10 kV中壓配電網(wǎng)單相接地故障有源診斷技術(shù)

施冬明，聶 鼎，徐肖偉，周 昊，李富祥，陳 余

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 怒江蘭坪供電局，云南 怒江 673200；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650011；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 西雙版納勐海供電局，云南 西雙版納 666200；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 臨滄臨翔供電局，云南 臨滄 677000；5.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 大理供電局，云南 大理 671000）

1 10kV配電網(wǎng)單相接地故障的特征及不良影響

1.1 單相接地故障的特征

單相接地故障是10 kV中壓配電網(wǎng)中較為典型的故障，其發(fā)生與天氣特性密切相關(guān)，晴朗天氣時發(fā)生概率相對較低，降雨或風(fēng)力超六級等極端天氣時發(fā)生概率較高[1]。小電流接地系統(tǒng)運(yùn)行期間，若存在單相接地故障，對地電壓將大幅度降低（通常降幅可以達(dá)到70%以上），而非故障相的相電壓則有較明顯的提升（增幅40～80%），故障電流相對較小，可以持續(xù)向用戶供電1～2 h。但隨著時間的推移，若缺乏行之有效的處理措施，則容易破壞供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其他電力設(shè)備也發(fā)生故障[2]。

1.2 單相接地故障的不良影響

單相接地故障發(fā)生時，電網(wǎng)伴有較為明顯的間歇性弧光接地和諧振過電壓問題，線路絕緣子被擊穿，短路事故的發(fā)生概率明顯增加，配電變壓器等周邊配套設(shè)施有燒毀的可能。通常，因單相接地故障而誘發(fā)的檢修停電主要表現(xiàn)為單條線和分支線兩個層面，如果未能及時處理該故障，則會在較短時間內(nèi)顯著擴(kuò)大影響范圍，不利于周邊生產(chǎn)經(jīng)營活動的順利開展，同時也會阻礙供電企業(yè)的日常工作進(jìn)程。因此，相關(guān)技術(shù)人員必須準(zhǔn)確認(rèn)識單相接地故障，在查明原因的基礎(chǔ)上采取針對性的處理措施，以切實(shí)解決問題，將不良影響降到最小。

2 選線方法分析

中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)普遍為經(jīng)消弧線圈接地或不接地系統(tǒng)，在該方式下若出現(xiàn)單相接地故障，則故障點(diǎn)的信號將明顯減小，又因?yàn)槠淇垢蓴_能力不足，加之降雨等外部環(huán)境的影響，所以障信號會失真，因此該條件下取得的故障判斷結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性[3]。

小電流接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)不直接接地，在此方式下若系統(tǒng)運(yùn)行期間存在單相接地故障，將不會形成閉環(huán)短路路徑，此外還伴有極為明顯的接地電阻偏大和電流信號微弱等問題，此時不利于高效采集信號[4]。

若采取單穩(wěn)態(tài)信號的選線方法，則難以完成接入消弧線圈接地的選線工作，并且運(yùn)行線路結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境等因素均會對選線工作的正常開展造成影響。而電流諧波的選線方法，則可以較好地規(guī)避消弧線圈造成的不良影響，但高次諧波分量較小，選線過程中負(fù)荷自身諧波和過渡電阻均會對其造成影響，實(shí)際效果差強(qiáng)人意。暫態(tài)電氣量也是一種選線方法，其融合了小波理論和神經(jīng)元算法等，但較之穩(wěn)態(tài)信號，其容易受到不平衡電流和過渡電阻的干擾而發(fā)生誤判[5]。

相比于上述的幾種方法，有源信號注入法具有更為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，其根據(jù)線路的特點(diǎn)在該處安裝信號源裝置，系統(tǒng)維持正常運(yùn)行狀態(tài)時可以監(jiān)測系統(tǒng)的電壓。若由于某方面原因而出現(xiàn)單相接地故障，自動控制信號源內(nèi)部開關(guān)設(shè)備投切，可以精準(zhǔn)確鎖定故障所在的線路區(qū)段，進(jìn)而判斷該部分的電流信號序列，具有較顯著的參考價值。

3 有源信號注入法的基本原理

若存在單相接地故障，系統(tǒng)會產(chǎn)生具有顯著可辨識性的阻性電流波動，但接地系統(tǒng)的非接地部分并無該阻性電流流過的情況。此時將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)至配電終端，通過CT便可以識別該阻性電流，由此精準(zhǔn)定位故障，對其采取切除等處理措施。

將信號源安裝至線路母線處，每段母線分別安裝1臺，供各終端檢測注入信號使用，以監(jiān)測線路電壓和零序電壓等關(guān)鍵參數(shù)。若線路存在接地故障，此時可以收集系統(tǒng)的參數(shù)作為判據(jù)條件，據(jù)此對單相接地故障做出較準(zhǔn)確的判斷。當(dāng)接地故障的時間達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)將自動投切單相操作開關(guān)，發(fā)送電流信號序列，按照故障相→接地點(diǎn)→大地的順序發(fā)生流動，最后回歸至信號源工作地。在該流程中，無論是故障點(diǎn)還是非故障線路，均無信號流過。

