配電網單相接地故障定位技術的研究與應用

黃 俊，羅紹書，歐陽后文

（云南電網有限責任公司文山馬關供電局，云南 馬關 663700）

0 引 言

隨著人們生活水平的提高和我國電力市場的不斷發(fā)展，人們生產和生活對于電力需求也越來越多。但是，在配電網運行中，通過統(tǒng)計和分析配電網故障數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，目前配電網中最常見的故障類型是單相接地故障，甚至占到了故障發(fā)生總數(shù)的80%。一旦發(fā)生配電網單相接地故障，將會影響整個配電網的安全運行，且故障問題如果短時間內難以得到有效解決，將可能會進一步引發(fā)配電網絕緣薄弱部位故障，從而導致整個配電網的連鎖故障。此外，故障如果導致電壓超過閾值還會引發(fā)電力電纜爆炸、保險絲熔斷以及短路故障，在很大程度上影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，進行配電網單相接地故障定位研究對于故障準確定位和維保具有重要意義。

1 我國的配電網特性介紹

相比較我國的高壓遠程輸電網，城鄉(xiāng)之間的配電網建設由于三相難以實現(xiàn)完全平衡，且節(jié)點較多等原因導致配電網結構復雜，這也給配電網的單相接地故障定位帶來了更大難度。此外，在城鄉(xiāng)配電網建設中各個城鎮(zhèn)的人口密度較大，且部分城鎮(zhèn)由于早期的設計和規(guī)劃不合理，出現(xiàn)了環(huán)網和樹狀網等多種結構形式。綜上，我國的配電網實際運行中出現(xiàn)配電網故障，故障的準確定位和修復工作面臨較多的困難。配電網發(fā)生故障的位置往往是某一段，其長度較短，所以要準確定位故障位置，在快速尋找故障位置的同時還要保證位置確定的精準度，保證故障能夠在規(guī)定時間內及時修復。

由于我國人口眾多，經濟發(fā)展迅速，無論是個人還是單位組織的用電數(shù)量非常多，但暫未實現(xiàn)所有用電單位的測量和計算設備安裝的全覆蓋，所以一旦有故障發(fā)生，故障點位置確定難度增大，處理修復也難以及時實現(xiàn)。而且我國在持續(xù)推進配電網改造項目，電力電纜使用量大增，架空電線和電纜出現(xiàn)混合線路的現(xiàn)象，導致故障點確定難度大增。對此，我國目前采取中性點接地和經消弧線圈接地的方式，這兩種接地方式能夠在故障發(fā)生之后依然正常運行1～2 h，接地點的電弧通?？梢宰晕蚁?，能夠通過線路絕緣進行保護，不經過處理便能夠自動恢復到正常運行[1]。

2 配電網單相接地故障對供電的影響

2.1 對配電設備的危害

單相接地故障發(fā)生會產生間歇性弧光，影響電壓，甚至引發(fā)電壓危害，同時容易導致絕緣子的擊穿，引起線路短路等故障。單相接地故障的發(fā)生還容易引發(fā)配電變壓器的燒毀和避雷器短路等故障，損毀設備。

2.2 對變電設備的危害

配點線路發(fā)生故障之后，電壓之間會相互影響，此時電壓互感器的鐵芯將飽和，導致勵磁電流隨之迅速增大。在此情況下，如果依然運行變電設備將會損毀電壓互感器，導致單相接地故障發(fā)生。同時，諧振過壓也將呈幾何倍數(shù)增大，破壞變電設備的絕緣性能，導致電流外泄，引發(fā)更大范圍的電力安全事故。

2.3 對供電可靠性的影響

通過人工選線的方式能夠有效避免單相接地故障的發(fā)生，但是這個過程中需要將發(fā)生故障的配電線路斷電，但這將嚴重影響供電的質量。而且發(fā)生線路故障，進行線路的修復也會嚴重影響供電的質量，導致大面積的停電。

