S注入法選線局限性研究

李俊，丁凡，王科，王紀(jì)斌，徐云龍

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

1 問(wèn)題的提出

在我國(guó)6～35 kV配電網(wǎng)中，大多數(shù)電網(wǎng)采用小電流接地方式。電網(wǎng)中若發(fā)生單相接地故障，可允許電網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，隨著電網(wǎng)容量的增大，電容電流也隨之增大，電流經(jīng)過(guò)消弧線圈接地方式被廣泛使用，但其削弱故障特征卻對(duì)接地保護(hù)裝置構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

1998年，山東工業(yè)大學(xué)桑在中等人提出了向電網(wǎng)中注入信號(hào)的方法，通過(guò)對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行循跡。此后，許多人都在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，針對(duì)注入信號(hào)的形式、頻率及信號(hào)的接收等問(wèn)題也提出了一些改進(jìn)優(yōu)化的方法(如注入信號(hào)編碼、降低S注入信號(hào)頻率、雙頻率注入法、帶有小波濾波算法的窄帶通濾波器等)。另外，對(duì)于注入信號(hào)的監(jiān)測(cè)，一般需要工作人員手持信號(hào)接收器沿故障線路探測(cè)，這樣會(huì)拖延時(shí)間，可能會(huì)導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大。所以，一些學(xué)者提出在架空線路沿線隔一定距離裝設(shè)信號(hào)探測(cè)器，基于電網(wǎng)的模型確定故障的區(qū)段。

這種主動(dòng)式信號(hào)注入法定位雖然克服了以往多數(shù)故障裝置利用故障發(fā)生后監(jiān)測(cè)特征信號(hào)的被動(dòng)局面，但它的應(yīng)用也有一定的局限性，嚴(yán)重影響了選線與定位的實(shí)現(xiàn)。本文試圖用仿真的方法分別討論過(guò)渡電阻、線路長(zhǎng)度對(duì)選線、定位的影響。給出了具體的仿真曲線，分析了仿真結(jié)果后，總結(jié)出基于S注入法選線與定位的應(yīng)用局限。

2 S注入法基本原理

S注入法的基本原理如圖1所示。在圖1中，信號(hào)源接在變電所母線的PT二次側(cè)，通過(guò)檢測(cè)PT開(kāi)口三角的電壓判斷是否發(fā)生單相接地故障并進(jìn)行鑒相。在發(fā)生故障時(shí)，由于PT的某相相當(dāng)于被閑置，所以，無(wú)需添加任何系統(tǒng)設(shè)備，電源與系統(tǒng)僅靠電磁聯(lián)系，沒(méi)有絕緣的問(wèn)題。將一定頻率的信號(hào)注入該相的母線，通過(guò)各個(gè)分支處及線路中的探測(cè)器反饋的接收信號(hào)的情況來(lái)進(jìn)行接地故障的選線與定區(qū)段。

當(dāng)發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，對(duì)地的分布電容對(duì)注入信號(hào)的分流作用可忽略不計(jì)，注入信號(hào)的流通路徑如圖1中單線箭頭、虛線所示。

然而實(shí)際情況并非這么簡(jiǎn)單，在發(fā)生故障前、后，均可以看出有分布電容的存在，如圖1中的C3－1、C3－2，它的大小與線路長(zhǎng)度成正比，當(dāng)線路較長(zhǎng)、過(guò)渡電阻并沒(méi)有那么理想時(shí)，無(wú)論是非故障線路還是故障后線路，它們的分布電容都會(huì)對(duì)注入的電流信號(hào)起分流作用，削弱選線和定位的效果，如圖1中的雙線箭頭、虛線所示。下面的仿真中將會(huì)對(duì)其情況進(jìn)行分開(kāi)討論。

注入信號(hào)選取有一定的原則，首先不能與基本頻率及其頻率的倍數(shù)相同，否則，注入信號(hào)將會(huì)淹沒(méi)在基波及其諧波中;其次，不能影響通信及其他信號(hào)的正常工作。所以，對(duì)注入信號(hào)的基本要求可總結(jié)為:躲過(guò)基波及各次諧波，

式中:fn為某次諧波;fzr為注入信號(hào)頻率。

3 過(guò)渡電阻與線路長(zhǎng)度對(duì)選線影響的仿真

3．1 過(guò)渡電阻對(duì)選線影響

用PSCAD搭建的仿真模型如圖2所示。其中，傳輸線選為Bergeron模型，它是基于行波原理的常頻率模型，它能準(zhǔn)確模擬線路穩(wěn)態(tài)的阻抗或?qū)Ъ{。在圖2中，I1～I(xiàn)4分別代表4條出線線路上的電流，4條出線長(zhǎng)度設(shè)為13，18，21及11 km，分別帶不同大小的純阻性負(fù)載。注入電流源電流10 A，初相角為0，頻率為220Hz。線路t=0．1 s發(fā)生故障，并持續(xù)至仿真結(jié)束，在t=0．2 s時(shí)開(kāi)始注入信號(hào)電流，以便故障干擾減弱后利于觀測(cè)。

