35kV線路故障快速定位系統(tǒng)故障判斷

韋勇 鮑勇彬 黃鵬天 聶壽林 韓生海 潘博超 范瑞妮 吳曉輝 徐毅端

（1. 國(guó)網(wǎng)青海省電力公司玉樹(shù)供電公司 2. 寶雞市韋思特電氣有限公司）

0 引言

玉樹(shù)供電公司所轄的供電范圍廣，供電用戶分布較為分散。鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及大型用戶采用35kV等級(jí)的線路進(jìn)行供電。因此35kV是玉樹(shù)供電公司最主要的供電等級(jí)。35kV線路中含有大量的“T”接線路和“π”接線路，部分線路帶有多條分支線路，線路長(zhǎng)度普遍在數(shù)十公里。35kV系統(tǒng)在變電站線路出口安裝保護(hù)，在主干線路或分支線路發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)動(dòng)作或者報(bào)警，但是缺乏快速可靠的故障定位手段，在處理永久性故障時(shí)，運(yùn)檢人員需要對(duì)干線、支線等在內(nèi)的全部線路進(jìn)行巡視，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，給故障后供電的恢復(fù)帶來(lái)巨大的困難。因此，35kV系統(tǒng)線路故障快速定位技術(shù)亟待研究和應(yīng)用。

我國(guó)目前輸電線路采用的故障定位方法主要是雙端行波測(cè)距法。雙端行波測(cè)距法利用故障初始行波到達(dá)線路兩側(cè)的時(shí)間差來(lái)確定故障位置。故障的初始行波不受系統(tǒng)振蕩和互感器飽和的影響，不受線路分布電容的影響，與過(guò)渡電阻無(wú)關(guān)?；诖?，行波測(cè)距可以在復(fù)雜多變的氣候環(huán)境中判斷出故障的類型、性質(zhì)和位置。目前應(yīng)用于輸電線路的雙端行波測(cè)距對(duì)于簡(jiǎn)單線路具有較高的精準(zhǔn)度。但是對(duì)于T接線路、π接線路以及多分支線路等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線路，現(xiàn)有的行波測(cè)距難以滿足，可靠準(zhǔn)確的行波測(cè)距方法仍有待研究。

35kV系統(tǒng)故障快速定位研究項(xiàng)目旨在通過(guò)對(duì)多端故障前后電氣量的分析，針對(duì)35kV系統(tǒng)T接線路和π接線路發(fā)生的故障，判斷故障區(qū)段。在故障區(qū)段定位的基礎(chǔ)上，利用多端綜合組合法測(cè)距技術(shù)，測(cè)量故障距離，為后期故障處理提供可靠的支撐。本項(xiàng)目研究的故障快速定位技術(shù)有助于快速故障清除和快速供電恢復(fù)，提高運(yùn)檢效率，對(duì)于提高供電可靠性具有重要的意義。

1 故障快速定位原理

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障定位可以準(zhǔn)確快速地反映故障位置信息，幫助檢修人員迅速確定線路故障的具體位置、減小巡線范圍，從而縮短因配網(wǎng)故障引起的停電時(shí)間。

配電網(wǎng)實(shí)用化故障定位總體上可分為兩個(gè)步驟：故障區(qū)段的確定與區(qū)段內(nèi)故障測(cè)距。故障區(qū)段方面，利用故障后的就地化故障隔離或故障行波信息，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的快速確定；故障測(cè)距方面，在判斷故障類型和故障相別的基礎(chǔ)上，采取有針對(duì)性的故障測(cè)距手段，實(shí)現(xiàn)故障位置的準(zhǔn)確測(cè)量。

在配電線路出現(xiàn)故障后，本方案將根據(jù)就地化故障隔離等相關(guān)信息快速確定故障區(qū)段，再根據(jù)對(duì)應(yīng)區(qū)段保護(hù)終端的測(cè)量數(shù)據(jù)判別故障類型及故障相；以此為基礎(chǔ)，有針對(duì)性地采用單端阻抗法或雙端行波法等故障測(cè)距算法，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)饋線的實(shí)用化故障定位。

1.1 故障類型判斷與故障選相

為滿足故障測(cè)距算法的實(shí)際需要，在故障就地隔離后，須首先根據(jù)保護(hù)終端的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)配網(wǎng)的故障類型及故障相別進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，其基本思路如圖 1所示。

