小電流接地電網(wǎng)單相間歇性電弧接地故障定位方法

張新宇，聶 宇，王雅楠，趙 丹，杜 威

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽 110006）

我國6～35 kV中壓配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)非有效接地方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過程發(fā)生的故障中，單相接地故障發(fā)生的比例最高。由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且單相接地故障產(chǎn)生的故障電流較小，給故障定位造成一定的困難。目前，針對配電網(wǎng)單相接地情況下的故障定位，已經(jīng)提出許多理論方法，同時(shí)許多裝置已投入現(xiàn)場運(yùn)行［1-5］。

目前提出的故障定位方法主要有利用故障信號(hào)定位［6-8］以及通過注入信號(hào)定位［9-11］兩大類。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地時(shí)，短時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)燃弧與熄弧過程，該過程的不確定性使注入信號(hào)的最佳時(shí)機(jī)難以確定，而反復(fù)熄滅、重燃過程產(chǎn)生的復(fù)雜暫態(tài)信號(hào)給故障信號(hào)定位帶來嚴(yán)重的干擾。文獻(xiàn)［9］提出一種并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的故障定位裝置，即故障發(fā)生后在母線處交替將非故障相并聯(lián)電阻作為擾動(dòng)信號(hào)，故障點(diǎn)上游檢測點(diǎn)可檢測到相應(yīng)的擾動(dòng)信號(hào)。文獻(xiàn)［12］對該裝置提出了改進(jìn)方法，提出結(jié)合中性點(diǎn)的接地情況，僅向故障相的超前相或滯后相注入擾動(dòng)信號(hào)，但仍主要利用單相接地后的穩(wěn)態(tài)信號(hào)。在單相間歇性電弧接地情況下，若并聯(lián)電阻的時(shí)刻是電弧暫時(shí)熄滅的間隙，則無法在故障線路注入擾動(dòng)信號(hào)，故障定位失效。

本文針對中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，在該故障定位裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合間歇性電弧的辨識(shí)方法，通過故障相電壓特征捕捉間歇性電弧的重燃時(shí)刻，并于電弧燃燒時(shí)在非故障相母線并聯(lián)電阻以適度增大故障電流，使間歇性電弧轉(zhuǎn)為穩(wěn)定電弧，從而在故障相成功注入擾動(dòng)信號(hào)，此時(shí)通過故障指示器的指示情況可以辨別故障線路與非故障線路，同時(shí)確定故障區(qū)域。

1 單相間歇性電弧接地故障下并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法分析

基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法，在變電站母線處安裝接地信號(hào)源，接地信號(hào)源主要由開關(guān)器件、電阻器及相關(guān)附件組成，其原理如圖1所示。

圖1 并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)原理圖

當(dāng)線路中發(fā)生單相接地故障時(shí)，變電站首先通過故障信息判斷出故障相，此后通過接地信號(hào)源將指定非故障相母線經(jīng)電阻器接地，使故障相電流呈現(xiàn)單一增大趨勢，結(jié)合線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及故障指示器的指示情況實(shí)現(xiàn)故障定位。當(dāng)故障為A相單相間歇性電弧接地時(shí)，由于間歇性電弧燃弧與熄弧的隨機(jī)性，熄弧時(shí)長可達(dá)數(shù)個(gè)工頻周期，因此擾動(dòng)信號(hào)隨機(jī)注入的時(shí)刻有兩種情況，以下分別進(jìn)行分析。

1.1 電弧暫時(shí)熄滅時(shí)注入擾動(dòng)信號(hào)

