配電網(wǎng)短路故障在線監(jiān)測(cè)及綜合診斷研究

溫立彬，山雨，常亮，陳淑波，唐志宇

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，社會(huì)現(xiàn)代化程度越來(lái)越高，電網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定地運(yùn)行對(duì)人們生產(chǎn)生活的影響程度越來(lái)越大[1-2]。配電線路承擔(dān)著用戶的重要責(zé)任，其供應(yīng)的電力充沛、安全以及穩(wěn)定是國(guó)家和人民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)[3-4]。

由于如今配電網(wǎng)的規(guī)模以及覆蓋的范圍不斷增大，運(yùn)行復(fù)雜性也隨之變大，運(yùn)行不斷接近最大負(fù)荷，因此，配電網(wǎng)發(fā)生故障頻率和風(fēng)險(xiǎn)也日益上升[5-7]。

配電網(wǎng)內(nèi)的故障主要分成了兩類，分別為簡(jiǎn)單故障以及復(fù)雜故障兩大類，其中復(fù)雜故障本質(zhì)為多個(gè)簡(jiǎn)單故障組成[8-10]。配電網(wǎng)內(nèi)的短路故障主要有單相接地短路故障、兩相短路故障、三相短路故障以及兩點(diǎn)接地短路故障四種類型。其線路一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)直接影響配電網(wǎng)供電的可靠性，從而給社會(huì)安全生產(chǎn)造成巨大的損失，也將會(huì)對(duì)國(guó)民日常的生活和工作產(chǎn)生影響。因此，對(duì)配電線路的故障檢測(cè)以及故障診斷技術(shù)展開相關(guān)研究是十分有必要的。

針對(duì)配電網(wǎng)故障檢測(cè)以及故障診斷技術(shù)的研究中，目前通常采用電力互感器就是電磁式電壓互感器和電磁式電流互感器[11-13]。但隨著用戶的用電負(fù)荷不斷上升，電網(wǎng)運(yùn)行的電壓等級(jí)也隨之增大，對(duì)原來(lái)電壓和電流測(cè)量裝置的絕緣強(qiáng)度以及測(cè)量精度提出了更高的要求[14-16]。此外，在目前配電網(wǎng)中，監(jiān)測(cè)裝置通常對(duì)變電站內(nèi)部以及線路末端進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，但針對(duì)架空線路運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)則鮮有研究，并且由于未考慮配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，造成判斷過(guò)程比較復(fù)雜且計(jì)算量大[17-18]。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障檢測(cè)以及故障診斷技術(shù)已經(jīng)難以迎合現(xiàn)階段配電網(wǎng)的發(fā)展需求，因此，亟需研究一種配電網(wǎng)短路故障在線監(jiān)測(cè)及綜合診斷技術(shù)，提高配電網(wǎng)故障的監(jiān)測(cè)和判斷能力。

短路故障的綜合判據(jù)。最后搭建有關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)該裝置以及綜合判據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果對(duì)配電網(wǎng)短路故障的在線監(jiān)測(cè)及綜合診斷技術(shù)有重要的參考意義。

1 線路在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)線路故障將會(huì)造成線路運(yùn)行情況發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在電流信號(hào)和電壓信號(hào)[19-20]。因此，基于電壓測(cè)量系統(tǒng)模型和電流測(cè)量系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)一種對(duì)電壓和電流同時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的裝置。

1.1 電壓測(cè)量系統(tǒng)模型

依據(jù)等效電荷法的基本模型，能夠得到有電體周圍的電場(chǎng)與其電位存在成比例關(guān)系[21]。若將某配電網(wǎng)線路一回路的邊界條件假定為下式：

那么該線路附近的電場(chǎng)和它的電位的關(guān)系可以用下式表示[22]：

式中：E（t）為測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度；R0為測(cè)量點(diǎn)至線路中心的長(zhǎng)度；r0為導(dǎo)線半徑；φ（t）為被測(cè)線路的電位；ep為方向矢量。

電場(chǎng)耦合電壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電場(chǎng)耦合傳感器等效結(jié)構(gòu)Fig.1 Equivalent structure of electric field coupled sensor

