基于高壓直流恒流源的線路故障定位方案研究

陳超杰，周 青，沈曉峰，徐友剛，朱子葉

(1.國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799；2.上海電力大學，上海 200090)

目前配電網(wǎng)日益電纜化、分支化，伴隨著電容電流的急劇增加和分支機構(gòu)的日益復雜，而現(xiàn)有技術(shù)的接地查找手段普遍存在定位精度不準確、高阻接地查找困難、注入信號存在危險性等問題，使得推廣使用受到較大限制[1-4]。盡管一些較先進的故障指示器已具備接地指示功能，然而故障指示器不可能密集安裝，對電纜出線分支較多或距離較長的線路現(xiàn)場查找?guī)椭琅f有限。

由于現(xiàn)有技術(shù)的局限性，單相接地故障點查找至今未很好解決，對于配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來較大負面影響。為此，本文研制一種能從根本上提升接地查找定位效果，又安全方便的接地查找設(shè)備。

1 現(xiàn)有單相接地定位存在的問題

現(xiàn)有接地故障點查找設(shè)備效果最好的是信號注入法檢測方案，通過向停電的故障線路與大地之間注入交流信號，再通過無線鉗表檢測信號電流的流向，逐步縮小檢測范圍，最終定位到故障點，但該技術(shù)仍存在一些問題。

1.1 無法檢測高阻接地或間歇性接地

高阻接地與間歇性接地是最難查找的接地類型，而且出現(xiàn)的也很頻繁，尤其是樹枝搭接、小動物入侵等，常常造成高阻或間歇性接地?，F(xiàn)有產(chǎn)品的信號電壓強度低，由于電纜線路多、系統(tǒng)電容電流大，現(xiàn)有產(chǎn)品采用交流信號注入，如果信號電壓強度過大，檢測裝置將承擔極大的電容無功功率，這在技術(shù)上極難達到。因此，下游產(chǎn)品信號電壓一般僅幾百伏，對于高阻接地或間歇性接地無法擊穿故障點絕緣，這導致檢測高阻或間歇性接地效果不佳[5-6]。

1.2 容易受干擾

配網(wǎng)系統(tǒng)的日益電纜化，使系統(tǒng)對地電容阻抗日益降低，現(xiàn)有方案采用交流信號注入在無故障的電纜分支線上也產(chǎn)生感應回流，從而對檢測形成干擾甚至誤導。

1.3 無法驗證線路絕緣水平

部分單相接地并非永久性故障，很可能在跳閘后故障點已經(jīng)自動消除，具備送電條件。為確保安全，有時必須對線路進行絕緣測試，但現(xiàn)有設(shè)備的交流信號源電壓低，無法直接測試系統(tǒng)絕緣水平，還必須使用其他儀器來檢測線路絕緣。隨著供電可靠性要求的日益提升，用戶希望故障停電時間盡可能短，這就需要接地查找裝置本身具備絕緣驗證能力[7-8]。

當信號源無法構(gòu)成回路，通過提升信號電壓來直接驗證線路絕緣，將能極大提升單相接地故障的處置效率。

1.4 安全性差

現(xiàn)有信號注入方案的檢測儀器、操作桿均無防誤操作保護，一旦檢測時誤接入運行線路，將導致線路跳閘、人員傷亡的嚴重事故發(fā)生。檢測設(shè)備的現(xiàn)場應用安全性也需要提升。

2 檢測用高壓直流恒流源的設(shè)計

2.1 利用直流信號源檢測故障點的特點

現(xiàn)有技術(shù)的信號電源采用交流，在高阻值接地時，電容電流影響對故障點的準確判斷，占據(jù)了裝置的容量。在高阻值的接地故障點查找時，花費時間較長，難以準確判斷故障點甚至無法查找，因此故障查找性能受到限制。