根據(jù)文獻(xiàn)［12］，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)的有效注入相為故障相的滯后相，即A發(fā)生故障時(shí)有效注入相為B相。設(shè)定電阻器阻值為300Ω，當(dāng)B相母線處在電弧暫時(shí)熄滅時(shí)投入電阻器，系統(tǒng)相當(dāng)于B相經(jīng)高阻接地。以表示三相電源電動(dòng)勢，以表示三相導(dǎo)線對地電壓，此時(shí)電壓相量圖如圖2（a）所示［13］。此時(shí)，故障相電壓有所升高，可能造成兩種情況：一是電阻器投入期間電弧沒有重燃，即系統(tǒng)僅有B相經(jīng)高阻接地，此時(shí)故障相電流不會(huì)增大，注入擾動(dòng)信號(hào)失效；二是電阻器投入期間升高的電壓造成電弧重燃，此時(shí)系統(tǒng)有B相經(jīng)高阻接地以及故障相經(jīng)電弧接地，故障相電流有所增大，但燃弧過程可能加劇非故障相的間歇性電弧過電壓，不利于系統(tǒng)安全。

而對于一般中性點(diǎn)經(jīng)過補(bǔ)償消弧線圈接地系統(tǒng)，擾動(dòng)信號(hào)有效注入相為故障相的超前相［12］，即A發(fā)生故障時(shí)有效注入相為C相，當(dāng)C相母線處在電弧暫時(shí)熄滅時(shí)投入電阻器，系統(tǒng)相當(dāng)于C相經(jīng)高阻接地，此時(shí)電壓相量圖如圖2（b）所示［13］，故障相電壓仍然升高，分析情況與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相同。

圖2 三相電壓相量圖

1.2 電弧燃燒時(shí)注入擾動(dòng)信號(hào)

當(dāng)母線處在電弧燃燒時(shí)投入電阻器，根據(jù)文獻(xiàn)［12］分析，此時(shí)故障相故障電流有效增大，且不會(huì)額外附加間歇性電弧過電壓。此外，由于流過故障點(diǎn)的電弧電流增大，電弧的燃燒狀態(tài)可能發(fā)生改變，即由間歇性電弧向穩(wěn)定電弧轉(zhuǎn)化。

設(shè)電弧的半徑為r，利用電流密度計(jì)算公式可以得到電流計(jì)算公式：

其中：e為電子電荷量；n為單位體積電子數(shù)；b為電子遷移率；E為弧柱電位梯度。由于電導(dǎo)率是溫度的復(fù)雜函數(shù)，將πenb用f1（T）來表示，則電弧電流是半徑、溫度、弧柱電位梯度的函數(shù)。

由能量平衡可知：當(dāng)電弧燃燒時(shí)，輸入電弧的能量等于電弧散出的能量，電弧通過散熱的方式散出能量，散出的功率可以表示為溫度和半徑的函數(shù)，則輸入功率P與散出功率Po的表達(dá)式分別為

聯(lián)立方程（1）和（2），消去弧柱電位梯度E，得：

由于電子遷移率一般隨溫度升高而增大，且電弧溫度升高時(shí)，弧柱內(nèi)外溫差增大，電弧散出功率也將隨之增大，因此認(rèn)為f1（T）、f2（T）與溫度T存在同增同減的關(guān)系。此外，對于同一故障點(diǎn)，假設(shè)燃弧過程中弧柱半徑變化可以忽略，因此當(dāng)非故障相并聯(lián)電阻使流過故障點(diǎn)的電流增大時(shí)，通過方程（3）可以推斷，弧柱溫度將隨電弧電流增大而升高。

根據(jù)弧柱熱等離子體理論［14］，小的電場強(qiáng)度，大的電流和高的氣體壓力更有利于熱平衡的建立。當(dāng)電弧電流增大時(shí)，弧柱溫度升高，氣體游離程度提高，促使電弧燃燒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，非故障相母線并聯(lián)電阻后，將促使故障點(diǎn)間歇性電弧向穩(wěn)定電弧轉(zhuǎn)化。