如圖1所示，電場(chǎng)耦合電壓傳感器的構(gòu)成包括：模塊1為金屬電極，A為其外表面的面積；模塊2為絕緣接地體；Rm則為和同軸電纜連接的接地電阻。

當(dāng)空間場(chǎng)強(qiáng)為E（r，t）時(shí)，傳感器金屬電極表面將產(chǎn)生感應(yīng)電荷q，并會(huì)在其表面產(chǎn)生閉合的高斯曲面。利用在該面上獲取微元dA，并根據(jù)高斯定理得到感應(yīng)電荷q計(jì)算公式為

式中：ε0為相對(duì)介電常數(shù)。

由于其電場(chǎng)強(qiáng)度是不斷變化的，將式（3）兩面進(jìn)行微分，得到：

接地電阻Rm有電流經(jīng)過(guò)因此必然存在壓降V0（t），壓降和接地電阻的關(guān)系可以表示為

將式（2）代入式（5），可以得到被測(cè)導(dǎo)體電位與傳感器測(cè)量結(jié)果的關(guān)系：

被測(cè)導(dǎo)體的電壓與傳感器輸出信號(hào)V0（t）之間的比例系數(shù)為

可以看出，Aq的大小取決于傳感器與導(dǎo)體電極的幾何尺寸及其間的距離，還有電極的法向分量和電場(chǎng)強(qiáng)度間夾角等因素。因此，傳感器的輸出電壓最終可以表示為

1.2 電流測(cè)量系統(tǒng)模型

電流測(cè)量系統(tǒng)采用基于Rogowski線圈工作原理[22-23]，其結(jié)構(gòu)為在非鐵磁材料的環(huán)形構(gòu)架上均勻緊密地纏繞著漆包線形成環(huán)形線圈，被測(cè)導(dǎo)體無(wú)需與線圈接觸，可從線圈中心穿過(guò)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電流測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of current measurement system

依據(jù)電磁感應(yīng)定律可知電流流過(guò)的導(dǎo)體周圍會(huì)形成磁場(chǎng)，安培環(huán)路定律為

式中：dl為線圈圓周線微元的長(zhǎng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；i1為流過(guò)導(dǎo)體的電流。

則距離導(dǎo)線r處的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，值為4π×107H/m。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在通過(guò)導(dǎo)體的電流出現(xiàn)變化時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并定義為

式中：Ψ為總磁鏈；N為Rogowski線圈匝數(shù)；Φ為磁通；dS為磁通經(jīng)過(guò)的微元截面；r1為磁場(chǎng)距離。則e（t）能夠定義為

通過(guò)式（12）可得到Rogowski線圈的輸出電壓與導(dǎo)體電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)存在正比例關(guān)系，因此還需要利用積分電路測(cè)量導(dǎo)體電流，其工作原理電路如圖3所示。

圖3 Rogowski線圈的工作原理電路圖Fig.3 Working principle circuit diagram of Rogowski coil

圖3中，Ra為采樣電阻，而iR則為通過(guò)該電阻的電流值，iC為雜散電容的支路電流，r和L分別為線圈的內(nèi)阻和自感，C0為匝間電容。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律得到回路電壓方程為

當(dāng)取樣電阻Ra的值較小，且滿足：

假定iC值為0，則基爾霍夫電壓定律可簡(jiǎn)化為

當(dāng)電流變化率很大時(shí)，則式（15）可表示為

由式（16）可得：

此外，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，能夠?qū)ogowski線圈進(jìn)行參數(shù)選型，根據(jù)不同型號(hào)可以測(cè)量超過(guò)100 kHz的高頻電流或脈沖、工頻以及諧波電流等信號(hào)。

1.3 在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

電壓電流一體化的傳感器如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)電壓、電流的一體化測(cè)量，該裝置分成了兩個(gè)模塊，其左邊為電壓傳感器部分，其右邊為電流傳感器部分。兩邊不同的傳感器利用開放型卡扣的設(shè)計(jì)，將其結(jié)合在一起，形成綜合在線監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)開放型卡扣，讓該裝置能夠較為便捷地在配電線路上進(jìn)行安裝，并且其中間孔徑的大小能夠依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 電壓電流一體化的傳感器Fig.4 Voltage and current integrated sensor

