關(guān)于小電流接地故障定位問題的研究

【摘要】文章以小電流系統(tǒng)的中壓配電網(wǎng)架空線為例，探討小電流接地故障區(qū)段定位新方法，并基于測點相鄰矩陣區(qū)段起始測點標(biāo)識向量和故障路徑標(biāo)識向量概念，提出確定故障區(qū)間邊界節(jié)點算法。物理模擬實驗和掛網(wǎng)測試表明：該故障分區(qū)分段定位方法能夠在線求解小電流接地故障段邊界節(jié)點，縮小線路維護巡視范圍。為線路維護和饋線自動化提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】小電流；接地故障區(qū)段定位

一、引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國也在電力自動化建設(shè)中大力發(fā)展，目前，我國中壓配電網(wǎng)以架空線為主，多為小電流系統(tǒng)，單相接地故障占到電網(wǎng)故障總數(shù)的80%以上。故障監(jiān)控是配電網(wǎng)運行自動化的一項內(nèi)容，由于中國現(xiàn)有配網(wǎng)自動化系統(tǒng)基本上沒有小電流接地故障定位功能，現(xiàn)場仍然廣泛采用人工巡線法確定故障位置，不僅耗費大量的人力、物力，拉路造成的短時停電還給用戶造成較大的經(jīng)濟損失，這使得配電自動化系統(tǒng)在提高可靠性的作用上大打折扣。由此可見，中國新一代配電自動化系統(tǒng)應(yīng)徹底解決小電流接地故障定位問題。

本文研究基于廣域相量測量的小電流接地故障信息檢測方法，綜合分析中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征，研究其獲取方法。針對配電網(wǎng)中線路負(fù)載不對稱的現(xiàn)象導(dǎo)致不對稱運行的情況，設(shè)定線路零序電壓故障閾值，區(qū)分有無故障。以維護巡線距離基本相同為原則劃分線路段，以負(fù)荷量基本相同為原則劃分線路區(qū)。研究單相接地故障區(qū)間的在線快速定位機制，所給出的確定故障區(qū)間邊界節(jié)點算法可應(yīng)用于小電流接地故障段定位，也可定位故障區(qū)并確認(rèn)相關(guān)的負(fù)荷開關(guān)。此方法可實現(xiàn)小電流接地故障區(qū)段實時定位，解決了配電自動化系統(tǒng)沒有小電流接地故障定位功能的缺陷。

二、小電流接地故障分段定位原理

1.輻射型接線方式

配電網(wǎng)一般具有閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行的特點。配電網(wǎng)不同線路通過雙電源連接開關(guān)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。正常運行條件下，雙電源連接開關(guān)斷開，從變電站引出的配電線路開環(huán)運行，形成單電源線輻射接線的樹狀結(jié)構(gòu)，這是配電網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的接線方式，如圖1所示。

2.故障選線與故障定位

在非有效接地系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)小電流接地故障，非故障相對地電壓升為線電壓，特別是出現(xiàn)間歇性弧光接地時，由于中性點缺少電荷釋放通路，將引起弧光接地過電壓，線路絕緣受到威脅，容易擴大為相間短路。因此應(yīng)盡快找出故障線路，并盡快排除故障。

從連接在同一母線的多條線路中識別出發(fā)生小電流接地故障的線路，并給出判斷結(jié)果的過程稱為故障選線。如圖2所示，如果線路區(qū)間內(nèi)有一條支路AB發(fā)生單相接地故障，根據(jù)故障信息特征在故障區(qū)間找出故障支路的過程稱為故障定位。

在配電網(wǎng)線路上設(shè)置檢測小電流接地故障的測點，以若干互為相鄰的測點為邊界，即可劃定線路區(qū)間，如圖1、2所示?？梢姡瑴y點越多線路區(qū)間越小，故障定位也就越準(zhǔn)確。

配電網(wǎng)的測點作用各有不同：變電站母線測點獲取零序電壓相量；在線路上設(shè)置的零序電流相量測點若僅用于故障定位，則把它們稱為普通線路測點；若某些線路測點不僅用于故障定位還用于饋線控制，則將它們稱為特殊線路測點。如果互為相鄰的測點中含有普通線路測點，以它們?yōu)檫吔鐒澏ǖ木€路區(qū)間稱為段，全以特殊線路測點為邊界劃定的線路區(qū)間稱為區(qū)。因此，本文有故障分段定位和故障分區(qū)定位的不同概念。