根據(jù)以上分析，當(dāng)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相間歇性電弧接地故障時(shí)，對并聯(lián)點(diǎn)電阻擾動(dòng)信號(hào)故障定位方法，在電弧燃燒時(shí)刻注入擾動(dòng)信號(hào)更能有效實(shí)現(xiàn)故障定位，并且有利于將故障電弧轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電弧，降低系統(tǒng)間歇性電弧過電壓風(fēng)險(xiǎn)。

2 單相間歇性電弧接地故障特征

2.1 間歇性電弧仿真模型

在間歇性電弧接地的情況下，電弧燃燒和熄滅的特性對注入擾動(dòng)信號(hào)定位方法的有效性影響很大，因此需要建立準(zhǔn)確的間歇性電弧模型。經(jīng)典電弧模型主要包括Mayr模型，Cassie模型以及基于不同假設(shè)條件的改進(jìn)Mayr模型［15-16］。Cassie模型適用于模擬電弧電流過零前弧隙低電阻狀態(tài)，Mayr模型適用于模擬電弧電流過零后的弧隙高電阻狀態(tài)。本文需要研究間歇性電弧在電流過零后的熄滅以及重燃狀態(tài)，采用Mayr模型進(jìn)行模擬分析，電弧方程見式（4）。

式中：gm為電弧動(dòng)態(tài)電導(dǎo)；e為弧柱電場強(qiáng)度；i為弧隙電流；τm為電弧時(shí)間常數(shù)；ploss為弧柱耗散功率，ploss也為常數(shù)。

采用EMTP軟件中TACS模塊的TACS控電阻、數(shù)值積分元件、綜合數(shù)學(xué)元件等搭建Mayr電弧模型，并將其運(yùn)用于10 kV中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中進(jìn)行單相間歇性電弧接地仿真，如圖3所示。假設(shè)配電系統(tǒng)末端線路發(fā)生單相間歇性電弧接地故障，故障相電壓在達(dá)到峰值時(shí)開始燃弧，在工頻電流過零時(shí)隨機(jī)熄滅，經(jīng)過一個(gè)或幾個(gè)周期再次在相電壓峰值處重燃。電弧電壓及電流仿真波形如圖4所示。

圖3 單相間歇性電弧接地故障仿真圖

圖4 間歇性燃燒電弧波形

2.2 間歇性電弧判別及燃弧時(shí)刻捕捉

為了改進(jìn)間歇性電弧下的注入擾動(dòng)信號(hào)故障定位方法，需要對電弧燃燒狀態(tài)做出判斷。根據(jù)小波變換在突變量檢測中的有效應(yīng)用，利用DB6小波對故障相電壓信號(hào)做6層分解，通過第3層的高頻系數(shù)d3可以清楚地判斷電弧燃燒時(shí)造成的電壓突變。設(shè)置間歇性電弧燃弧3次，每次燃弧瞬間，d3系數(shù)突增，如圖5所示。因此，實(shí)際應(yīng)用通過設(shè)定d3系數(shù)門檻值，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，若d3系數(shù)多次達(dá)到門檻值，即可判定發(fā)生間歇性電弧接地故障，同時(shí)d3系數(shù)突破門檻值的時(shí)刻就是電弧重燃時(shí)刻。

圖5 故障相電壓小波變換示意圖

3 間歇性電弧下的注入擾動(dòng)信號(hào)故障定位

根據(jù)以上分析，單相間歇性電弧接地時(shí)的故障定位流程如圖6所示。

圖6 故障定位流程框圖

當(dāng)檢測到系統(tǒng)存在單相接地故障并確定故障相之后，利用DB6小波分解故障相母線電壓，并根據(jù)實(shí)際采樣頻率選擇小波分解的尺度。記錄Δt時(shí)間間隔內(nèi)故障相電壓突變次數(shù)N，當(dāng)N大于設(shè)定值Nset時(shí)，判定為間歇性電弧接地，并在故障相母線電壓下一次突變時(shí)刻注入擾動(dòng)信號(hào)，快速電力電子開關(guān)使擾動(dòng)信號(hào)在電弧重燃之初投入成為可能，這盡可能給故障定位留下充足的時(shí)間并促使間歇性電弧向穩(wěn)定電弧轉(zhuǎn)化，降低故障定位的難度。