電壓、電流一體化傳感器主要存在以下優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，有利于現(xiàn)場(chǎng)安裝；

2）實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)和電流信號(hào)的同步測(cè)量；

3）因與線路為非接觸形式，具有更好的穩(wěn)定性；

4）不存在鐵磁諧振，其測(cè)量范圍大；

5）數(shù)據(jù)比較容易傳輸。

2 短路故障綜合診斷仿真研究

2.1 配電網(wǎng)故障仿真模型的建立

通過(guò)電力系統(tǒng)離線仿真軟件搭建配電網(wǎng)故障仿真模型，其系統(tǒng)框圖如圖5所示。圖5中，發(fā)電機(jī)元件模型可以等效為理想電源與阻抗的串聯(lián)，其額定電壓值為110 kV，額定容量為60 MV·A；變壓器采用的是變比為110 kV/10 kV的三相雙繞組變壓器，且其容量為100 MV·A；配電線路長(zhǎng)度設(shè)定為1 km。此外在線路上設(shè)置故障發(fā)生裝置，可以模擬線路發(fā)生不同的故障，并設(shè)定故障發(fā)生時(shí)間為0.5 s，持續(xù)時(shí)間為0.1 s。

圖5 線路故障仿真模型Fig.5 Simulation model of line fault

2.2 短路故障仿真模擬結(jié)果

2.2.1 三相短路故障

當(dāng)設(shè)定故障類型為ABC三相短路時(shí)，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖6所示。

圖6 三相短路時(shí)的波形Fig.6 Waveforms of three phase short circuit

由圖6可以得出：若在線路上產(chǎn)生三相短路故障，在故障出現(xiàn)時(shí)，其三相電壓值同步驟變至0，同時(shí)其三相電流將急劇上升。在故障持續(xù)0.1 s后，線路故障排除，則其三相運(yùn)行狀態(tài)又恢復(fù)正常。

2.2.2 兩相相間短路

當(dāng)設(shè)定故障類型為BC兩相相間短路時(shí)，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖7所示。由圖7可以得出：若在線路上產(chǎn)生BC兩相相間故障，線路BC相電流將會(huì)忽然上升，兩者電流大小相等且相位相反，同時(shí)BC相電壓將會(huì)減小至原來(lái)的二分之一，并存在大小相等且相位相同的關(guān)系。非故障的A相其電壓不會(huì)產(chǎn)生變化，但其電流變?yōu)?。

圖7 兩相相間短路時(shí)的波形Fig.7 Waveforms of two-phase short-circuit

2.2.3 兩相接地短路

當(dāng)設(shè)定故障類型為兩相短路接地時(shí)，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖8所示。

圖8 兩相接地短路時(shí)的波形Fig.8 Waveforms of two-phase short-circuit grounding

由圖8可以得出：若在線路上產(chǎn)生BC兩相短路接地時(shí)，其故障的BC相電流將會(huì)忽然上升，同時(shí)其電壓急劇下降，接近為0；非故障的A相其電壓小幅度增大，但其電流則降為0。

2.2.4 單相接地短路

當(dāng)設(shè)定故障類型為A相單相接地短路，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖9所示。

圖9 單相接地短路時(shí)的波形Fig.9 Waveforms of single phase to ground short circuit

由圖9可以得出：若在線路上產(chǎn)生A相單相接地短路故障時(shí)，其故障的A相電流將會(huì)驟然上升，同時(shí)其電壓直接降為0；非故障的BC相電壓將會(huì)增大，此時(shí)若為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，其電壓值將會(huì)增大至線電壓。

2.3 短路故障綜合判據(jù)

通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)的短路故障特征進(jìn)行仿真研究，總結(jié)出根據(jù)線路電壓電流發(fā)生的變化情況，所判斷出故障類型的具體特征為：