3.小電流接地故障特征信息的獲取

（1）中性點不接地系統(tǒng)故障特征

單電源輻射結(jié)構(gòu)線路發(fā)生小電流接地故障時，零序電流相量存在不穩(wěn)定性，僅在線路端點母線處無法確定其分布。配電網(wǎng)線路支路多、距離遠(yuǎn)，人工巡線定位故障位置非常艱難。針對諸多難題，本文研究在線路中設(shè)置固定測點的解決辦法。實踐表明：固定測點受噪聲、小電流信號衰減的影響較少，方便監(jiān)測故障零序電流。

對于中性點非有效接地系統(tǒng)，線路f點發(fā)生單相接地故障，相當(dāng)于在f點接入一個零序電壓源，線路的感抗較小且零序電流較小，零序電壓在整條線路上近似相等，在變電站設(shè)置一個零序電壓測點。理論上，非故障時線路零序電壓為0。但是由于線路不對稱原因也可能產(chǎn)生零序電壓，故設(shè)定線路零序電壓故障閾值，若零序電壓超過閾值，則系統(tǒng)出現(xiàn)小電流接地故障，啟動故障定位功能。

零序網(wǎng)絡(luò)阻抗僅由線路的對地電容成分構(gòu)成，零序電源在線路上產(chǎn)生零序容性電流。母線至故障點最短距離經(jīng)過的線路路徑稱作故障路徑。定義由電源側(cè)指向負(fù)荷終端的方向為該網(wǎng)絡(luò)各分支的正方向。零序電流滯后零序電壓90o的支路是故障路徑的一部分，零序電流超前零序電壓90o的支路不在故障路徑上，如圖3所示。

（2）消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征

對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補償作用，使故障線路零序電流相位與健全線路相同、零序電流幅值小于健全線路情況，應(yīng)采取技術(shù)措施獲取故障特征。線路發(fā)生單相接地故障后，電網(wǎng)允許帶故障運行不超過2h，對消弧線圈發(fā)出控制信號，調(diào)控消弧線圈在過補償和欠補償之間交替變化，零序電流相量在-90o和90o交替變化的測點在故障路徑上，零序電流相量保持90o不發(fā)生變化的測點不在故障路徑上，從而獲取故障信息特征。完成單相接地故障檢測后，消弧線圈轉(zhuǎn)入正常補償狀態(tài)。

（3）故障特征信息的獲取

測點采用廣域相量測量技術(shù)實現(xiàn)零序電壓或零序電流相量數(shù)據(jù)采集，通過全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）授時確保各測點測取相量數(shù)據(jù)的同步性，通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）組網(wǎng)實現(xiàn)信息傳輸，根據(jù)各測點相位差獲取單相接地故障特征信息。各測點相位差定義為：

式中：為號零序電流測點絕對相位；為變電站零序電壓測點絕對相位。綜合中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)2種情況，的取值保持90o不變的測點在故障點下游；否則測點在故障點上游，即在故障路徑上。

4.故障分段定位法

故障分段定位自動地從每個測點處采集零序電流相量數(shù)據(jù)，識別出發(fā)生故障的線路段，并給出判斷結(jié)果。圖4是典型的單電源輻射結(jié)構(gòu)線路分段示意圖，相鄰測點將線路分成了不同的段。

一個段可能由2個測點界定，如f1所在故障段由起始節(jié)點9號測點及其子節(jié)點10號測點界定標(biāo)識，段邊界節(jié)點集合表示為{9，10}，起始節(jié)點及其子節(jié)點為邊界節(jié)點集合元素；一個段也可能由多個測點界定，如f2所在故障段由起始節(jié)點1號測點及其子節(jié)點2、7和9號測點界定標(biāo)識，集合表示為{1，2，7，9}。第i段的區(qū)間邊界節(jié)點集合Wi定義為：

單電源輻射線路內(nèi)流過的故障零序電流帶有方向，如圖3所示。單電源輻射線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是有向圖，用一棵樹表示。在定位故障段的方法中，變電站0號根測點只采集零序電壓相量數(shù)據(jù)，故障點一定在該點下游；葉節(jié)點是假想測點，故障點一定在這些測點的上游。除根節(jié)點和葉節(jié)點外，其他節(jié)點是零序電流測點。設(shè)零序電流測點數(shù)為m，葉節(jié)點假想測點數(shù)為n，則所有測點數(shù)為m+n+1。根節(jié)點和m個電流測點可定義m+1個線路段。M+1維起始測點標(biāo)識向量保存根測點和零序電流測點標(biāo)識號。圖4所示系統(tǒng)的起始測點標(biāo)識向量為：

