行波技術在配電線路接地故障檢測中的應用

黨鍇釗

（河南石油勘探局水電廠，河南 南陽，473132）

1 引言

在架空線路短路事故中，單相接地事故占65%，兩相接地事故占20%，兩相短路接地事故占10%，三相短路事故占5%。其中，兩相短路接地事故大都是由單相接地事故發展而來。配電線路（小電流接地系統）發生單相接地時，由于單相短路電流很小，系統線電壓三角形不變，對電氣設備不構成危害，因此規程規定：線路發生單相接地后，可以繼續運行2h。但單相接地故障如不能及時消除，將會引起故障相電壓降低，非故障相電壓升高，長時間運行易使故障擴大形成兩點或多點接地短路。另外，弧光接地還會引起系統過電壓，進而發生絕緣擊穿損壞設備，導致事故進一步擴大［1］。因此，當配電線路發生單相接地時，快速選出接地線路準確定位故障點，并采取相應技術措施及時消除故障，對配電網的安全可靠運行尤為重要。

2 行波接地故障選線原理

有N回出線的配電網絡，假定分支線路均為單線線路。當第N回出線發生接地時，在故障附加電源作用下產生暫態行波，行波由接地點開始向線路兩側傳播。其中，到達母線的行波，在母線處發生折反射，接地線路的反射波和入射波在該分支線路上疊加，形成接地線路的初始行波；來自于接地點的初始行波經折射進入非接地線路，形成非接地線路的初始行波。配電網行波網絡傳播如圖1所示。

圖1 配電網行波網絡傳播示意圖

利用初始行波在各回進出線上所呈現的幅值和極性差異來確定接地線路，如果某條線路的初始電流行波的幅值大于其它線路的初始電流行波的幅值，而且極性和其它線路相反，則該線路為接地線路。

3 行波接地故障測距原理

三相配電線路中發生單相接地故障時，故障點將產生在配電線路中傳播的故障行波。三相行波間為互耦關系，不存在單相行波的波速，為將行波法引入到三相系統中，必須利用相模變換矩陣將三相信號轉換成模式分量。對于三相電壓、電流信號,采用式（1）進行相模變換，即:

式（1）中，Um、Im分別為模電壓、模電流；u和i分別為三相電壓、三相電流信號；［S］、［Q］分別為電壓和電流的變換矩陣。為簡便分析，可采用相同電壓模變換矩陣和電流模變換矩陣,即［S］＝［Q］，于是三相配電線路中的行波可用3個獨立模分量表示，即：

對三相電壓和電流進行相模變換，得到各模獨立的模分量電壓和電流，即：

經過相模變換后,各模量間是相互獨立的。由相模變換理論可知，行波的傳播網絡可分為線模網絡和零模網絡，零模分量以大地為回路，其幅值只有在故障處存在對地放電通道時才比較大；線模分量以導線為回路，且線模分量有2個（iα、iβ），二者的模波速相同(但與零模分量不同),所以只需采用其中一個即可用于測距；零模網絡中的波速度小于線模網絡中的波速度，基于故障點產生的不同模量初始行波到達測量點的時間差，可測定單相接地故障點距離。

4 行波技術的現場應用實例

4.1 在故障選線中的應用

為了驗證行波法在配電網線路接地故障選型及測距中應用的可行性，在某油田變電站中進行現場實例試驗。在6kV配電線路下一線距離變電站出口2km處，設置B相經100Ω電阻接地故障。現場測得的母線電壓波形、故障線路電流波形及故障線路行波波形如圖2所示。

圖2 B相經100Ω電阻接地故障

變電站各條線路的零序電流經小波變換并消噪后，小波變換的初始模極大值及所處的位置如表1所示。

表1 分支線路電流行波零模分量初始行波位置及模極大值

從表1可以看出，各條線路中下一線的初始行波位置為43us，模極大值的絕對值最大為871，且與其他線路的模極大值的極性相反，由此判斷出下一線為故障線路。

4.2 在故障測距中的應用

在6kV配電線路東干線距離變電站出口2.73km處發生單相金屬性接地，在故障瞬時，錄波器故障啟動，并開始上傳錄波數據。現場錄波裝置錄到的母線電壓、故障線路（東干線）電流、一條非故障線路（西干線）的電流變化及東干線單相接地時的測距結果，分別如圖3和圖4所示。

圖3 東干線單相接地時電壓、電流波形

圖4 東干線單相接地時的測距結果

從圖3和圖4可知，經后臺軟件分析自動選出故障線路（東干線）、檢測出故障類型（A相接地）及單相短路故障點距變電站母線的距離為2.801km，測距誤差為71m。

同理，通過對不同線路、不同故障距離、不同故障類型及不同接地電阻進行現場測試，采用行波技術實現了配電網線路單相接地故障的可靠選線和準確測距，選線結果正確可靠，故障類型判斷準確，并能精確檢測到故障發生距離，詳見表2所示。

表2 單相接地選線及測距結果

線路A、B、C三相分別做1次接地故障選線和測距，以檢測不同相故障檢測結果的分散度。從下一線和東干線選線及測距結果表明：單相接地選線準確率達到100%，測距誤差均能控制在150m以內，誤差率能夠有效控制在5%以內，選線及測距結果能夠滿足配電網線路接地故障檢測需求。

5 結束語

基于行波法的配電線路故障選線及測距技術的故障行波，具有不受CT飽和影響、不反映系統振蕩、與過渡電阻無關、不受線路分布電容影響等優點，且能在復雜的、使用傳統方法難以檢測故障的情況下判斷出故障的發生，給出故障的性質和位置，具有簡單可靠、測量精確等優點，有較高的工程實用價值。

［1］馬士聰，高厚磊，徐丙垠，等.配電網故障定位技術綜述［J］.電力系統保護與控制，2009，37（11）：119－124.

［2］謝成明.輸電線路故障測距的研究現狀與進展［J］.電工技術，2007（12）：30－31.

［3］李 暢，趙 晶，陳 嶺.一種基于行波法的新型線路故障定位裝置的研制［J］.廣東電力，2006（5）：42－45.

［4］于盛楠，楊以涵，鮑 海.基于C型行波法的配電網故障定位的實用研究［J］.電力系統保護與控制，2007，35（10）：1－4.

［5］王振浩，周文姝，李國慶.基于暫態行波的配電網故障仿真分析［J］.電氣自動化，2011，33（1）：69－72.