當(dāng)過(guò)渡電阻R0=50Ω時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示。

需要說(shuō)明的是，圖中穩(wěn)定波形的幅值不能代表實(shí)際中的電流大小，這是因?yàn)樵跒V波器的作用下幅值會(huì)有畸變，所以，該仿真中注入信號(hào)的功率也沒(méi)有實(shí)際中的那么大，但其波形不變，且每個(gè)電流所經(jīng)過(guò)的帶通濾波器參數(shù)相同，即能準(zhǔn)確反映出其比例。其中，t=0～0．1 s的振蕩是由于電源上升至穩(wěn)定值造成的，線路在t=0．1 s發(fā)生單相接地故障有較大幅值的高頻電流存在，至t=0．2 s時(shí)，待干擾逐漸變小后，注入頻率為220Hz的電流，t=0．2 s后是觀察重點(diǎn)。從仿真結(jié)果可以看出:故障線路故障相電流明顯大于非故障線路電流(約為40倍)，選線準(zhǔn)確率高。

圖3 過(guò)渡電阻為故障相電流與非故障線路電流對(duì)比

當(dāng)R0=200Ω時(shí)，過(guò)渡電阻為200Ω故障相電流與非故障線路電流對(duì)比如圖4所示。

上述仿真結(jié)果表明:故障相故障電流急劇減小，但仍是非故障線路電流的20倍左右，也能準(zhǔn)確尋出故障線路。

當(dāng)R0=1 000Ω時(shí)，過(guò)渡電阻為1 000Ω故障相電流與非故障線路電流對(duì)比如圖5所示。

故障線路故障相電流為非故障線路的5倍，為同一個(gè)數(shù)量級(jí)，區(qū)分的不明顯，不易選線。上述問(wèn)題也說(shuō)明了在頻率為220Hz的注入信號(hào)下，當(dāng)過(guò)渡電阻大于1000Ω時(shí)，區(qū)分度不明顯，選線困難，容易造成錯(cuò)判。

通過(guò)修改注入信號(hào)的頻率，可以得到在不同過(guò)渡電阻下故障線路故障相電流與非故障線路電流的比值，將結(jié)果記錄并擬合出其關(guān)系曲線如圖6所示。

其中:橫坐標(biāo)代表電阻值;縱坐標(biāo)代表電流比值;y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7，y8和y9分別代表 20，40，60，80，120，180，220，280 和 320Hz。

3．2 線路長(zhǎng)度對(duì)選線的影響

對(duì)仿真模型稍作修改，是為了更容易理解，這里只仿真了2條出線的情況，線路長(zhǎng)度影響PSCAD仿真模型如圖7所示。

上面的模型參數(shù)不變，在過(guò)渡電阻不變、2條出線長(zhǎng)度相對(duì)變化的情況下做出仿真，下面僅分別以典型的頻率為60Hz和頻率為220Hz為注入信號(hào)來(lái)考慮:設(shè)L1為故障線路，L2為非故障線路，用n=L1/L2來(lái)定義2條出線長(zhǎng)度的比例，通過(guò)改變n進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示如圖8所示。60Hz時(shí)線路長(zhǎng)度對(duì)選線影響如圖9所示。

其中:橫坐標(biāo)代表n，代表2條線路的相對(duì)長(zhǎng)度比例;縱坐標(biāo)代表故障線路故障相與非故障線路的電流比值。圖8中的n1，n2，n3，n4分別對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻是100，200，500，1000Ω，圖9 中的 n1，n2，n3，n4分別對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻是 100，500，1000，2000 Ω。

仿真結(jié)果分析:

(1)對(duì)于圖6中的低頻率部分(20～120Hz)，當(dāng)過(guò)渡電阻較小時(shí)，故障電流明顯大于非故障電流。隨著過(guò)渡電阻增大急劇減小，當(dāng)頻率較低時(shí)，線路容抗XC=1/jωC(式中:XC為線路容抗;ωC為角頻)較大，非故障線路對(duì)注入信號(hào)的分流作用較小，隨著過(guò)渡電阻的增大，分流作用越加明顯，直至無(wú)法區(qū)分。值得指出的是，線路對(duì)地的容抗數(shù)量級(jí)較大。相關(guān)文獻(xiàn)指出，頻率在60Hz，220Hz，線路長(zhǎng)度為20 km的情況下，線路的容抗試驗(yàn)值為3．38kΩ，分流電路支路電流為曲線，式中:I為分流電

R路支路電流;R為分流電路支路電阻。在仿真的過(guò)渡電阻范圍內(nèi)，比值恒大于1。

(2)對(duì)于圖6中高頻部分，隨著頻率的升高，分流作用凸顯，表現(xiàn)為曲線隨著頻率的升高逐漸降低，同時(shí)也可以看到，在過(guò)渡電阻在500Ω時(shí)，60 Hz的電流比為50，而120Hz的電流比僅為10～20，所以，降低頻率的方法可有效增大注入法的適用范圍。