2.4 對線損的影響

配電網發(fā)生單相接地故障時，其中接地的部分會發(fā)生放電，這就會導致配電線路中的電能大量損失。如果得不到及時的定位和處置，將會產生巨大的電能損耗[2]。

3 被動式故障定位方法

3.1 阻抗法

通過歐姆定律，用故障線路的電壓和電流可以計算出故障點到測量點的阻抗。根據單位阻抗和此阻抗對比，計算出故障距離，完成故障定位，稱為阻抗法。其在使用過程中，由于采集信息位置的不同，主要分為單端測距法和雙端測距法兩種。

單端測距法采集的是線路一側的電壓和電流數(shù)據，不需要額外的通信工具，信息采集簡便，工作成本較低。但是，由于該方法使用中容易受到負荷電流和過渡電阻的影響，因此測量的數(shù)據準確度有限。雙端測距法需要采集兩端的電壓值和電流值，在使用中測量的精度較高，定位也更加準確。但是由于阻抗法的使用需要精確的數(shù)據參數(shù)，過渡電阻和系統(tǒng)阻抗的變化都會影響定位的準確性，導致此方法的使用范圍有限。

3.2 行波法

根據行波法的實際應用來看，因為測距中需要的信息量不同，所以有多種行波法測距方式。

由于行波源的不同，可以分為注入高壓脈沖（所謂C型）的雷達原理測距法和利用線路中行波進行測距的被動式測距法[3]。由于行波電氣量的不同，可分為電流和電壓兩種行波測距法。根據行波信號是故障線路單側還是雙側，可以分為單端（如A型）行波測距法和雙端（如D型）行波測距法。

單端行波測距法應用的基本原理是對比被觀測點的初始行波和第二次反射波的時間差，通過行波在線路中的傳播速度和時間來計算出觀測點到故障點的距離。雖然該方式操作簡便，成本低廉，但是缺少精確的時間計量裝置，導致時間差的計算不夠準確。雙端行波測距法是通過測量初始行波到達故障點兩端的時間差，結合線路中行波的傳播速度對故障位置進行定位。該方法在使用中只需要通過雙端的通信設備數(shù)據和電氣量數(shù)據對初始波進行測量和記錄即可，不需要考慮反射波的影響。這兩種方法都不需要額外安裝信號發(fā)生裝置，應用廣泛，也為現(xiàn)代的行波測距發(fā)展提供了思路[4]。

目前，在基于故障行波時序特征的故障測距中，通常利用行波數(shù)據進行測距，在時間軸上對行波極性、幅值及故障到達時刻進行檢測、刻畫與標定，科學計算出故障距離。隨著我國信息處理技術的發(fā)展和持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)代行波技術發(fā)展也取得了長足的進步，但是仍然有很多問題亟待解決，尤其是在行波波頭的檢測和辨識方面，還要不斷提高行波測距的準確性和科學性。

4 主動式故障定位方法

4.1 注入信號法

配電網單相接地主動式故障定位技術中較為常用的是注入信號法，該方法是在故障發(fā)生之后，通過特定信號發(fā)生裝置向線路中注入一個和線路中不同頻率的信號，該信號會從注入點流入到大地中，通過對該信號的檢測和追蹤，全程記錄信號流通路徑，從而確定故障的發(fā)生位置。

注入信號法需要額外注入信號來進行故障位置的確定，所以中性點是否消弧線圈接地及調諧的方式并不會影響該方法的實際應用，這在很大程度上進一步擴大了其應用的范圍。另外，該方法使用的信號發(fā)生裝置以手持設備為主，相比較于在線路上重現(xiàn)加裝設備，大大減少了設備資金投入，普適性更強。但是，注入信號法在實際的應用中，由于線路中存在分布電容，受到電阻接地的影響會導致檢測的結果存在一定的誤差，且隨著接地電阻阻值的增加，檢測結果的數(shù)據誤差也將越大，對于故障區(qū)確定的準確性影響也越大，甚至難以準確定位故障點的位置[5]。