圖 1 故障類型判斷與故障選相示意圖

1.2 故障測(cè)距算法

1.2.1 單相接地故障

由于配電網(wǎng)二次繞組采用中性點(diǎn)不接地連接方式，因此在發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相線路中不會(huì)流過(guò)大短路電流；在這種情況下，允許線路短時(shí)運(yùn)行，保護(hù)不進(jìn)行動(dòng)作，此時(shí)運(yùn)檢人員應(yīng)確定接地故障發(fā)生位置并及時(shí)排除故障。

本方案利用故障行波的方向性來(lái)確定故障區(qū)段及故障位置，以幫助運(yùn)檢人員縮小巡線范圍，減小配網(wǎng)不正常運(yùn)行時(shí)間。

其基本思想為：故障發(fā)生后，故障行波從故障點(diǎn)將分別向電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)傳播，位于故障前、后的保護(hù)終端會(huì)分別接收到正向、反向行波信號(hào)，利用各終端對(duì)行波極性的判斷，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于單相接地故障區(qū)段的快速確定；隨后，利用故障點(diǎn)兩側(cè)的保護(hù)終端接收到行波的時(shí)間差，可以對(duì)單相接地故障位置進(jìn)行測(cè)量。

以玉樹(shù)供電公司下轄的結(jié)古變線路為例，線路中發(fā)生單相接地故障，如圖2所示。

圖 2 雙端行波測(cè)距原理示意圖

當(dāng)故障點(diǎn)F發(fā)生單相接地故障后，行波信號(hào)將以速度v向線路兩端傳播，位于線路兩端E、H的保護(hù)終端將分別接收到正向、反向行波信號(hào)，據(jù)此可以判斷故障發(fā)生區(qū)段；終端檢測(cè)到行波將記錄其到達(dá)時(shí)刻tE、tH，通過(guò)該時(shí)間差tE-tH即可計(jì)算得到故障點(diǎn)位置lEF（或lFH）。

根據(jù)上述思路，故障點(diǎn)至兩側(cè)測(cè)量終端距離的計(jì)算方法如下：

1.2.2 兩相（接地）故障

當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生兩相（接地）故障時(shí)，兩故障相間形成故障環(huán)路，線路中將流過(guò)較大電流，此時(shí)保護(hù)應(yīng)迅速動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)就地化故障隔離。在根據(jù)故障隔離信息確定故障區(qū)段后，本方案將依次進(jìn)行故障選相與故障測(cè)距。

故障區(qū)段確定將根據(jù)前述就地化故障隔離結(jié)果信息，從而快速判斷兩相（接地）故障的故障區(qū)段。

故障測(cè)距方面，根據(jù)配電網(wǎng)單電源輻射型的接線特點(diǎn)，在兩相（接地）故障時(shí)采用單端阻抗法進(jìn)行故障測(cè)距，方案如下：

首先，利用相電流差突變量等方法提取故障特征，進(jìn)行故障類型與故障相別的判斷；其次，根據(jù)故障選相的結(jié)果，利用線路阻抗與線路長(zhǎng)度成正比的特點(diǎn)，計(jì)算故障環(huán)路的測(cè)量阻抗，并通過(guò)對(duì)故障環(huán)路方程取虛部等方式，減小過(guò)渡電阻對(duì)測(cè)量阻抗的影響，實(shí)現(xiàn)兩相（接地）故障的準(zhǔn)確故障定位。

如圖3所示，假設(shè)玉樹(shù)供電公司下轄的結(jié)古變線路F點(diǎn)處經(jīng)過(guò)渡電阻RF發(fā)生AB兩相（接地）故障，設(shè)故障點(diǎn)至該區(qū)段保護(hù)終端距離為lF。

圖3 兩相（接地）故障示意圖

根據(jù)故障選相的結(jié)果確定故障環(huán)路為：A相電源-A相線路-過(guò)渡電阻-B相線路-B相電源。據(jù)此，可以得到：

上式中存在故障距離lF和過(guò)渡電阻RF兩個(gè)未知數(shù)，對(duì)上式展開(kāi)，在實(shí)部、虛部分別列等式，解此方程即可得到故障距離lF和對(duì)過(guò)渡電阻RF的估計(jì)。

