基于并聯(lián)電阻擾動信號的配電網(wǎng)故障定位方法分析

齊 鄭, 莊舒儀, 劉自發(fā), 姚志璋, 張羽翹

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206; 2. 國網(wǎng)北京市電力公司, 北京市 100071)

0 引言

中國6～35 kV中壓配電網(wǎng)一般采用中性點不接地或中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式,系統(tǒng)在運行過程中常發(fā)生單相接地故障,由于單相接地故障電流較小、故障特征復(fù)雜,使得故障點的查找非常困難。目前已提出很多原理方法,并且投入運行許多實用化裝置[1-5]。

現(xiàn)有的方法可以分為兩大類：利用故障信息進行故障定位[6-9]和通過外加診斷信號進行故障定位[10-14]。在第二類方法中,目前提出的方法多數(shù)為從中性點注入信號,但是對于沒有明顯中性點的系統(tǒng)無法應(yīng)用。文獻[11]提出了一種基于并聯(lián)電阻擾動信號的故障定位裝置,得到了較為廣泛的應(yīng)用。其基本原理是在母線處并聯(lián)電阻作為擾動信號,擾動信號的注入通過向除故障相外的其他兩個非故障相交替接入電阻實現(xiàn),故障點上游檢測點可檢測到相應(yīng)的擾動信號。但在實際運行過程中,施加交替的擾動信號后,故障點上游檢測點的故障相電流同未施加擾動信號相比可能出現(xiàn)變大、不變以及減小的情況,使得檢測點無法得到預(yù)期的擾動信號,導(dǎo)致故障定位錯誤。

因此,本文通過建立擾動信號的等值電路、對故障相電流變化等進行分析推導(dǎo),對擾動信號注入故障定位方法的有效域進行分析,找出現(xiàn)有方法中存在的問題,并提出如下優(yōu)化意見：改進擾動信號的注入方式,結(jié)合中性點的接地情況,僅向故障相的超前相或滯后相注入擾動信號。

1 基于并聯(lián)電阻擾動信號的配電網(wǎng)故障定位原理分析

基于并聯(lián)電阻擾動信號的配電網(wǎng)故障定位方法,需在變電站內(nèi)母線處裝設(shè)接地信號源,接地信號源主要由斷路器(或負荷開關(guān))、電阻器及相關(guān)附件構(gòu)成,圖1為A相發(fā)生單相接地故障的系統(tǒng)簡化示意圖[2-3,10]。

當線路上任何一點發(fā)生永久性單相接地故障時,裝在變電站內(nèi)的接地信號源檢測到故障信息后,首先判斷出系統(tǒng)的故障相,然后向非故障相注入特定的擾動信號,位于故障點上游的檢測點可檢測到擾動信號。其工作原理在于向非故障相注入擾動信號后,系統(tǒng)兩相同時經(jīng)電阻接地,改變了系統(tǒng)中性點的電壓,流經(jīng)故障相的電流也將隨著電壓的變化而變化,呈現(xiàn)單一增大的變化趨勢,從而通過檢測線路上檢測點處的故障相電流信息可以判斷檢測點是否位于故障點上游,結(jié)合線路拓撲結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)有效故障定位。

現(xiàn)有方法擾動信號交替通過非故障相施加,但對于某些情況檢測點故障相電流往往并非一致的單一增大[11]。這是因為兩個非故障相與故障相之間的相位關(guān)系相差±120°,施加不同的擾動信號量,會使系統(tǒng)檢測點的故障相電流增大、不變或減小,因此需要從理論上對特定接地信號施加在不同非故障相時,線路中性點電壓變化及各相電流分布變化作進一步研究,從而確定擾動信號注入式故障定位的有效性。

圖1 并聯(lián)電阻擾動信號原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of disturbed parallel resistance injection

2 基于并聯(lián)電阻擾動信號的配電網(wǎng)故障定位方法有效性分析

2.1 中性點不接地系統(tǒng)

圖2為中性點不接地擾動信號注入式小電流接地系統(tǒng)等效電路。根據(jù)基爾霍夫電流定律,分別求得等值電路的中性點電壓,進而求解單相接地故障電流及其有效值和故障電流變化量。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of neutral point ungrounded system

由圖2(a)可得：

(1)

(2)

(3)

由圖2(b)可得：

(4)

(5)

(6)

由圖2(c)可得：

(7)

(8)

(9)

