

系統(tǒng)中性點接地方式有不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)10Ω小電阻接地3中方式，接地方式的選擇依據(jù)配網(wǎng)對地電容電流的大小而定，也可根據(jù)實際需求進行調整。如：當不接地系統(tǒng)對地電容電流小于10A時，系統(tǒng)接地方式分為不接地；當不接地系統(tǒng)對地電容電流為10 A～30 A時，系統(tǒng)接地方式為經(jīng)消弧線圈接地，消弧線圈為預調諧方式，補償度為過補償5%；當不接地系統(tǒng)對地電容電流大于30A時，系統(tǒng)接地方式為經(jīng)小電阻接地，小電阻阻值選10 Ω。線路負荷大小可根據(jù)實際需求進行模擬，如重載、輕載、空載等運行工況。

測試系統(tǒng)組成如圖2所示，分別由電力系統(tǒng)實時仿真器、功率放大器、升壓裝置、故障指示器懸掛安裝架組成。在實時仿真器中模擬10kV配電系統(tǒng)不同運行工況下發(fā)生單相接地故障、模擬非故障工況下的擾動工況，并將故障指示器安裝處系統(tǒng)的線路電流、電場值以小信號的形式實時發(fā)送給RTIO智能接口單元，經(jīng)功率放大器、電流升流器、電壓升壓器變換，將電力系統(tǒng)的一次值實時反饋給待測試的故障指示器裝置。

圖2 測試系統(tǒng)組成

該測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同安裝位置的故障指示器的電場、電流及零序電壓的同步輸出。通過仿真系統(tǒng)的深度建模，可以實現(xiàn)故障角度可控、過渡電阻可調、中性點運行方式自動切換、故障自動觸發(fā)、外施信號源集成、不平衡運行工況模擬、斷線故障模擬、弧光故障模擬等。為基于故障指示器實現(xiàn)故障區(qū)間定位的主站系統(tǒng)提供靈活、便捷、高效、優(yōu)質的測試環(huán)境。

2 測試方案設計

配電網(wǎng)線路的運行工況復雜多變，單相接地故障影響因子較多。對各影響因子進行排列組合，模擬配網(wǎng)線路不同工況下發(fā)生接地故障，能夠為配網(wǎng)線路故障區(qū)間定位系統(tǒng)提供一個全方位考核的平臺，有助于系統(tǒng)算法的改進及性能的提升。表1所示為配網(wǎng)線路單相接地故障影響因子。

表1 配網(wǎng)線路單相接地故障影響因子

配電網(wǎng)線路故障區(qū)間定位系統(tǒng)主要依靠線路故障前后零序電壓、零序電流的關系特征值作為判據(jù)，配電網(wǎng)網(wǎng)架結構及故障類型的不同對零序電壓、零序電流均具有較大的影響。常規(guī)的故障指示器測試方案中，所考慮的變量主要為中性點接地方式、接地故障電阻、故障類型及故障觸發(fā)角度。實際配電網(wǎng)線路運行工況更為復雜，如：負載電流不對稱、線路電壓不對稱工況下，系統(tǒng)存在零序電流和零序電壓；線路負載輕重程度不一、諧波含量不一、多個接地故障點等都將會對故障區(qū)間判別算法造成影響，容易引起故障定位系統(tǒng)的誤判。傳統(tǒng)的繼電保護測試儀測試方法，不具備上述復雜工況的便捷模擬，無法為故障區(qū)間定位系統(tǒng)算法的調試、改進搭建試驗平臺，而采用本文所述的測試系統(tǒng)，可以解決上述困擾。

基于圖1所示的配網(wǎng)系統(tǒng)進行配網(wǎng)線路故障區(qū)間定位測試平臺的搭建，參照表1所示內容進行配網(wǎng)線路故障工況的全方位的模擬，對故障定位系統(tǒng)的動作正確率進行統(tǒng)計，表2所示為所設計的配網(wǎng)線路故障區(qū)間定位試驗統(tǒng)計表格。

表2 配網(wǎng)線路故障區(qū)間定位試驗統(tǒng)計表

基于表2所示的線路故障區(qū)間定位統(tǒng)計結果，可以體現(xiàn)線路故障定位系統(tǒng)性能優(yōu)劣，對設備的開發(fā)調試具有良好的促進作用。

3 結語

基于電力系統(tǒng)實時仿真器所建設的配網(wǎng)線路故障模擬系統(tǒng)，可以為故障指示器配線故障區(qū)間定位系統(tǒng)提供全方位的測試環(huán)境。有助于諸如零序電壓啟動精確錄波型故障指示器、電場啟動型精確錄波故障指示器通過組網(wǎng)相互配合實現(xiàn)配電線路故障區(qū)間的定位。所提出的綜合測試系統(tǒng)建設方法、配網(wǎng)線路單相接地故障影響因子歸納及測試記錄統(tǒng)計表格，均具有良好的實用性。對故障指示器生產(chǎn)廠家、測試機構均具有一定的參考價值。