本文電源采用直流方案，直流方案的優(yōu)點在于：首先直流信號無電容效應，具備先天的電纜電容電流屏蔽能力，因此具有很強的抗干擾能力；其次直流信號因為不產(chǎn)生電容電流，對于電容量很大的線路元件，可直接用較小的功率產(chǎn)生較高的電壓，從而類似于兆歐表對線路直接進行絕緣檢測，可實現(xiàn)在線的線路絕緣水平的同步檢測，對縮短故障處置時間帶來極大的好處。

現(xiàn)有技術(shù)不具備直流電流的鉗表檢測功能，要實現(xiàn)直流信號注入比較困難。采用新型雙重化屏蔽霍爾電流傳感器，具備極佳的外部電磁場屏蔽能力，通過該技術(shù)登桿檢測線路中的直流信號電流，就能非常靈敏地確認故障方位。

2.2 高壓直流恒流源的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文將逆變器與斬控交流調(diào)壓電路結(jié)合，采用漏磁變壓器升壓，同時利用其電流穩(wěn)定特性，達到恒流效果，規(guī)避了高壓恒流電源控制上的復雜性，實現(xiàn)無極可調(diào)、不怕短路近似恒流的高壓、小電流直流電源的設(shè)計，易于現(xiàn)場使用，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓直流恒流源結(jié)構(gòu)圖

高壓直流恒流源主要由4個部分組成。

(1)12～220 V逆變器。選取適當容量的蓄電池，通過振蕩電路，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，由變壓器升壓?20 V。

(2)斬控交流調(diào)壓器。通過控制脈沖的占空比，利用高頻周期矩形波函數(shù)對正弦波進行調(diào)制。假設(shè)12～220 V逆變器輸出值表示為

ui(t)=Umsin(ωt)

(1)

(2)

輸出電壓的傅里葉展開式：

(3)

輸出電壓由基波和高次諧波所組成，利用低通濾波器，可完全濾除高次諧波，使得u0(t)=DUmsinωt，改變占空比即可調(diào)節(jié)電壓。

(3)漏磁升壓變壓器。漏磁變壓器具有電流穩(wěn)定的特性，當變壓器開始工作時，負載電壓趨近于副邊電壓值，副邊漏抗很小；當穩(wěn)定工作后，負載壓降下降，漏抗壓降上升，趨于允許的限定值。改變原邊電壓，副邊的電流在負載變化時也能基本保持不變。變壓器升壓后電壓為

u2(t)=nu0(t)

(4)

式中n——變壓器變比，漏磁變壓器空載電壓可達10 kV以上。

(4)高壓整流橋。通過將4只相同的整流二極管接成電橋形式，利用二極管的引導作用，在輸出端實現(xiàn)全波整流電壓，整流橋輸出的電壓值為

UL=0.9U2

(5)

一般還需要濾波電路對整流后的電壓進行濾波，使輸出電壓接近理想的直流。

本文設(shè)計的高壓直流恒流源整機樣機基本參數(shù)如表1所示。

表1 高壓直流恒流源樣機基本參數(shù)

3 直流恒流源信號注入法分析及設(shè)計

3.1 直流恒流源信號注入法

10 kV電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的等效電路如圖2所示。在圖2中，L為消弧線圈電感；Cm，Rm，Lm為故障點上游所有并聯(lián)線路的等值線路參數(shù)；Cn，Rn，Ln為故障點下游等值線路參數(shù)。

圖2 單相接地故障其等效電路

直流信號注入法的原理與傳統(tǒng)的交流信號注入法類似，設(shè)線路n發(fā)生單相接地故障，其原理示意圖如圖3所示。在圖3中，Udc為直流電源，與逆變器相連，將直流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?。與斬控式交流調(diào)壓電路結(jié)合，通過漏磁變壓器升壓后高壓整流，構(gòu)成高電壓小電流的直流發(fā)生器。

圖3 直流信號注入法原理

直流信號注入法等效電路如圖4所示。選取一個檢測點，對已隔離故障線路的故障相與地之間施加信號電源注入直流信號，通過故障點的接地與裝置形成電流回路，測量電流的流向即可判斷故障點的方位。