對施加擾動信號前后單相接地故障電流有效值IdA,RMS與IdAB,RMS以及IdA,RMS與IdAC,RMS進行比較,經(jīng)化簡得到如下關(guān)系：

IdAB,RMS-IdA,RMS=

(10)

IdAC,RMS-IdA,RMS=

(11)

式中：EA,RMS/(kAkB)與EA,RMS/(kAkC)恒大于0。

以Rd∈(0,+∞)為自變量,對式(10)、式(11)進行二次曲線分析可知,無論RB取何值,IdAB,RMS-IdA,RMS的值恒大于0,而IdAC,RMS-IdA,RMS的值可能為任意值,與1/RC和ωC的取值有關(guān)。

檢測點測量的故障相電流為單相接地故障電流和負荷相電流之和,本文考慮負荷相電流對干擾信號注入的有效性的影響。由圖4可知,擾動信號通過B相注入,單相接地故障電流疊加負荷電流后,故障上游檢測點的故障相電流可能會增加,不會影響故障定位的準確性。向C相注入干擾信號后,在單相接地故障電流減小的情況下,由于負荷電流的疊加,使得故障上游檢測點的故障相電流可以進一步增大,但仍可能出現(xiàn)減小或者不變的情況,造成定位失敗。

圖4 考慮負荷電流的中性點不接地系統(tǒng) 故障相電流相量圖Fig.4 Phasor diagram of single-phase grounding fault current considering the load current in neutral point ungrounded system

由以上分析可知,對于中性點不接地系統(tǒng)擾動信號的有效注入相應(yīng)為故障相的滯后相。

2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),可能存在過補償或欠補償?shù)臓顟B(tài),欠補償狀態(tài)下的定位方法同中性點不接地系統(tǒng)一致,對于過補償狀態(tài)下的定位方法,建立了如附錄A圖A1所示的中性點經(jīng)過補償消弧線圈接地系統(tǒng)等效電路,圖A1(a)、圖A1(b)、圖A1(c)分別代表A相接地、向B相施加擾動信號、向C相施加擾動信號的等值電路。參照中性點不接地系統(tǒng)中的計算方法,分別求得等值電路的中性點電壓,進而求解單相接地故障電流。

由附錄A圖A1(a)可得：

(12)

由附錄A圖A1(b)可得：

(13)

(14)

由附錄A圖A1(c)可得：

(15)

(16)

同理易知,對于中性點經(jīng)過補償消弧線圈接地系統(tǒng),通過向C相施加接地信號,能夠有效增加單相接地故障電流,向B相施加接地信號,單相接地故障電流變化存在不變、變大、變小三種可能性。因此,對于中性點經(jīng)過補償消弧線圈接地系統(tǒng),只能向超前于故障相的非故障相施加擾動信號,才能實現(xiàn)故障定位的正確性。

3 基于并聯(lián)電阻擾動信號的配電網(wǎng)故障定位方法優(yōu)化

根據(jù)上述分析,本文設(shè)計優(yōu)化了基于并聯(lián)電阻擾動信號的配電網(wǎng)故障定位方法。其具體實現(xiàn)流程如附錄A圖A3所示。系統(tǒng)分為兩個部分,安裝在變電站的信號注入裝置和安裝在線路上的檢測裝置(例如故障指示器)。在正常運行中,信號注入裝置監(jiān)測系統(tǒng)三相電壓和零序電壓,檢測裝置實時監(jiān)測配電網(wǎng)各個檢測點處三相電流。當配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后,信號注入裝置快速確定發(fā)生單相接地故障的相,然后根據(jù)中性點接地方式,向故障相的滯后相或超前相施加接地信號,持續(xù)0.5 s后斷開接地信號,等待1 s,重復(fù)此步驟n次。開關(guān)處于閉合狀態(tài)時以“1”表示,反之以“0”表示。反復(fù)投切時,形成“100100…”序列,該序列即為擾動信號序列。分布在線路上的檢測裝置如果能夠檢測到擾動信號,說明該檢測裝置位于故障點上游。每一個能夠檢測到擾動信號序列的檢測裝置既可以就地報警,指導(dǎo)運行人員巡線定位,也可以將判斷信息上傳至主站,在主站結(jié)合線路的拓撲圖顯示故障區(qū)段。