=[0，1，2，7，9，3，5，10]

采用測點相鄰矩陣描述線路變電站根節(jié)點、零序電流測點節(jié)點和線路末端假想節(jié)點之間的相鄰關(guān)系。測點相鄰矩陣S的元素Sij定義為：

確定故障區(qū)間邊界節(jié)點算法（algorithm to find fault area boundary nodes，AFFABN）的輸入量為測點相鄰矩陣S和區(qū)間起始測點標(biāo)識向量r，輸出量為故障段邊界節(jié)點集合W，AFFABN的描述如下：

1）獲取變電站零序電壓相量數(shù)據(jù)和每個測點零序電流相量數(shù)據(jù)，計算各測點相位差。定義故障路徑標(biāo)識向量e的長度與向量r一致，其元素與向量r元素存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)線路零序電壓大于等于閾值時，線路出現(xiàn)故障，e1=1；無故障時，e1=0。若i號（i>1）真實測點在故障點上游，則e1=1；若i號真實測點在故障點下游，則ek=0。

2）從e的第1個元素開始順序查找，找到e中值為1的最后1個元素，設(shè)為ek，則rk為故障區(qū)間的起始節(jié)點，其子節(jié)點集合V為：

定位故障段時，調(diào)用AFFABN算法可得到故障段的所有邊界節(jié)點，故障段內(nèi)所有支路都可能是故障支路。

三、小電流接地故障分區(qū)定位原理

在較長的單電源輻射結(jié)構(gòu)線路干線及分支上安裝負(fù)荷開關(guān)，一般主干線有1～2個負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷較密集地區(qū)每公里安裝1個開關(guān)，遠(yuǎn)郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)按所接配電變壓器容量每2～3MVA安裝1個開關(guān)。

在負(fù)荷開關(guān)的位置安裝零序電流測點，單電源輻射結(jié)構(gòu)線路干線及分支被負(fù)荷開關(guān)處的零序電流測點分為不同的區(qū)。故障分區(qū)定位通過某種技術(shù)和裝置自動地從每個負(fù)荷開關(guān)處測點采集零序電流相量數(shù)據(jù)及其分布，識別出發(fā)生故障的線路分區(qū)，并給出分區(qū)邊界負(fù)荷開關(guān)節(jié)點，為饋線自動控制提供準(zhǔn)確信息。

圖5是典型的單電源輻射結(jié)構(gòu)線路分區(qū)示意圖，相鄰負(fù)荷開關(guān)處測點將線路分成了不同的區(qū)。分區(qū)可能由2個負(fù)荷開關(guān)處測點界定，如圖3所示。根節(jié)點0號測點及其子節(jié)點1號測點標(biāo)識界定一個分區(qū)；分區(qū)也可能由多個負(fù)荷開關(guān)處測點確定，起始節(jié)點2號測點及其子節(jié)點3和5號測點作為邊界節(jié)點標(biāo)識另一個分區(qū)。

與線路分段原理類似，可以采用測點相鄰矩陣描述變電站根節(jié)點、零序電流測點節(jié)點和線路末端節(jié)點之間的相鄰關(guān)系。

可見，只要獲得負(fù)荷開關(guān)處測點相鄰矩陣D和起始節(jié)點標(biāo)識向量t，調(diào)用確定故障區(qū)間邊界節(jié)點算法即可得到故障區(qū)邊界負(fù)荷開關(guān)節(jié)點。

設(shè)負(fù)荷開關(guān)處測點為a個，葉測點為b個，則所有測點數(shù)為a+b+1。負(fù)荷開關(guān)處測點相鄰矩陣D的元素dij定義如下：

從而得到a+1行a+b列矩陣負(fù)荷開關(guān)處的測點相鄰矩陣D。

將根測點號和所有起始負(fù)荷開關(guān)處測點節(jié)點號保存在長度為a+1的節(jié)點號向量t中，則故障路徑標(biāo)識向量e與向量t存在制約關(guān)系。調(diào)用確定故障區(qū)間邊界節(jié)點算法AFFABN求取故障分區(qū)邊界節(jié)點，存放在集合U中。

