配電網(wǎng)單相接地故障定位技術(shù)的運(yùn)用

朱志堅(jiān)，伊長(zhǎng)春，蒲友

（1.國(guó)網(wǎng)浙江寧波市鄞州區(qū)供電有限公司，浙江寧波，315100；2.國(guó)網(wǎng)衢州供電公司，浙江衢州，324000；3.金華珂瑪電氣有限公司，浙江金華，321000）

1 配電網(wǎng)單相接地故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 故障定位裝置

該裝置中包含的核心設(shè)備有變壓器、檢測(cè)器、高壓信號(hào)源等，以3線路、2分支的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 故障定位裝置結(jié)構(gòu)框圖

配電網(wǎng)的3條線路，每條線路中均設(shè)置了A、B、C、D、E五個(gè)測(cè)試點(diǎn)，線路1、2同線路3，圖中不再贅述。在中壓配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，假設(shè)在K點(diǎn)出出現(xiàn)了單相接地故障，則利用能量法、小波分析法等故障選線方法，確定發(fā)生故障的線路，即線路3。然后從線路3的端頭注入一個(gè)高壓直流信號(hào)，并且在五個(gè)測(cè)試點(diǎn)處依次使用移動(dòng)式直流檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)，在B點(diǎn)出正常，在C點(diǎn)出異常，則可以判定故障位于B、C之間，從而縮小了故障范圍。換用感應(yīng)電流檢測(cè)器，在BC段內(nèi)繼續(xù)檢測(cè)，直到最終確定故障點(diǎn)K。

1.2 信號(hào)檢測(cè)器

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，又可分為直流、交流兩種信號(hào)檢測(cè)器。以直流信號(hào)檢測(cè)器為例，其核心元件包括：（1）霍爾直流檢測(cè)器。鉗形開(kāi)口可用于連接線路，內(nèi)部嵌入霍爾元件，基于霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中直流信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，測(cè)量誤差≤5%。（2）采樣處理電路。可對(duì)電路中的電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、降噪以及A/D轉(zhuǎn)換等處理。在處理結(jié)束后，利用藍(lán)牙無(wú)線發(fā)送器將信號(hào)傳送到接收端。要求藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)器的直線距離在15m以內(nèi)，以保證連接可靠、傳輸穩(wěn)定。（3）藍(lán)牙無(wú)線接收器。正常接收信號(hào)后，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。

1.3 多功能高壓信號(hào)發(fā)生器

該裝置的作用是向配電網(wǎng)中注入高壓直流、交流、脈沖信號(hào)。從組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看，包括逆變器、調(diào)壓器、升壓變壓器、整流器等，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 高壓信號(hào)源結(jié)構(gòu)框圖

逆變器的作用是把車(chē)載直流電壓逆變成交流電壓。正常情況下，車(chē)載直流電源提供的是12V直流電，經(jīng)過(guò)電壓逆變器的轉(zhuǎn)化后，輸出220V、60HZ的交流電壓。然后依次經(jīng)過(guò)調(diào)壓器、升壓變壓器的處理，得到2000-3000V的高壓電，確保故障點(diǎn)可靠擊穿。從升壓變壓器輸出的交流電壓經(jīng)過(guò)不同的處理后得到3種信號(hào)：其一是未經(jīng)任何處理、直接輸出的高壓交流信號(hào)，最高電壓3000V，電流180mA，頻率60Hz；其二是經(jīng)過(guò)整流器處理后的高壓直流信號(hào)，最高電壓3000V；其三是經(jīng)過(guò)高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器處理的高壓脈沖信號(hào)，最高電壓10000V，脈沖寬度 200ms。

2 基于同步相量測(cè)量的在線定位技術(shù)

