配電網(wǎng)單相接地故障定位技術(shù)的研究與應(yīng)用

黃 俊，羅紹書，歐陽后文

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山馬關(guān)供電局，云南 馬關(guān) 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(chǎn)和生活對于電力需求也越來越多。但是，在配電網(wǎng)運(yùn)行中，通過統(tǒng)計(jì)和分析配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，目前配電網(wǎng)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(wǎng)單相接地故障，將會(huì)影響整個(gè)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，且故障問題如果短時(shí)間內(nèi)難以得到有效解決，將可能會(huì)進(jìn)一步引發(fā)配電網(wǎng)絕緣薄弱部位故障，從而導(dǎo)致整個(gè)配電網(wǎng)的連鎖故障。此外，故障如果導(dǎo)致電壓超過閾值還會(huì)引發(fā)電力電纜爆炸、保險(xiǎn)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(yùn)行。因此，進(jìn)行配電網(wǎng)單相接地故障定位研究對于故障準(zhǔn)確定位和維保具有重要意義。

1 我國的配電網(wǎng)特性介紹

相比較我國的高壓遠(yuǎn)程輸電網(wǎng)，城鄉(xiāng)之間的配電網(wǎng)建設(shè)由于三相難以實(shí)現(xiàn)完全平衡，且節(jié)點(diǎn)較多等原因?qū)е屡潆娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這也給配電網(wǎng)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(wǎng)建設(shè)中各個(gè)城鎮(zhèn)的人口密度較大，且部分城鎮(zhèn)由于早期的設(shè)計(jì)和規(guī)劃不合理，出現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)和樹狀網(wǎng)等多種結(jié)構(gòu)形式。綜上，我國的配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)配電網(wǎng)故障，故障的準(zhǔn)確定位和修復(fù)工作面臨較多的困難。配電網(wǎng)發(fā)生故障的位置往往是某一段，其長度較短，所以要準(zhǔn)確定位故障位置，在快速尋找故障位置的同時(shí)還要保證位置確定的精準(zhǔn)度，保證故障能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)修復(fù)。

由于我國人口眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，無論是個(gè)人還是單位組織的用電數(shù)量非常多，但暫未實(shí)現(xiàn)所有用電單位的測量和計(jì)算設(shè)備安裝的全覆蓋，所以一旦有故障發(fā)生，故障點(diǎn)位置確定難度增大，處理修復(fù)也難以及時(shí)實(shí)現(xiàn)。而且我國在持續(xù)推進(jìn)配電網(wǎng)改造項(xiàng)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(dǎo)致故障點(diǎn)確定難度大增。對此，我國目前采取中性點(diǎn)接地和經(jīng)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(yùn)行1～2 h，接地點(diǎn)的電弧通常可以自我熄滅，能夠通過線路絕緣進(jìn)行保護(hù)，不經(jīng)過處理便能夠自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行[1]。

2 配電網(wǎng)單相接地故障對供電的影響

2.1 對配電設(shè)備的危害

單相接地故障發(fā)生會(huì)產(chǎn)生間歇性弧光，影響電壓，甚至引發(fā)電壓危害，同時(shí)容易導(dǎo)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(shè)備。

2.2 對變電設(shè)備的危害

配點(diǎn)線路發(fā)生故障之后，電壓之間會(huì)相互影響，此時(shí)電壓互感器的鐵芯將飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流隨之迅速增大。在此情況下，如果依然運(yùn)行變電設(shè)備將會(huì)損毀電壓互感器，導(dǎo)致單相接地故障發(fā)生。同時(shí)，諧振過壓也將呈幾何倍數(shù)增大，破壞變電設(shè)備的絕緣性能，導(dǎo)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(gè)過程中需要將發(fā)生故障的配電線路斷電，但這將嚴(yán)重影響供電的質(zhì)量。而且發(fā)生線路故障，進(jìn)行線路的修復(fù)也會(huì)嚴(yán)重影響供電的質(zhì)量，導(dǎo)致大面積的停電。

2.4 對線損的影響

配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其中接地的部分會(huì)發(fā)生放電，這就會(huì)導(dǎo)致配電線路中的電能大量損失。如果得不到及時(shí)的定位和處置，將會(huì)產(chǎn)生巨大的電能損耗[2]。

3 被動(dòng)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(jì)算出故障點(diǎn)到測量點(diǎn)的阻抗。根據(jù)單位阻抗和此阻抗對比，計(jì)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(cè)的電壓和電流數(shù)據(jù)，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(fù)荷電流和過渡電阻的影響，因此測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(zhǔn)確。但是由于阻抗法的使用需要精確的數(shù)據(jù)參數(shù)，過渡電阻和系統(tǒng)阻抗的變化都會(huì)影響定位的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致此方法的使用范圍有限。

