探析配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

方赟朋

探析配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

方赟朋

（國網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電公司 浙江杭州 311100）

在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，接地故障占到配網(wǎng)故障的80%。雖然配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)在配電網(wǎng)運(yùn)行管理過程中已基本普及，但是由于諸多因素干擾，在接地故障的快速準(zhǔn)確定位方面仍存在欠缺。在本文里，我們就針對(duì)小電流接地故障的暫態(tài)特性及其暫態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行分析，深刻認(rèn)識(shí)其對(duì)配網(wǎng)安全的重要意義。

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)；小電流接地故障；暫態(tài)分析；故障定位

前言

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)（DA）是將配電自動(dòng)化與配電管理進(jìn)行綜合的系統(tǒng)，通過應(yīng)用先進(jìn)的電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將配電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地理信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，構(gòu)成了一套完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測、保護(hù)、控制和管理等功能。DA在配電網(wǎng)運(yùn)行管理過程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且對(duì)于提高運(yùn)行管理水平有著積極的推動(dòng)作用。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于故障電流小，故障不穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間短等原因，導(dǎo)致DA不能及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)接地故障進(jìn)行定位選線，嚴(yán)重制約著配電管理水平及供電質(zhì)量的進(jìn)一步提高。隨著用戶對(duì)于電能質(zhì)量及供電安全穩(wěn)定性要求的日益提高，如何避免、降低接地故障影響就成為供電公司當(dāng)前需要迫切解決的重要問題。在下面文章里，我們就對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中小電流接地故障的暫態(tài)定位技術(shù)及其應(yīng)用意義進(jìn)行深入探討。

1 小電流接地故障的暫態(tài)特征

對(duì)于中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流很小，所以稱為小電流接地故障。在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地是一種較為常見的臨時(shí)性故障，尤其在潮濕、多雨等天氣情況下發(fā)生的更為頻繁，當(dāng)發(fā)生單相接地后，故障相電壓降低，非故障相電壓升高，但由于線電壓保持對(duì)稱，所以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可不影響對(duì)用戶的連續(xù)供電。但是帶故障長時(shí)間運(yùn)行，由于非故障相電壓的升高會(huì)考驗(yàn)設(shè)備絕緣水平，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐山^緣擊穿，發(fā)展為短路事故。所以在發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障的處理速度直接影響著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路的電流會(huì)經(jīng)歷一個(gè)由穩(wěn)態(tài)到暫態(tài)，再到穩(wěn)態(tài)的過程，在過渡過程中暫態(tài)電流的波動(dòng)幅度非常大。當(dāng)發(fā)生實(shí)接地故障時(shí)，暫態(tài)持續(xù)時(shí)間較短，而發(fā)生虛接地故障時(shí)，暫態(tài)過程將頻繁發(fā)生。通過建立基于分布參數(shù)的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)線模及零模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化，我們最終得到小電流接地故障的簡化模型，如圖1所示。

圖1 小電流接地故障簡化模型

圖1中uf代表故障點(diǎn)零序電壓，大小等于故障相故障前的反相電壓；R代表接地電流沿途總電阻，Lom、Lon和Com、Con分別代表故障點(diǎn)上、下游的零序等效電感和電容；Lk代表消弧線圈等效電感；iom和ion分別代表故障點(diǎn)上、下游的暫態(tài)零序電流。

通過對(duì)等效電路圖的分析，當(dāng)發(fā)生小電流接地故障時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)特征具體表現(xiàn)為：

（1）系統(tǒng)零序電壓由線模阻抗與零序阻抗諧振產(chǎn)生，作用于故障點(diǎn)上游側(cè)與下游側(cè)的零序電壓一致。

（2）故障點(diǎn)上游側(cè)與下游側(cè)零序電流極性相反；故障點(diǎn)上游側(cè)零序電流由故障點(diǎn)流向母線，下游側(cè)流向線路末端。非故障線路上零序電流由母線流向線路末端，與故障點(diǎn)下游側(cè)流向一致。

（3）故障點(diǎn)前后零序電流的幅值和頻率特征由各自的零模網(wǎng)絡(luò)參數(shù)決定。

（4）故障點(diǎn)上、下游零序電流大小均與距故障點(diǎn)距離大小呈反比，其中在母線處零序電流等于正常線路零序電流之和，線路末端處零序電流近似為零。[1]

2 接地故障暫態(tài)定位技術(shù)

2.1 定位理論基礎(chǔ)

根據(jù)單相接地故障時(shí)暫態(tài)特征的進(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生單相接地，故障點(diǎn)兩側(cè)零序電流相似度低，而在正常運(yùn)行情況下，該點(diǎn)兩側(cè)暫態(tài)零序電流基本相似。根據(jù)這一特性，我們提出通過對(duì)相鄰檢測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算來比較兩個(gè)電流波形的相似度，進(jìn)而判斷這兩個(gè)檢測點(diǎn)間是否存在接地故障。但是通過仿真分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流互感器極性反接、或是由于FTU未能啟動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)判斷失誤，為此我們結(jié)合故障線路暫態(tài)和工頻電流的極性特征，對(duì)相鄰兩個(gè)檢測點(diǎn)暫態(tài)和工頻電流極性進(jìn)行比較，作為暫態(tài)電流相似定位算法的補(bǔ)充，兩種算法的綜合，可以有效的提高故障定位的準(zhǔn)確性。