圖4 直流信號注入法等效電路圖

假設(shè)故障點在左側(cè)，則故障接地與直流源形成回路，左側(cè)回路電流：i1≈UL/R1，右側(cè)無接地，則電流為i2≈UL/R2，由于右側(cè)開路，R2理論上近似為0，故i2≈0。

與傳統(tǒng)交流信號源相比，直流信號無電容效應，具備先天的電纜電容電流屏蔽能力和抗干擾能力；其次，直流信號不產(chǎn)生電容電流，對于電容較大的線路元件，可直接用較小的功率產(chǎn)生較高的電壓，進而利用兆歐表等對線路直接進行絕緣檢測，使故障點難以藏匿。

3.2 安全防誤操作保護設(shè)計

為了保證現(xiàn)場檢測的安全性，尤其是信號注入裝置不能錯誤接入運行線路導致誤操作事故，提出了三重化安全防范結(jié)構(gòu)。

(1)感應驗電器。信號操作桿頂部設(shè)置與日常驗電操作類似的驗電器，驗電器與信號輸出夾頭具備足夠安全距離，掛接操作桿時直接通過驗電器驗電，保證掛接在無電回路上。

(2)全絕緣導線與高壓硅鏈信號源電路。信號導線采用復合硅橡膠高壓導線，導線本體可承受50 kV交流耐壓1 min不擊穿，而儀器的信號輸出部分通過變壓器二次隔離與高壓硅鏈整流輸出，其本身可承受15 kV以上的外部交直流電壓不擊穿，即使信號操作桿完全搭接到運行導線上，也不會導致線路接地的誤操作事故。

(3)集成全絕緣限流熔斷器。操作桿集成有外部全絕緣的限流熔斷器，即使信號操作桿搭接到運行導線、儀器絕緣失效對地擊穿，此時限流熔斷器也會立即斷開，從而保護線路不發(fā)生接地短路的重大事故。

樣機的原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 項目樣機原理示意圖

4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

以避雷器隱性故障發(fā)生在上海某110 kV變電站10 kV的II段母線為實例，對所提技術(shù)方案進價現(xiàn)場驗證。下面分析線路發(fā)生避雷器隱性故障的處理過程。

(1)單相接地故障選線與隔離。10 kV II段母線于22：00左右發(fā)生故障，經(jīng)分析確認是10 kV拼開線單相接地故障。通知運維班現(xiàn)場巡線，故障點在1至39號桿段；39號桿后段當晚經(jīng)拉手線路操作轉(zhuǎn)至拼鎮(zhèn)線供電，隔日上午未查見明顯故障，試送電后單相接地故障仍然存在。

(2)避雷器隱性故障查找。經(jīng)高壓直流恒流源注入直流信號測試發(fā)現(xiàn)，故障在在20號桿大號側(cè)，通過無線鉗表縮小范圍于22號和28號桿測試后發(fā)現(xiàn)故障依舊在大號側(cè)。隨后利用紅外測溫裝置，發(fā)現(xiàn)7號配變A相避雷器發(fā)熱(見圖6)，溫升3 K左右。登桿發(fā)現(xiàn)避雷器瓷套穿孔，故障隱蔽，地面巡視發(fā)現(xiàn)困難，更換避雷器后恢復送電正常。

圖6 故障的避雷器

現(xiàn)場實際應用表明，通過直流高壓恒流源信號注入，結(jié)合無線鉗表判斷故障點大致區(qū)域，檢測定位的效率高，具有較好的實用價值。

5 結(jié)語

單相接地故障的辨識與查找對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。隨著線路的復雜化，給單相接地故障的查找定位及事故處理帶來了極大不便。本文提出一種基于高壓直流恒流源設(shè)計的接地查找方案，分析了直流信號注入法定位的基本原理，并設(shè)計高壓直流恒流源，利用二分法原理對發(fā)生故障的線路進行故障查找，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證該方法的可行性。與傳統(tǒng)交流信號注入法相比，直流信號注入查找更精確，具有一定的實際使用價值。