4 仿真驗證

為了驗證文章分析結(jié)果的正確性,本文選取了中性點不接地系統(tǒng),通過ATP仿真軟件搭建了仿真網(wǎng)絡(luò)模型,如附錄A圖A4所示。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)驗證步驟完全相同,故不重復(fù)驗證。該仿真模型共有4條出線,參數(shù)和現(xiàn)場實際情況一致。假設(shè)第4條出線的分支線路發(fā)生A相接地故障,過渡電阻阻值分別為250,450,650 Ω,擾動信號通過非故障相經(jīng)500 Ω電阻并聯(lián)注入,擾動信號在0.3 s時向B相、C相注入。

圖5為發(fā)生單相接地故障后,分別向B,C兩相注入信號,X0001檢測點為A相電流變化量的情況,從該結(jié)果中可以看出：當擾動信號通過C相注入時,檢測點的故障相電流變化是不確定的;當擾動信號通過B相注入時,檢測點的故障相電流明顯增加,驗證了前文的理論分析。

為進一步驗證擾動信號注入的有效性,選取0～1 000 Ω不同的接地過渡電阻情況下,對X0001檢測點A相電流變化量進行測算,得到附錄A圖A5所示曲線。該曲線表明對于中性點不接地系統(tǒng),通過向B相注入適當?shù)臄_動信號可以保證在不同接地電阻情況下故障相電流的增大,實現(xiàn)準確的故障定位,充分驗證了上文理論可應(yīng)用于實踐之中。

此外,附錄A圖A6中各檢測點A相電流變化曲線表明：除X0001為故障點上游檢測點可檢測到擾動信號外,其他檢測點均未檢測到擾動信號,進一步驗證了擾動信號對非故障線路和非故障支路檢測點的A相電流無明顯影響。

圖5 施加擾動信號前后檢測點故障相電流變化情況Fig.5 Faulty phase current variation at the detection point before and after the disturbed signal injection

本次仿真結(jié)果表明對于中性點不接地系統(tǒng)及經(jīng)欠補償消弧線圈接地系統(tǒng),向故障相的滯后相施加接地信號,檢測點的故障相電流明顯增大,且非故障線路不受擾動信號注入的影響,而向故障相的超前相施加接地信號,檢測點的故障相電流可能出現(xiàn)變大、不變或變小三種情況,導(dǎo)致定位失敗。中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)具有類似的結(jié)論。仿真結(jié)果證明本文所提優(yōu)化方法正確有效。

5 結(jié)語

本文通過理論分析和仿真實驗證明傳統(tǒng)的通過并聯(lián)電阻向任意非故障相注入擾動信號的配電網(wǎng)故障定位方法存在不足,一旦注入相選擇錯誤,則會出現(xiàn)定位失敗的問題。因此,提出了一種改進方法,該方法能夠適用于中性點不接地方式和中性點經(jīng)消弧線圈接地方式,確保故障定位正確。該方法和同類故障定位方法相比具有如下優(yōu)點。

1)通過注入擾動信號使得故障信號特征明顯,適用于低電阻接地和高電阻接地情況,提高了單相接地故障定位準確性。

2)通過合適的非故障相注入擾動信號,確保了注入信號可以被檢測裝置準確地識別。

3)線路上的檢測裝置既可以實現(xiàn)就地判斷,也可以將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主站統(tǒng)一分析,對通信和同步測量的要求不高。本文所提方法可以直接應(yīng)用于現(xiàn)場運行的裝置,升級改造工作量小,具有很好的實用價值。

目前該方法利用單相接地后的穩(wěn)態(tài)信號,重點解決經(jīng)電阻接地的單相接地故障定位問題。但對于單相間歇性電弧接地故障由于穩(wěn)態(tài)特征不明顯,有待進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 陳炯聰,齊鄭,楊奇遜.基于模糊理論的小電流單相接地選線裝置[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,28(8):88-91.

CHEN Jiongcong, QI Zheng, YANG Qixun. A line detection device for the non-solidly grounded system based on fuzzy sets[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 28(8): 88-91.

[2] 劉健,張志華,張小慶,等.基于配電自動化系統(tǒng)的單相接地定位[J].電力系統(tǒng)自動化,2017,41(1):145-149.DOI:10.7500/AEPS20160118005.

LIU Jian, ZHANG Zhihua, ZHANG Xiaoqing, et al. Single phase to ground fault location based on distribution automation systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(1): 145-149. DOI: 10.7500/AEPS20160118005.