2.1 故障在線定位原理

以簡(jiǎn)單配電網(wǎng)為例，假設(shè)一條線路上共有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是母線節(jié)點(diǎn)A，以及分支節(jié)點(diǎn)B和C。在進(jìn)行故障定位時(shí)，由于不確定故障點(diǎn)的位置，因此只能按照電流方向?qū)ふ?，即從母線節(jié)點(diǎn)A開(kāi)始，沿著主線路尋檢到達(dá)分支節(jié)點(diǎn)B，進(jìn)行支線尋檢。如果未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，繼續(xù)回到主線路上沿著B(niǎo)→C的方向?qū)z。在到達(dá)分支節(jié)點(diǎn)C后，進(jìn)行支線尋檢，未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)繼續(xù)回到主線路尋檢。在尋檢時(shí)，主要獲取線路中零序電流的相位信息。并且將該信息與變電站傳送來(lái)的零序電壓的相位信息進(jìn)行對(duì)比，如果零序電流滯后于零序電壓90°，繼續(xù)沿著電流方向往下游追蹤。如果零序電流超前零序電壓90°，則向上游追蹤。通過(guò)不斷縮小檢測(cè)范圍，最終鎖定故障點(diǎn)的位置。

2.2 同步相量測(cè)量技術(shù)

在線同步測(cè)量零序電壓相量和零序電流相量，是實(shí)現(xiàn)單相接地故障精準(zhǔn)判定的關(guān)鍵技術(shù)。在同一配電網(wǎng)中，線路中任意點(diǎn)出的零序電壓相量是一致的。因此，可以將變壓站處測(cè)量得到的零序電壓相量，等同于線路中任意一點(diǎn)的零序電壓相量。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，線路中的零序電流會(huì)發(fā)生變化。只要同步采集零序電壓、零序電流的相量并進(jìn)行對(duì)比，即可進(jìn)行故障追溯。由于兩者之間屬于異地檢測(cè)，因此如何做到異地檢測(cè)中同步獲取相量信息就成為關(guān)鍵問(wèn)題。一種解決方案是將零序電壓采樣的時(shí)標(biāo)信息附加在幅值和相位信息上，一起傳遞到零序電流檢測(cè)裝置中。該裝置在接收幅值信息、相位信息后，存儲(chǔ)到緩沖區(qū)內(nèi)。利用時(shí)標(biāo)信息在緩沖區(qū)內(nèi)準(zhǔn)確獲得同一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)的零序電流測(cè)量數(shù)據(jù)，這樣就能保證兩個(gè)不同的相量具有統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了同步。

2.3 在線定位裝置設(shè)計(jì)

在線定位裝置主要由上位機(jī)、下位機(jī)組成，其中下位機(jī)又包括定位器、相電流測(cè)量器，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 在線定位裝置結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)位于變電站內(nèi)，內(nèi)置GPS模塊，保證能夠在接收到時(shí)標(biāo)信息后同步發(fā)出脈沖信號(hào)。同時(shí)，上位機(jī)每隔1s觸發(fā)A/D完成一次零序電壓采樣。使用FFT算法對(duì)采集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，從而分別得到零序電壓信號(hào)的幅值和相位參數(shù)。最后使用內(nèi)置的無(wú)線通信模塊，將幅值、相位、時(shí)標(biāo)信息一同發(fā)送給下位機(jī)。

下位機(jī)是一臺(tái)便攜式設(shè)備，可用于在配電線路中進(jìn)行移動(dòng)檢測(cè)。設(shè)備上有一個(gè)鉗形表頭，可以?shī)A在線路上，并利用相電流檢測(cè)器讀取線路中相電流的數(shù)值。定位器的GPS模塊在接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)標(biāo)信息后，同步響應(yīng)并發(fā)出脈沖信號(hào)。相鄰的藍(lán)牙無(wú)線接收模塊會(huì)向相電流測(cè)量器發(fā)出指令，由該測(cè)量裝置獲取相電流的瞬時(shí)值，并將采集到的數(shù)值反饋至定位器。下位機(jī)將三相電流瞬時(shí)值進(jìn)行合成，得到零序電流信號(hào)，進(jìn)而使用FFT算法獲得該電流的幅值、相位參數(shù)。