1）當(dāng)配電網(wǎng)采集的信號(hào)為線路三相的電流突然上升，而且其三相的電壓又直接降至零。該情況判斷為出現(xiàn)了三相短路故障。

2）當(dāng)配電網(wǎng)采集的信號(hào)為有兩相電流突然急劇上升，并且其相位是相反的，同時(shí)該兩相的電壓忽然減少為之前的二分之一，此外，另外一相電流則是直接突變?yōu)榱?，且該相電壓未出現(xiàn)變化。該情況判斷為出現(xiàn)了兩相短路故障，并且故障發(fā)生在電流突然增大的兩相上。

3）當(dāng)配電網(wǎng)采集的信號(hào)為有兩相電流突然急劇上升，而且其電壓卻突變至零；另外一相的情況則是相反，其電流突變至零，而電壓卻有少量的增大。該情況判斷為出現(xiàn)了兩相短路接地故障，并且故障發(fā)生在電流突然增大的兩相上。

4）當(dāng)配電網(wǎng)采集的信號(hào)為有一相的電壓忽然下降至零，但該相的電流卻急劇增大，此外，另外兩相的情況卻是相反的，其電流忽然下降至零，但是電壓較原先卻有少量的增大。該情況判斷為出現(xiàn)了單相接地短路故障，并且故障發(fā)生在電流突然上升的那相上。

3 在線監(jiān)測(cè)傳感器性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)線路發(fā)生不同短路故障時(shí)線路的電壓與電流變化情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)框圖如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.10 Experimental system block diagram

變壓器參數(shù)為：額定電壓為110 kV，且頻率為50 Hz，通過(guò)該試驗(yàn)變壓器將工頻標(biāo)準(zhǔn)電壓升高至所需電壓；示波器的參數(shù)為：衰減倍數(shù)為800且寬為60 MHz的高壓探頭；電流互感器作為電流比對(duì)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)器，其型號(hào)為SDD-MG8系列鉗型電流互感器。

在各組實(shí)驗(yàn)開始前，通過(guò)溫濕度計(jì)記錄下大氣條件。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通電后，調(diào)節(jié)試驗(yàn)變壓器改變線路電壓，并利用在線監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)線路電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，其輸出的測(cè)量信號(hào)，在通過(guò)硬件電路處理后，傳輸至示波器進(jìn)行顯示，并傳輸至電腦進(jìn)行保存。

3.2 傳感器電壓性能試驗(yàn)

利用泰克無(wú)源示波器高壓探頭與本文設(shè)計(jì)的電壓互感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

高壓探頭輸出電壓與真實(shí)電壓的變比為1 000∶1，輸出電壓波形連接到示波器，結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出本文設(shè)計(jì)的電壓傳感器與高壓探頭測(cè)量得到的電壓波形大致相同，電壓波形沒(méi)有明顯畸變。

圖11 傳感器與高壓探頭的穩(wěn)態(tài)波形Fig.11 Steady state waveforms of sensor and high voltage probe

調(diào)節(jié)試驗(yàn)變壓器，分別利用傳感器和高壓探頭測(cè)量電壓并記錄，為減小測(cè)量誤差，每組試驗(yàn)G分別測(cè)量三次，結(jié)果取平均值，結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，兩種測(cè)量結(jié)果非常接近，則表明了設(shè)計(jì)的傳感器電壓測(cè)量較為準(zhǔn)確，利用n表示單位“組”。

圖12 傳感器與高壓探頭電壓測(cè)量結(jié)果Fig.12 Voltage measurement results of sensor and high voltage probe

3.3 傳感器電流性能試驗(yàn)

利用搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，分別利用Rogowski線圈和鉗型電流互感器測(cè)量電流，并連接到示波器顯示，兩者測(cè)量得到的電流波形如圖13所示。

圖13 傳感器與鉗型電流互感器的穩(wěn)態(tài)波形Fig.13 The steady state waveforms measured by Rogowski coil and clamp current transformer

圖13結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的Rogowski線圈與鉗型電流互感器測(cè)得的電流波形大致相同，電流波形沒(méi)有明顯畸變。