3.2 行波法

根據(jù)行波法的實(shí)際應(yīng)用來看，因?yàn)闇y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(dá)原理測距法和利用線路中行波進(jìn)行測距的被動(dòng)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(jù)行波信號是故障線路單側(cè)還是雙側(cè)，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(yīng)用的基本原理是對比被觀測點(diǎn)的初始行波和第二次反射波的時(shí)間差，通過行波在線路中的傳播速度和時(shí)間來計(jì)算出觀測點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。雖然該方式操作簡便，成本低廉，但是缺少精確的時(shí)間計(jì)量裝置，導(dǎo)致時(shí)間差的計(jì)算不夠準(zhǔn)確。雙端行波測距法是通過測量初始行波到達(dá)故障點(diǎn)兩端的時(shí)間差，結(jié)合線路中行波的傳播速度對故障位置進(jìn)行定位。該方法在使用中只需要通過雙端的通信設(shè)備數(shù)據(jù)和電氣量數(shù)據(jù)對初始波進(jìn)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(yīng)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(shí)序特征的故障測距中，通常利用行波數(shù)據(jù)進(jìn)行測距，在時(shí)間軸上對行波極性、幅值及故障到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行檢測、刻畫與標(biāo)定，科學(xué)計(jì)算出故障距離。隨著我國信息處理技術(shù)的發(fā)展和持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)代行波技術(shù)發(fā)展也取得了長足的進(jìn)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(zhǔn)確性和科學(xué)性。

4 主動(dòng)式故障定位方法

4.1 注入信號法

配電網(wǎng)單相接地主動(dòng)式故障定位技術(shù)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(gè)和線路中不同頻率的信號，該信號會(huì)從注入點(diǎn)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(jìn)行故障位置的確定，所以中性點(diǎn)是否消弧線圈接地及調(diào)諧的方式并不會(huì)影響該方法的實(shí)際應(yīng)用，這在很大程度上進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍。另外，該方法使用的信號發(fā)生裝置以手持設(shè)備為主，相比較于在線路上重現(xiàn)加裝設(shè)備，大大減少了設(shè)備資金投入，普適性更強(qiáng)。但是，注入信號法在實(shí)際的應(yīng)用中，由于線路中存在分布電容，受到電阻接地的影響會(huì)導(dǎo)致檢測的結(jié)果存在一定的誤差，且隨著接地電阻阻值的增加，檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)誤差也將越大，對于故障區(qū)確定的準(zhǔn)確性影響也越大，甚至難以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)的位置[5]。

4.2 中電阻法

中電阻法進(jìn)行單相接地故障定位的原理是通過改變接地點(diǎn)的電流來進(jìn)行故障定位。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)中，故障發(fā)生之后要重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要較長的一段時(shí)間。根據(jù)此原理可以在中性點(diǎn)合理加設(shè)并聯(lián)電阻，讓整個(gè)故障線路能夠形成一個(gè)電流回路，主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)差異性電流。在不同的采集點(diǎn)進(jìn)行新電流的檢測和數(shù)據(jù)采集，在故障點(diǎn)的前面位置采集到新電流相關(guān)信息，此后的線路采集點(diǎn)不會(huì)發(fā)現(xiàn)新電流，這樣就能準(zhǔn)確定位到故障點(diǎn)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(diǎn)，但卻增加了加設(shè)電阻的難度，提高了中性點(diǎn)設(shè)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(wǎng)單相接地故障發(fā)生之后，對消弧線圈的參數(shù)進(jìn)行人為調(diào)整，讓線路中產(chǎn)生零序電流突變，根據(jù)突變量進(jìn)行故障位置的確定[7]。該方法應(yīng)用是依據(jù)故障位置的零序電流分布異常情況來對故障點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)定位，但只能應(yīng)用在配電網(wǎng)中裝備了消弧線圈的線路，應(yīng)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(jù)零序電流的幅值和極性的差異情況來判斷不同的故障點(diǎn)位置。配電網(wǎng)一旦發(fā)生單相接地故障線路中就會(huì)發(fā)生零序電流，在不同的故障點(diǎn)位置尤其是在故障點(diǎn)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(nèi)側(cè)零序電流存在幅值相似但外側(cè)存在幅值變化很大的特征，可以利用這些差異和特點(diǎn)來確定故障點(diǎn)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(wǎng)中，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地的配電網(wǎng)中應(yīng)用不多。

5 綜合故障定位方法

隨著配電網(wǎng)設(shè)備的研發(fā)和更新完善，自動(dòng)化設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，使得配電網(wǎng)中的電氣設(shè)備等相關(guān)信息數(shù)據(jù)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(guān)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(yīng)用。在近些年的智能設(shè)備和智能算法研究推動(dòng)下，配電網(wǎng)自動(dòng)化和智能化程度不斷提高，有效利用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障的快速定位，基于此遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(dòng)化主站檢測到各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)變化及故障前后拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)差異得到配電網(wǎng)的拓?fù)渚仃?，然后將配電自?dòng)化主站接收到線路中開關(guān)上傳的故障信息形成與描述矩陣同樣結(jié)構(gòu)的故障信息矩陣，對比分析兩個(gè)矩陣的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。該方法的定位原理較為簡單，計(jì)算簡便[10]。

6 結(jié) 論

配電網(wǎng)故障中單相接地故障較為常見，對于配電線路正常運(yùn)行和供電科學(xué)性具有重要影響。配電網(wǎng)一旦發(fā)生單相接地故障，不僅會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的停電事故，而且會(huì)影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，其成為目前困擾電力及配網(wǎng)管理人員的重要難題之一。對于配電網(wǎng)單相接地故障定位技術(shù)的研究及其應(yīng)用探索能夠?yàn)楣收隙ㄎ缓托迯?fù)提供一定思路，推動(dòng)電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行和健康發(fā)展。相關(guān)人員也需要從實(shí)際情況出發(fā)，做好配電網(wǎng)單相接地系統(tǒng)的構(gòu)建，為電力系統(tǒng)的優(yōu)化提供重要支撐。