四、故障定位物理模擬實驗與掛網(wǎng)測試

1.故障定位物理模擬實驗

在新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室10kV配電網(wǎng)物理模擬平臺上對故障定位系統(tǒng)進行了單相接地故障模擬實驗，12組數(shù)據(jù)如表1所示，物理模型電路如圖6所示。

2號線路2個零序電流測點分別為1和2號測點，末端有3號假想測點，將2號線路分為3個段，起始測點標(biāo)識向量r為：

由此可得故障路徑為根測點。故障路徑標(biāo)識向量e中最后1個非零元素序號是1，所以k=1，r1=0。測點相鄰矩陣S的第1行僅1個非零元素s11，在第1列?？芍收隙纹鹗脊?jié)點為0號測點，其子節(jié)點為1號測點，定位0和1號測點之間的支路有故障{0，1}，如表1所示。

2）表1中5-8號實驗，基于廣域相量測量技術(shù)的線路測點獲取故障信息特征，并送至服務(wù)器處理，填入故障路徑的標(biāo)識向量e為：

e=[1，1，0]

由此可得故障路徑為，根測點1號測點。故障路徑標(biāo)識向量e中最后1個非零元素序號是2，所以k=2，r2=1。測點相鄰矩陣S的第2行有1個非零元素s22，在第2列。可知，故障段起始節(jié)點為1號測點，其子節(jié)點為2號測點。定位1至2號測點之間有故障{1，2}，如表1所示。

3）表1中9-12號實驗，基于廣域相量測量技術(shù)的線路測點獲取故障信息特征，并送至服務(wù)器處理，則故障路徑的標(biāo)識向量e為：

e=[1，1，1]

由此可得故障路徑為，0號測點→1號測點→2號測點。故障路徑標(biāo)識向量e中最后1個非零元素序號是3，所以k=3，r3=2。測點相鄰矩陣S的第3行僅1個非零元素s33，在第3列?？芍?，故障段起始節(jié)點為2號測點，其子節(jié)點為3號測點，定位2和3號測點之間的支路有故障{2，3}，如表1所示。

2.掛網(wǎng)測試

雙電源開關(guān)1-3斷開后，閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行的配電網(wǎng)某站A號線路成為典型的輻射型線路。故障定位系統(tǒng)現(xiàn)已在A號線路掛網(wǎng)測試，在實際線路上安裝了3個測點，測點全部放置在負(fù)荷開關(guān)處，使得分段和分區(qū)重疊，現(xiàn)場線路如圖7所示。A號線路被3個零序電流測點分成4個段，測點的下游分別是3個段，變電站根節(jié)點與測點為邊界節(jié)點界定的區(qū)間是一個段。段起始測點標(biāo)識向量r為：

r=[0，1，2，3]

系統(tǒng)分段測點相鄰矩陣和分區(qū)負(fù)荷開關(guān)處測點相鄰矩陣相同，為：

故障定位系統(tǒng)在獲取故障信息特征后，可分4種情況得到故障路徑標(biāo)識向量：

1）1號測點零序電流滯后零序電壓900，e=[1，1，0，0]；

2）2號測點零序電流滯后零序電壓90o，e=[1，0，1，0]；

3）3號測點零序電流滯后零序電壓90o，e=[1，0，0，1]；

4）測點零序電流都超前零序電壓90o，e=[1，0，0，0]。

調(diào)用AFFABN算法可得到故障段邊界所有測點，最終確定故障段，故障段內(nèi)所有支路都可能是故障支路。祝澤站A號線路覆蓋面大，而且小電流接地故障較為頻繁，故障定位系統(tǒng)開通后運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了小電流接地故障自動檢測和實時顯示。

參考文獻

[1]張利.中性點非有效接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.

[2]賈清泉，楊奇遜，楊以涵等.基于故障測度概念與證據(jù)理論的配電網(wǎng)單相接地故障多判據(jù)融合[J].中國電機工程學(xué)報，2003，23（12）：6-11.

[3]夏雨，姚月娥，劉全志等.配電網(wǎng)故障定位與隔離的新統(tǒng)一矩陣法[J].高電壓技術(shù)，2002，28（3）：4-6.