4.2 中電阻法

中電阻法進行單相接地故障定位的原理是通過改變接地點的電流來進行故障定位。在中性點經消弧線圈接地的配電網中，故障發(fā)生之后要重新達到穩(wěn)定狀態(tài)需要較長的一段時間。根據此原理可以在中性點合理加設并聯(lián)電阻，讓整個故障線路能夠形成一個電流回路，主動產生一個差異性電流。在不同的采集點進行新電流的檢測和數(shù)據采集，在故障點的前面位置采集到新電流相關信息，此后的線路采集點不會發(fā)現(xiàn)新電流，這樣就能準確定位到故障點位置[6]。

中電阻法在使用過程中能夠有效避免故障線路中穩(wěn)態(tài)零序電流差異性小等缺點，但卻增加了加設電阻的難度，提高了中性點設備改造及購置的成本。

4.3 零序電流突變法

零序電流突變法的原理是通過線路中零序電流突變來確定故障發(fā)生位置。配電網單相接地故障發(fā)生之后，對消弧線圈的參數(shù)進行人為調整，讓線路中產生零序電流突變，根據突變量進行故障位置的確定[7]。該方法應用是依據故障位置的零序電流分布異常情況來對故障點進行科學定位，但只能應用在配電網中裝備了消弧線圈的線路，應用范圍有限。

4.4 穩(wěn)態(tài)零序電流比較法

穩(wěn)態(tài)零序電流比較法的原理是根據零序電流的幅值和極性的差異情況來判斷不同的故障點位置。配電網一旦發(fā)生單相接地故障線路中就會發(fā)生零序電流，在不同的故障點位置尤其是在故障點的上游和下游采集到的穩(wěn)態(tài)零序電流流向相反，在兩端內側零序電流存在幅值相似但外側存在幅值變化很大的特征，可以利用這些差異和特點來確定故障點的區(qū)段和位置[8]。

這種方法主要用在不接地方式的配電網中，在中性點經消弧圈接地的配電網中應用不多。

5 綜合故障定位方法

隨著配電網設備的研發(fā)和更新完善，自動化設備得到了廣泛應用，使得配電網中的電氣設備等相關信息數(shù)據的采集能力大大提升。針對單相接地故障而言，借助線路中各種開關狀態(tài)信息的矩陣法和基于故障指示器的定位方法等不斷得到應用。在近些年的智能設備和智能算法研究推動下，配電網自動化和智能化程度不斷提高，有效利用人工智能和大數(shù)據技術等現(xiàn)代信息技術實現(xiàn)故障的快速定位，基于此遺傳算法、人工神經網絡以及粒子群算法等各種綜合故障定位方法也被得到了推廣和應用[9]。

例如，在基于矩陣算法的故障定位中，可以通過分析配電自動化主站檢測到各個設備的數(shù)據變化及故障前后拓撲網絡的結構差異得到配電網的拓撲矩陣，然后將配電自動化主站接收到線路中開關上傳的故障信息形成與描述矩陣同樣結構的故障信息矩陣，對比分析兩個矩陣的相關數(shù)據實現(xiàn)準確定位。該方法的定位原理較為簡單，計算簡便[10]。

6 結 論

配電網故障中單相接地故障較為常見，對于配電線路正常運行和供電科學性具有重要影響。配電網一旦發(fā)生單相接地故障，不僅會引發(fā)嚴重的停電事故，而且會影響到整個電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，其成為目前困擾電力及配網管理人員的重要難題之一。對于配電網單相接地故障定位技術的研究及其應用探索能夠為故障定位和修復提供一定思路，推動電力系統(tǒng)平穩(wěn)運行和健康發(fā)展。相關人員也需要從實際情況出發(fā)，做好配電網單相接地系統(tǒng)的構建，為電力系統(tǒng)的優(yōu)化提供重要支撐。