[3] 劉健,張小慶,申巍,等.中性點非有效接地配電網(wǎng)的單相接地定位能力測試技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動化,2018,42(1):138-143.DOI:10.7500/AEPS20170508012.

LIU Jian, ZHANG Xiaoqing, SHEN Wei, et al. Performance testing of single phase to earth fault location for distribution network with neutral point non-effectively grounded systems[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(1): 138-143. DOI: 10.7500/AEPS20170508012.

[4] 束洪春,田鑫萃,呂蕾.基于多測度的閃絡(luò)故障行波與干擾雜波辨識[J].電力系統(tǒng)自動化,2017,41(19):128-134.DOI:10.7500/AEPS20161118003.

SHU Hongchun, TIAN Xincui, LYU Lei. Multi-measure based identification of flashover fault traveling wave and interference noise[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(19): 128-134. DOI: 10.7500/AEPS20161118003.

[5] 李振興,程宜興,吳李群,等.基于初始波頭廣域傳輸路徑的行波定位單元優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動化,2017,41(18):60-66.DOI:10.7500/AEPS20170105005.

LI Zhenxing, CHENG Yixing, WU Liqun, et al. Optimal placement of traveling wave fault location equipment based on wide area transmission path of initial wave head[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(18): 60-66. DOI: 10.7500/AEPS20170105005.

[6] 薛永端,李天友,李偉新,等.小電流接地故障暫態(tài)分析及區(qū)段定位新方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(23):101-107.DOI:10.7500/AEPS20131210003.

XUE Yongduan, LI Tianyou, LI Weixin, et al. A novel method of transient analysis and faulty section location for single-phase earth fault in non-effectively earthed network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(23): 101-107. DOI: 10.7500/AEPS20131210003.

[7] THUKARAM D, KHINCHA H P, VIJAYNARASIMHA H P. Artificial neural network and support vector machine approach for locating faults in radial distribution systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(2): 710-721.

[8] 齊鄭,鄭朝,楊以涵.諧振接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(9):77-80.

QI Zheng, ZHENG Chao, YANG Yihan. Research on method of single-phase-to-earth fault section location in neutral point resonant grounded system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(9): 77-80.

[9] 張林利,徐丙垠,薛永端,等.基于線電壓和零模電流的小電流接地故障暫態(tài)定位方法[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(13):110-115.

ZHANG Linli, XU Bingyin, XUE Yongduan, et al. Transient fault locating method based on line voltage and zero-mode current in non-solidly earthed network[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(13): 110-115.

[10] WANG P, CHEN B, ZHOU H, et al. Fault location in resonant grounded network by adaptive control of neutral-to-earth complex impedance[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2018, 33(2): 689-698.

[11] 張偉,閆劍鋒,張珠玉,等.基于電阻負荷注入的變電站小電流接地故障選線方法:CN106324430A[P].2017.

[12] 張慧芬,潘貞存,桑在中.基于注入法的小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(3):64-66.

ZHANG Huifen, PAN Zhencun, SANG Zaizhong. Injecting current based method of fault location in neutral isolated power system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2004, 28(3): 64-66.

[13] 鄭顧平,姜超,李剛,等.配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中小電流接地故障區(qū)段定位方法[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(13):103-109.

ZHENG Guping, JIANG Chao, LI Gang, et al. Method of fault area and section location for non-solidly earthed distribution system[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(13): 103-109.

[14] 潘貞存,張慧芬,張帆,等.信號注入式接地選線定位保護的分析與改進[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(4):71-75.

PAN Zhencun, ZHANG Huifen, ZHANG Fan, et al. Analysis and modification of signal injection based fault line selection protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(4): 71-75.

[15] 曾祥君,尹項根,于永源,等.基于注入信號法的消弧線圈自動調(diào)諧新技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動化,2000,24(5):38-40.

ZENG Xiangjun, YIN Xianggen, YU Yongyuan, et al. Novel technique for Peterson-coil tuning based on injecting current[J]. Automation of Electric Power Systems, 2000, 24(5): 38-40.

齊 鄭(1977—),男,博士,副教授,主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制。E-mail： qizheng319@126.com

莊舒儀(1993—),女,通信作者,碩士研究生,主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制。E-mail： zhuangshuyi2014@126.com

劉自發(fā)(1973—),男,博士,副教授,主要研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化運行。E-mail： tjubluesky@163.com