關于小電流接地故障定位問題的研究

【摘要】文章以小電流系統的中壓配電網架空線為例，探討小電流接地故障區段定位新方法，并基于測點相鄰矩陣區段起始測點標識向量和故障路徑標識向量概念，提出確定故障區間邊界節點算法。物理模擬實驗和掛網測試表明：該故障分區分段定位方法能夠在線求解小電流接地故障段邊界節點，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。

【關鍵詞】小電流；接地故障區段定位

一、引言

隨著國民經濟的高速發展，我國也在電力自動化建設中大力發展，目前，我國中壓配電網以架空線為主，多為小電流系統，單相接地故障占到電網故障總數的80%以上。故障監控是配電網運行自動化的一項內容，由于中國現有配網自動化系統基本上沒有小電流接地故障定位功能，現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濟損失，這使得配電自動化系統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應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和中性點經消弧線圈接地系統故障特征，研究其獲取方法。針對配電網中線路負載不對稱的現象導致不對稱運行的情況，設定線路零序電壓故障閾值，區分有無故障。以維護巡線距離基本相同為原則劃分線路段，以負荷量基本相同為原則劃分線路區。研究單相接地故障區間的在線快速定位機制，所給出的確定故障區間邊界節點算法可應用于小電流接地故障段定位，也可定位故障區并確認相關的負荷開關。此方法可實現小電流接地故障區段實時定位，解決了配電自動化系統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

配電網一般具有閉環設計、開環運行的特點。配電網不同線路通過雙電源連接開關形成環狀結構。正常運行條件下，雙電源連接開關斷開，從變電站引出的配電線路開環運行，形成單電源線輻射接線的樹狀結構，這是配電網應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

在非有效接地系統中，一旦出現小電流接地故障，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生小電流接地故障的線路，并給出判斷結果的過程稱為故障選線。如圖2所示，如果線路區間內有一條支路AB發生單相接地故障，根據故障信息特征在故障區間找出故障支路的過程稱為故障定位。

在配電網線路上設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，即可劃定線路區間，如圖1、2所示。可見，測點越多線路區間越小，故障定位也就越準確。

配電網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，以它們為邊界劃定的線路區間稱為段，全以特殊線路測點為邊界劃定的線路區間稱為區。因此，本文有故障分段定位和故障分區定位的不同概念。

3.小電流接地故障特征信息的獲取

（1）中性點不接地系統故障特征

單電源輻射結構線路發生小電流接地故障時，零序電流相量存在不穩定性，僅在線路端點母線處無法確定其分布。配電網線路支路多、距離遠，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，方便監測故障零序電流。

對于中性點非有效接地系統，線路f點發生單相接地故障，相當于在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生零序電壓，故設定線路零序電壓故障閾值，若零序電壓超過閾值，則系統出現小電流接地故障，啟動故障定位功能。

零序網絡阻抗僅由線路的對地電容成分構成，零序電源在線路上產生零序容性電流。母線至故障點最短距離經過的線路路徑稱作故障路徑。定義由電源側指向負荷終端的方向為該網絡各分支的正方向。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）消弧線圈接地系統故障特征

對于中性點經消弧線圈接地系統，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，應采取技術措施獲取故障特征。線路發生單相接地故障后，電網允許帶故障運行不超過2h，對消弧線圈發出控制信號，調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，消弧線圈轉入正常補償狀態。

（3）故障特征信息的獲取

測點采用廣域相量測量技術實現零序電壓或零序電流相量數據采集，通過全球定位系統（global positioning system，GPS）授時確保各測點測取相量數據的同步性，通過通用分組無線服務技術（general packet radio service，GPRS）組網實現信息傳輸，根據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和中性點經消弧線圈接地系統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據，識別出發生故障的線路段，并給出判斷結果。圖4是典型的單電源輻射結構線路分段示意圖，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點9號測點及其子節點10號測點界定標識，段邊界節點集合表示為{9，10}，起始節點及其子節點為邊界節點集合元素；一個段也可能由多個測點界定，如f2所在故障段由起始節點1號測點及其子節點2、7和9號測點界定標識，集合表示為{1，2，7，9}。第i段的區間邊界節點集合Wi定義為：