(3)從圖8、圖9可以看出，在出線長(zhǎng)度比n=0．5～5．0時(shí)，仿真結(jié)果與前面的結(jié)果類(lèi)似，即2段線路在長(zhǎng)度差別的不大且在過(guò)渡電阻不大的情況下，各個(gè)頻率的信號(hào)選線結(jié)果比較理想;當(dāng)n＜0．5時(shí)，即故障發(fā)生在較短線路上時(shí)，故障線路不易區(qū)分，而當(dāng)n＞5時(shí)，即故障發(fā)生在較長(zhǎng)線路上時(shí)，故障卻容易區(qū)分;原因是n較小時(shí)非故障線路長(zhǎng)，導(dǎo)致總的對(duì)地電容的較小，容抗小，特別是經(jīng)一定過(guò)渡電阻接地時(shí)，分流的作用很明顯，區(qū)分度不大，反之，分流作用減弱，區(qū)分度增強(qiáng)。仿真結(jié)果說(shuō)明，選線準(zhǔn)確性與出線的相對(duì)長(zhǎng)度有關(guān)，其中，若線路差距較大，發(fā)生在較長(zhǎng)線路上的故障最易選出。

4 線路長(zhǎng)度對(duì)定位的影響仿真

有關(guān)學(xué)者對(duì)水泥桿塔過(guò)渡電阻的試驗(yàn)研究表明，在干燥的冬天，其電阻多為10～20 kΩ，而在潮濕多雨的夏季，其電阻多為3 kΩ;在故障進(jìn)行定位時(shí)，有必要考慮經(jīng)水泥桿塔接地的定位有效距離問(wèn)題。

與上述模型均相似，唯一不同的是線路L1被分為2段:TLINE1－1和 TLINE1－2，通過(guò)改變TLINE1－2段線路的長(zhǎng)度來(lái)研究線路長(zhǎng)度對(duì)故障定位的影響。值得注意的是，作者考慮的是故障點(diǎn)前、后電流的變化，為了方便分析，可設(shè)定故障點(diǎn)前線路的長(zhǎng)度不變，令TLINE1－1長(zhǎng)度保持不變，甚至可將TLINE1－1去掉，即忽略故障前分布電容的影響，使仿真結(jié)果更為明確，如圖10所示。

下面以典型的220 Hz為例進(jìn)行仿真，如圖11所示。

其中:y1，y2，y3，y4，y5對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻分別為1，3，5，10，20 kΩ。橫軸為 TLINE1 －2 的長(zhǎng)度，縱軸為故障點(diǎn)前、后電流值之比Iq/Ih(其中:Iq代表故障點(diǎn)前電流;Ih代表故障點(diǎn)后電流)。

仿真分析:

(1)隨著線路的增長(zhǎng)，容抗減小，逐漸接近過(guò)渡電阻，甚至小于過(guò)渡電阻，區(qū)分效果變差，定位的效果不明顯，當(dāng)故障點(diǎn)前、后電流比值小于2時(shí)，可認(rèn)為電流沒(méi)有發(fā)生突變，定位失效。

(2)故障定位的有效距離隨過(guò)渡電阻增大而減小。對(duì)于20 kΩ的過(guò)渡電阻，頻率為220Hz信號(hào)幾乎沒(méi)有定位能力;對(duì)于1 kΩ與3 kΩ的過(guò)渡電阻來(lái)說(shuō)，注入信號(hào)頻率為220Hz，定位的有效長(zhǎng)度也都在60 km和30 km以上，這對(duì)于10 kV電網(wǎng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

5 總結(jié)與展望

(1)注入信號(hào)循跡法思路新穎，不依靠故障信號(hào)的特征，但在實(shí)際應(yīng)用中有其局限性。從上述仿真結(jié)果來(lái)看，選線的條件要比定位的條件苛刻，對(duì)于1 kΩ以上的過(guò)渡電阻，采用信號(hào)注入選線方法無(wú)能為力。而用于定位時(shí)，在過(guò)渡電阻10 kΩ及以上經(jīng)水泥桿塔接地的情況，其有效距離十分有限。

(2)在注入不同頻率的信號(hào)時(shí)，不可避免地引入了一些諧波，即使其在電能質(zhì)量要求范圍之內(nèi)，也會(huì)影響到對(duì)注入信號(hào)的提取，特別是在故障電流信號(hào)區(qū)分不明顯的時(shí)候。同時(shí)，降低頻率的方法雖有效地增加了選線及定位的效果，但其相比于注入頻率為220Hz的信號(hào)引入的諧波更多，低頻率信號(hào)注入法也增大了電源制造的難度，增加了成本。本文沒(méi)有考慮具體電流的大小及諧波對(duì)選線和定位的影響，上述仿真條件較實(shí)際要理想得多。

(3)針對(duì)上面的選線瓶頸，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，值得一提的是，利用行波法進(jìn)行選線是個(gè)比較新的研究方向。同時(shí)，針對(duì)水泥桿塔對(duì)故障定位影響，已有學(xué)者提出采用注入直流信號(hào)的方法來(lái)消除分布電容的分流作用，不過(guò)其對(duì)信號(hào)的檢測(cè)是個(gè)難點(diǎn)，還未能應(yīng)用于實(shí)際，但卻是個(gè)大膽的嘗試。

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