4 仿真驗(yàn)證

利用搭建的間歇性電弧模型對本文提出的定位方法進(jìn)行驗(yàn)證。如圖3所示，第4條出線的分支線路發(fā)生單相間歇性電弧接地故障，燃弧時(shí)間分別為0.098、0.138、0，218 s，熄弧時(shí)間分別為0.128、0.183 s。當(dāng)在電弧熄滅時(shí)即0.19～0.21 s內(nèi)注入擾動(dòng)信號(hào)，有2種可能情況，一是注入信號(hào)期間電弧沒有重燃，此時(shí)故障相電流波形如圖7（a）所示，故障相電流沒有變化，故障定位失?。欢亲⑷胄盘?hào)期間故障相電壓的升高使電弧提前重燃（0.197 s時(shí)重燃），此時(shí)故障相電流波形如圖7（b）所示，故障相電流出現(xiàn)短時(shí)增大，滿足故障定位要求，但此時(shí)電弧的重燃會(huì)加重系統(tǒng)過電壓負(fù)擔(dān)，如圖8所示，間歇性電弧過電壓最高可達(dá)相電壓幅值的2.2～2.5倍，不利于系統(tǒng)安全。如果捕捉電弧重燃時(shí)刻并立刻注入擾動(dòng)信號(hào)（0.22～0.25 s），此時(shí)的故障相電流波形如圖9所示，故障相電流在擾動(dòng)信號(hào)注入期間明顯增大，符合故障定位要求，且期間沒有電弧重燃，不會(huì)加重系統(tǒng)過電壓。

圖7 熄弧期間注入擾動(dòng)信號(hào)的故障相電流

圖8 熄弧期間注入擾動(dòng)信號(hào)的三相電壓

圖9 燃弧期間注入擾動(dòng)信號(hào)的故障相電流

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

借助10 kV配電系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對本文提出的定位方法進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)如圖10所示。

利用故障模擬單元設(shè)置第一條主線路發(fā)生單相間歇性電弧接地故障，燃弧時(shí)間分別為0.098、0.138、0、197 s，熄弧時(shí)間分別為0.128、0.183 s。捕捉電弧重燃時(shí)刻并在0.2 s時(shí)注入擾動(dòng)信號(hào)，此時(shí)的故障相電流波形如圖11所示，故障相電流在擾動(dòng)信號(hào)注入期間明顯增大。

圖10 10 kV物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖

對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)及中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)?zāi)M，結(jié)果表明在電弧重燃初期注入擾動(dòng)信號(hào)均符合故障定位要求。

圖11 物理實(shí)驗(yàn)中的故障相電流

6 結(jié)論

本文根據(jù)基于并聯(lián)電阻擾動(dòng)信號(hào)的配電網(wǎng)故障定位方法在單相間歇性電弧接地故障中的定位不確定性問題，提出了一種改進(jìn)方法，即對電弧燃燒狀態(tài)進(jìn)行檢測，捕捉電弧重燃時(shí)刻并在電弧重燃初期立刻注入擾動(dòng)信號(hào)。該方法與隨機(jī)注入擾動(dòng)信號(hào)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）避免了在電弧熄滅期間注入擾動(dòng)信號(hào)的無效性，同時(shí)避免了電弧熄滅期間注入擾動(dòng)信號(hào)導(dǎo)致故障相電壓升高造成電弧重燃，不會(huì)額外加重系統(tǒng)過電壓負(fù)擔(dān)。

2）在電弧燃燒期間注入擾動(dòng)信號(hào)，故障電流的增大有利于促使間歇性電弧向穩(wěn)定電弧轉(zhuǎn)化，減小間歇性電弧的危害同時(shí)提高故障定位的有效性。