接地故障發(fā)生后，若未及時做出相應(yīng)的響應(yīng)，系統(tǒng)則會相繼自動投切單相操作開關(guān)，并發(fā)送電流信號序列，該部分注入電流信號將與線路自帶的電流信號發(fā)生疊加而形成強(qiáng)度更大的故障信號，有利于故障的判斷，可以較好地保證故障判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在配電線路上適配配電終端來接收注入信號和電流信號，在此操作的基礎(chǔ)上可執(zhí)行解碼和拓?fù)浞治霾僮?，從而精?zhǔn)識別故障的實(shí)際發(fā)生點(diǎn)位。以預(yù)先設(shè)定的FA策略為主要依據(jù)，配電終端可以操控開關(guān)，高效處理故障，并且設(shè)備還能實(shí)時采集故障信息，并將其傳送至后臺主站，運(yùn)維人員接收后可以對其展開分析。

4 單相接地故障有源診斷技術(shù)

本次分析重點(diǎn)考慮對等通信方式和時間級差方式，通過描繪故障處理的過程，強(qiáng)化對單相接地故障的認(rèn)識，提高處理水平。

4.1 對等通信方式

對等通信方式下系統(tǒng)配置情況如圖1所示。

圖1 對等通信方式下系統(tǒng)配置圖

4.1.1 基本特點(diǎn)

在變電站母線處適配信號源，在該配套方式下，母線的出線可共享信號源裝置，充分發(fā)揮該裝置的應(yīng)用優(yōu)勢。自動化開關(guān)配套單側(cè)三相五柱式電壓互感器，以滿足線路零序電壓信號的采集要求。具體配備的是A、C及O，3只電流互感器彼此協(xié)同運(yùn)行，高效采集電流信號。各自動化開關(guān)分別適配1臺智能配電終端，并根據(jù)各終端的特點(diǎn)在彼此間利用匹配光纖通信的方式來高效交互信息。斷路器和復(fù)合開關(guān)均可以獨(dú)自處理單相接地故障。

4.1.2 處理流程

若在F2和F3間存在單相接地故障，則線路的相電壓和零序電壓均存在一定程度的變化，布設(shè)在線路的信號源裝置會向線路注入阻性電流信號。故障點(diǎn)前的F1和F2可以較為高效地測定特殊編碼信號，而此期間的F3和F4則無法檢測該信號。在相互通信的溝通機(jī)制下，可以確定故障所處位置為F2之后或F3之前，根據(jù)該結(jié)果將F2開關(guān)跳閘，高效隔離故障點(diǎn)，切斷故障的影響路徑。

基于光纖通信，故障信息可以被快速傳輸至后臺主站系統(tǒng)，相關(guān)工作人員可以根據(jù)需求及時查詢，準(zhǔn)確掌握故障處理情況，全面了解總體狀況。

4.2 時間級差方式

關(guān)于時間級差方式所對應(yīng)的系統(tǒng)配置情況，如圖2所示。

圖2 時間級差方式下系統(tǒng)配置圖

4.2.1 基本特點(diǎn)

在變電站各段母線處安裝信號源，位于該母線的各出線均可以共用該信號源裝置。為自動化開關(guān)配套單側(cè)三相五柱式電壓互感器，通過該裝置采集線路零序電壓信號。硬件裝置方面，配置A、C以及O這3只電流互感器，從而高效采集線路電流信號。為自動化開關(guān)配套具有三遙功能和邏輯功能的智能配電終端，可實(shí)現(xiàn)就地判斷。依托于時間級差實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，從線路末端向前的時間具有逐步遞減的變化特點(diǎn)，級差為5 s，對應(yīng)于各分支線路的開關(guān)零序保護(hù)動作時間為0 s。

4.2.2 分析過程

引入10 kV單電源輻射型線路，描述故障處理的關(guān)鍵思路及具體要點(diǎn)。F3點(diǎn)后發(fā)生單相接地故障將迫使線路的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，即相電壓和零序電壓均有波動，布設(shè)在線路的信號源裝置將會向線路注入阻性電流信號。位于故障點(diǎn)前的F1、F2及F3均具備快速檢測的功能，可準(zhǔn)確確定脈沖信號和零序電壓兩項(xiàng)指標(biāo)的具體內(nèi)容。F3檢測故障脈沖時有延遲10 s的動作，期間開關(guān)分閘，經(jīng)此操作后可精準(zhǔn)隔離故障部位。在F3開關(guān)的作用下，可以隔離故障點(diǎn)，保證其他無故障部位的獨(dú)立性。F1和F2開關(guān)均能快速檢測到零序電壓的消失，此時分閘功能返回，整個線路維持正常運(yùn)行的狀態(tài)。對于分支處的故障，該處的保護(hù)動作為0 s，在檢測到特殊編碼信號后會觸發(fā)分支開關(guān)，使其直接跳閘，從而高效分隔故障。

5 結(jié) 論

文章以10 kV中壓配電網(wǎng)單相接地故障特征為切入點(diǎn)，經(jīng)對比分析后選用有源信號注入的方法，展開有關(guān)單相接地故障的檢測與分析，以進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)故障的應(yīng)對處理，從而為相關(guān)人員提供幫助。