1.2.3 三相故障

當(dāng)三相故障時(shí)，三相相間形成故障環(huán)路，饋線中流過(guò)較大短路電流，此時(shí)保護(hù)將迅速動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)就地化故障隔離；根據(jù)就地化故障隔離結(jié)果，可以快速判斷配電網(wǎng)饋線三相故障的故障區(qū)段。

故障測(cè)距方面，根據(jù)配電網(wǎng)單電源輻射型接線特點(diǎn)，在三相故障時(shí)采用單端阻抗法進(jìn)行故障測(cè)距。當(dāng)故障類型判斷為三相故障時(shí)，三相故障點(diǎn)至保護(hù)終端距離的計(jì)算思路與兩相故障時(shí)基本相同，即選取故障環(huán)路并計(jì)算測(cè)量阻抗；利用線路阻抗與線路長(zhǎng)度成正比的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三相故障的準(zhǔn)確故障定位。

2 復(fù)雜拓?fù)渚€路故障快速定位原理

由于用戶分布較為分散，玉樹(shù)供電公司下轄的35kV供電線路存在大量T接線路和π接線路。這些復(fù)雜拓?fù)渚€路的故障快速定位需要用到多端信息進(jìn)行綜合。35kV系統(tǒng)故障快速定位系統(tǒng)包括故障定位終端裝置和后臺(tái)兩部分組成。針對(duì)35kV系統(tǒng)T接線路和π接線路，終端裝置安裝在變電站線路出口和戶外分支線路與主干線路交匯點(diǎn)。終端裝置通過(guò)有線或無(wú)線通訊的方式接入主站后臺(tái)或調(diào)度中心，接受指令并且上傳數(shù)據(jù)。部署方案示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 T接線路故障快速定位系統(tǒng)部署方案

圖5 π接線路故障快速定位系統(tǒng)部署方案

終端裝置的作用主要是采集故障定位必需的電氣量，并進(jìn)行存儲(chǔ)。在得到后臺(tái)的命令后將所需要的數(shù)據(jù)上傳至主站。在分支線路于主干線路交匯點(diǎn)安裝定位終端裝置，可以提供必要的故障的方向信息，為快速定位故障區(qū)段提供可靠的信息來(lái)源?；讷@取到的多端信息，可以實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的綜合研判以及故障定位。

2.1 基于多端故障方向信息的故障區(qū)段綜合研判

故障發(fā)生后，系統(tǒng)中的電氣量包含故障的方向信息，這些電氣量包括零模電流行波極性、零序電壓電流相位差、負(fù)序電壓電流相位差等等。通過(guò)比較多端裝置中的故障方向信息可以確定故障區(qū)段。具體流程如下：

1）根據(jù)保護(hù)裝置上傳的故障報(bào)告信息確定故障發(fā)生時(shí)刻，后臺(tái)主站下發(fā)指令調(diào)取所有終端裝置故障前后一段時(shí)間內(nèi)的工頻電氣信息和行波電氣信息。

2）首先判斷零模電流行波的幅值。當(dāng)幅值大于定值的時(shí)候，判斷線路發(fā)生了接地故障。比較相鄰終端的零模電流行波極性，判斷故障區(qū)間。

3）若零模電流行波的幅值小于定值，則利用相鄰終端的負(fù)序故障信息判斷故障區(qū)間。

2.2 基于多端故障信息的組合測(cè)距

1）根據(jù)上述區(qū)段識(shí)別結(jié)果，若故障發(fā)生在主干線路上，利用雙端行波法進(jìn)行測(cè)距。

2）若故障發(fā)生在分支線路上，則利用分支線路末端變電站內(nèi)的信息進(jìn)行組合法測(cè)距。即用阻抗法大致確定故障范圍，再利用單端行波測(cè)距精確故障距離。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的35kV線路故障快速定位策略，能夠使35kV系統(tǒng)故障的處理速度得到極大地提升。故障區(qū)段的準(zhǔn)確識(shí)別可以縮短巡線排查的范圍，故障測(cè)距可以為故障位置的巡查提供重要的參考依據(jù)，加快故障排查和處理，縮短停電時(shí)間，提高用戶供電的可靠性。