根據(jù)同一時(shí)刻測(cè)量得到的零序電流信號(hào)的幅值和相位，可以求得零序分量的有功功率值（P）。如果P＞0，故障點(diǎn)位于檢測(cè)點(diǎn)的上游，尋檢人員逆著電流方向往上查尋；如果P＜0，故障點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下游，尋檢人員順著電流方向往下查尋。通過(guò)不斷縮小范圍，最終確定故障點(diǎn)的位置。

2.4 在線定位裝置的仿真實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建一個(gè)10kV配電網(wǎng)模型，接入電壓為市電380V，利用變壓器將其升高至10kV。有2條配電線路和1條保護(hù)線路，以及熔斷器、電壓互感器、電容器等裝置。其中，電壓互感器3臺(tái)，6#互感器位于主干線上，5#和7#互感器分別在支線上，并且5#互感器所在的支線發(fā)生單相接地故障。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

圖5 濾波后數(shù)據(jù)

結(jié)合上圖可知，5#互感器測(cè)量的零序電流滯后零序電壓91.3°，6#互感器測(cè)量零序電流滯后零序電壓90.8°，7#互感器測(cè)量零序電流超過(guò)零序電壓91.0°，說(shuō)明故障點(diǎn)位于5#互感器所在的支線上，與理論結(jié)果一致。

3 故障定位裝置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

某地10kV架空線路連續(xù)發(fā)生單相接地故障，為保障用戶正常用電需求和維護(hù)供電公司經(jīng)濟(jì)效益，決定對(duì)變電站10kV出線進(jìn)行模擬接地試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員分成3隊(duì)，一隊(duì)在1#桿注入信號(hào)，二隊(duì)設(shè)置故障點(diǎn)，三對(duì)尋找故障點(diǎn)。二隊(duì)和三對(duì)之間不進(jìn)行交流，模擬真實(shí)接地故障情況，分別進(jìn)行了2次單相接地故障試驗(yàn)。

第一次為線路低電阻接地，實(shí)際發(fā)生接地故障為10#桿。一隊(duì)使用定位裝置測(cè)量接地電阻，顯示為1200Ω。三隊(duì)從變壓器處開(kāi)始沿著線路開(kāi)始故障尋檢，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 線路低電阻接地試驗(yàn)數(shù)據(jù)

最終三隊(duì)用時(shí)16分鐘，確定故障點(diǎn)為10#桿，與二隊(duì)設(shè)置故障點(diǎn)一致。

第二次試驗(yàn)為單相經(jīng)水泥電桿接地，實(shí)際發(fā)生接地故障仍為10#桿。一隊(duì)使用定位裝置測(cè)得接地電阻1200Ω，三隊(duì)從變壓器處開(kāi)始故障尋檢，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 線路經(jīng)電桿接地試驗(yàn)數(shù)據(jù)

最終三隊(duì)用時(shí)19分鐘，確定故障點(diǎn)為10#桿，與二隊(duì)設(shè)置的故障點(diǎn)一致。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

該在線定位裝置在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)間2個(gè)月，累計(jì)進(jìn)行了5次實(shí)際的單相接地故障定位，均能精確地找出發(fā)生故障的位置，定位準(zhǔn)確率達(dá)到100%，應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

為了更好滿足用戶的用電需求，近年來(lái)中壓配電網(wǎng)的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，線路中的分支越來(lái)越多。一旦某個(gè)支路上發(fā)生故障，只有明確故障定位才能讓電力公司技術(shù)人員盡快修復(fù)故障、恢復(fù)正常供電，減少停電損失。本文所述的一種基于同步相量測(cè)量技術(shù)的在線故障定位裝置，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可以快速、精確完成故障定位，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。