單電源輻射線路內流過的故障零序電流帶有方向，如圖3所示。單電源輻射線路拓撲結構是有向圖，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據，故障點一定在該點下游；葉節點是假想測點，故障點一定在這些測點的上游。除根節點和葉節點外，其他節點是零序電流測點。設零序電流測點數為m，葉節點假想測點數為n，則所有測點數為m+n+1。根節點和m個電流測點可定義m+1個線路段。M+1維起始測點標識向量保存根測點和零序電流測點標識號。圖4所示系統的起始測點標識向量為：

=[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點、零序電流測點節點和線路末端假想節點之間的相鄰關系。測點相鄰矩陣S的元素Sij定義為：

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

1）獲取變電站零序電壓相量數據和每個測點零序電流相量數據，計算各測點相位差。定義故障路徑標識向量e的長度與向量r一致，其元素與向量r元素存在對應關系。當線路零序電壓大于等于閾值時，線路出現故障，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，設為ek，則rk為故障區間的起始節點，其子節點集合V為：

定位故障段時，調用AFFABN算法可得到故障段的所有邊界節點，故障段內所有支路都可能是故障支路。

三、小電流接地故障分區定位原理

在較長的單電源輻射結構線路干線及分支上安裝負荷開關，一般主干線有1～2個負荷開關，負荷較密集地區每公里安裝1個開關，遠郊區和農村地區按所接配電變壓器容量每2～3MVA安裝1個開關。

在負荷開關的位置安裝零序電流測點，單電源輻射結構線路干線及分支被負荷開關處的零序電流測點分為不同的區。故障分區定位通過某種技術和裝置自動地從每個負荷開關處測點采集零序電流相量數據及其分布，識別出發生故障的線路分區，并給出分區邊界負荷開關節點，為饋線自動控制提供準確信息。

圖5是典型的單電源輻射結構線路分區示意圖，相鄰負荷開關處測點將線路分成了不同的區。分區可能由2個負荷開關處測點界定，如圖3所示。根節點0號測點及其子節點1號測點標識界定一個分區；分區也可能由多個負荷開關處測點確定，起始節點2號測點及其子節點3和5號測點作為邊界節點標識另一個分區。

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點、零序電流測點節點和線路末端節點之間的相鄰關系。

可見，只要獲得負荷開關處測點相鄰矩陣D和起始節點標識向量t，調用確定故障區間邊界節點算法即可得到故障區邊界負荷開關節點。

設負荷開關處測點為a個，葉測點為b個，則所有測點數為a+b+1。負荷開關處測點相鄰矩陣D的元素dij定義如下：

從而得到a+1行a+b列矩陣負荷開關處的測點相鄰矩陣D。

將根測點號和所有起始負荷開關處測點節點號保存在長度為a+1的節點號向量t中，則故障路徑標識向量e與向量t存在制約關系。調用確定故障區間邊界節點算法AFFABN求取故障分區邊界節點，存放在集合U中。

四、故障定位物理模擬實驗與掛網測試

1.故障定位物理模擬實驗

在新能源電力系統國家重點實驗室10kV配電網物理模擬平臺上對故障定位系統進行了單相接地故障模擬實驗，12組數據如表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，起始測點標識向量r為：

由此可得故障路徑為根測點。故障路徑標識向量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。可知，故障段起始節點為0號測點，其子節點為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的線路測點獲取故障信息特征，并送至服務器處理，填入故障路徑的標識向量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，故障段起始節點為1號測點，其子節點為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的線路測點獲取故障信息特征，并送至服務器處理，則故障路徑的標識向量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。可知，故障段起始節點為2號測點，其子節點為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.掛網測試

雙電源開關1-3斷開后，閉環設計開環運行的配電網某站A號線路成為典型的輻射型線路。故障定位系統現已在A號線路掛網測試，在實際線路上安裝了3個測點，測點全部放置在負荷開關處，使得分段和分區重疊，現場線路如圖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，變電站根節點與測點為邊界節點界定的區間是一個段。段起始測點標識向量r為：

r=[0，1，2，3]

系統分段測點相鄰矩陣和分區負荷開關處測點相鄰矩陣相同，為：

故障定位系統在獲取故障信息特征后，可分4種情況得到故障路徑標識向量：

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，故障定位系統開通后運行穩定，實現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單相接地故障定位方法的研究[D].北京：華北電力大學，2009.

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

[3]夏雨，姚月娥，劉全志等.配電網故障定位與隔離的新統一矩陣法[J].高電壓技術，2002，28（3）：4-6.