2.2 定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2為定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中FTU為饋線終端，是整個(gè)故障定位系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著對(duì)故障的判斷啟動(dòng)、故障數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、上傳及指示故障區(qū)段等功能。

站內(nèi)選線系統(tǒng)能夠全面收集配電網(wǎng)相關(guān)運(yùn)行信息，快速確定故障所屬線路。

2.3 故障定位流程

（1）當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，站內(nèi)選線裝置首先監(jiān)測到零序電壓發(fā)生變化，自行啟動(dòng)，選擇故障線路，并將帶有時(shí)間標(biāo)簽的故障線路、出口故障方向、暫態(tài)和工頻電流錄波數(shù)據(jù)及電壓等信息上傳到主站。

（2）當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路上的FTU監(jiān)測到暫態(tài)電流變化而啟動(dòng)，將帶有時(shí)間標(biāo)簽的暫態(tài)、工頻電流錄波數(shù)據(jù)等信息上傳到主站。

（3）主站在接收到選線裝置及故障線路上各個(gè)FTU上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)選線裝置的電壓數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生接地故障，如果電壓數(shù)據(jù)正常，則判斷為擾動(dòng)，故障定位系統(tǒng)退出。

（4）在根據(jù)選線裝置上傳電壓數(shù)據(jù)確定發(fā)生接地故障后，根據(jù)選線結(jié)果確定故障線路。

（5）主站對(duì)故障線路上兩兩相鄰檢測點(diǎn)間暫態(tài)電流的相似系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，若結(jié)果小于設(shè)定門檻值，則故障點(diǎn)位于兩個(gè)FTU間的區(qū)段；若結(jié)果大于設(shè)定門檻值。則對(duì)這兩個(gè)FTU采集到的暫態(tài)、工頻電流極性進(jìn)行比較，極性相反則代表該區(qū)段發(fā)生了接地故障，如極性一致則該代表該區(qū)段正常。再重復(fù)這一步驟來進(jìn)一步排除其他區(qū)段。

（6）當(dāng)故障線路上每一個(gè)區(qū)段的暫態(tài)電流相似系數(shù)均大于設(shè)定門檻值，且暫態(tài)、工頻電流極性一致，則代表接地故障發(fā)生在該線路的下游區(qū)段，需要對(duì)下游區(qū)段進(jìn)一步定位。

（7）在確定故障線路及故障區(qū)段后，運(yùn)行人員應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)故障進(jìn)行切除，降低事故影響。對(duì)于永久性接地故障，系統(tǒng)會(huì)給出聲光報(bào)警，并進(jìn)入倒計(jì)時(shí)；對(duì)于臨時(shí)性接地，系統(tǒng)會(huì)在后臺(tái)桌面彈出報(bào)警，并記錄相關(guān)信息以便查閱。[2]

3 故障定位系統(tǒng)引入DA的應(yīng)用價(jià)值

將小電流接地故障定位系統(tǒng)引入配電自動(dòng)化系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)DA系統(tǒng)基礎(chǔ)上加裝了經(jīng)改裝的站內(nèi)選線裝置，有效消除了定位盲區(qū)，結(jié)合安裝在線路上的各個(gè)檢測終端FTU能夠在單相接地故障發(fā)生時(shí)快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障定位，提高了供電可靠性。其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值具體表現(xiàn)為：

（1）改裝后的選線裝置，采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)更加全面，反應(yīng)、處理速度更快，能夠有效提高故障定位的速度和可靠性。

（2）選線裝置采集到的數(shù)據(jù)更加全面、準(zhǔn)確，可將各類線路故障的信息提供給主站，可有效消除定位盲區(qū)。

（3）選線裝置可以對(duì)線路上發(fā)生故障的類型、持續(xù)時(shí)間進(jìn)行初步識(shí)別，在將相關(guān)有效數(shù)據(jù)處理、上傳后，能夠提高主站工作效率，降低無用信息的干擾。[3]

4 結(jié)束語

通過在DA系統(tǒng)中引入小電流接地暫態(tài)故障定位系統(tǒng)，能夠有效地提高了接地故障的定位速度及準(zhǔn)確性，便于運(yùn)行人員對(duì)故障線路的及時(shí)切除。在上面文章里我們分析的定位方法在實(shí)際應(yīng)用過程中準(zhǔn)確率只能達(dá)到98%，還需要我們?cè)谝院蟮难芯抗ぷ髦幸敫酉冗M(jìn)、準(zhǔn)確的定位算法。

[1]薛永端，徐丙垠，李天友，李偉新，王敬華，張林利，王振蘅.配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013（12）：27.

[2]唐華.小電流接地系統(tǒng)故障定位技術(shù)研究[C].北京交通大學(xué)，2014：19～39.

[3]王振蘅.適用于DA系統(tǒng)的小電流接地故障定位技術(shù)及應(yīng)用[C].中國石油大學(xué)（華東），2013：30～40.

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1004-7344（2016）31-0094-02

2016-10-18