改變阻抗值，分別利用Rogowski線圈和鉗型電流互感器測(cè)量電流值并記錄，為減小測(cè)量誤差，每組試驗(yàn)分別測(cè)量三次，結(jié)果取平均值，其結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出，兩種測(cè)量結(jié)果非常接近，則表明了設(shè)計(jì)的傳感器電流測(cè)量較為準(zhǔn)確。

圖14 傳感器與鉗型電流互感器測(cè)量結(jié)果Fig.14 Current measurement results of sensor and clamp type current transformer

4 短路故障綜合診斷的實(shí)際應(yīng)用

將該復(fù)合監(jiān)測(cè)的傳感器進(jìn)行實(shí)際掛網(wǎng)安裝應(yīng)用，其短路故障綜合診斷技術(shù)總的系統(tǒng)框圖如圖15所示。通過(guò)在每段線路連接處的端部安裝電壓電流一體化傳感器裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)該段線路電壓和電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)智能通訊服務(wù)器進(jìn)行信號(hào)接收，利用信號(hào)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)監(jiān)控機(jī)，最后監(jiān)控機(jī)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至數(shù)據(jù)服務(wù)器和判斷與分析服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)服務(wù)器主要進(jìn)行保存和調(diào)閱，而判斷與分析服務(wù)器主要是對(duì)接收的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

圖15 總的系統(tǒng)框圖Fig.15 System block diagram

現(xiàn)狀配電網(wǎng)中的在線監(jiān)測(cè)裝置大部分布置在變電站或負(fù)荷側(cè)，而不是在架空線路上，因此不能對(duì)配電網(wǎng)線路上的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行有效采集，即無(wú)法獲得配電網(wǎng)線路上故障出現(xiàn)時(shí)其電壓和電流的特征變化，則不能對(duì)故障進(jìn)行有效判斷和識(shí)別。

短路故障綜合診斷裝置在掛網(wǎng)安裝后，對(duì)其裝置的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)。測(cè)得線路正常運(yùn)行時(shí)的電壓和電流波形如圖16所示，通過(guò)對(duì)波形的分析，可以讀出該裝置能夠較為準(zhǔn)確地獲得線路上實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)。

圖16 線路正常運(yùn)行時(shí)的波形Fig.16 Waveforms of normal operation of line

由于本系統(tǒng)仍在試驗(yàn)階段，因此其掛網(wǎng)安裝檢測(cè)范圍較小。在本裝置掛網(wǎng)安裝的半年內(nèi)，該線路出現(xiàn)了一次單相短路接地故障，該裝置采集到的電壓和電流波形如圖17所示。

圖17 線路故障時(shí)的波形Fig.17 Waveforms in case of line fault

從圖17中能夠得出，當(dāng)線路故障發(fā)生時(shí)，其故障相C相的電流將會(huì)發(fā)生突變、劇烈增加，但是其電壓值將會(huì)突降至零；而且此時(shí)非故障相A相和B相的現(xiàn)象則是相反的，這兩相的電流會(huì)突降至零，而其電壓將會(huì)有所升高。

通過(guò)分析上述信息，并與短路故障綜合判據(jù)對(duì)比，能夠得出故障波形與單相接地短路故障現(xiàn)象一致。

5 結(jié)論

本文研究了配電網(wǎng)中短路故障的綜合診斷及處理方法，基于電壓測(cè)量系統(tǒng)模型和電流測(cè)量系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了線路在線監(jiān)測(cè)裝置。該裝置能夠?qū)€路的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括電流信號(hào)和電壓信號(hào)。

通過(guò)搭建配電網(wǎng)故障仿真模型，得到了在線路發(fā)生三相短路故障、兩相接地短路故障、兩相相間短路故障以及單相接地故障時(shí)，其線路運(yùn)行狀態(tài)的變化情況，并總結(jié)出了配電網(wǎng)短路故障的綜合判據(jù)。

通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該裝置運(yùn)行情況良好。

通過(guò)實(shí)際掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，再次驗(yàn)證了該裝置以及綜合判據(jù)的可行性。其結(jié)果對(duì)配電網(wǎng)短路故障的在線監(jiān)測(cè)及綜合診斷技術(shù)有重要的參考意義，并進(jìn)一步推動(dòng)了配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的智能化程度。