配電系統多重故障辨識及恢復策略研究

霍 健，尹茂林

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

配電網多重故障對系統穩定性有極為不利的影響［1］，在中性點非直接接地的配電系統中，單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振均會造成零序電壓升高及相電壓異常，故障判別辨識困難［2］。且單相接地、斷線均易引發鐵磁諧振過電壓，造成多重故障的疊加，增加了故障辨識、隔離與恢復的難度。因此，對此類多重故障的機理及特征進行分析并研究其最優的辨識與恢復策略，對提高配電系統故障處理效率，提升供電可靠性具有重要的意義。

對復雜多重故障的辨識與分析是提高調控運行效率的重要手段［3］，文獻［1］提出了多重故障對配電網可靠性的量化評估方法，文獻［3-5］對斷線及單相接地激發鐵磁諧振的機理進行了分析，文獻［2，6］提出了接地、諧振等故障的辨識方法。但以上研究均未涉及多重故障處理流程及恢復策略的優化。

在介紹配電系統接地、斷線激發鐵磁諧振原理的基礎上，結合單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振的故障特征，分析單相接地及鐵磁諧振、電壓互感器高壓熔絲熔斷的多重故障辨識及恢復策略。在每次試斷開配電線路前，根據電壓幅值及實時波動情況，首先排除諧振及電壓互感器高壓側熔斷的干擾；利用綜合故障測度確定并隔離接地線路。實際案例分析說明所述策略的故障處理過程。

1 接地、斷線激發鐵磁諧振過電壓機理分析

1.1 單相接地激發鐵磁諧振過電壓

小電流接地的配電系統中，單相接地故障發生及消除瞬間，電壓互感器均會嚴重飽和，導致鐵磁諧振［7］。發生單相接地時，瞬時電弧過電壓導致電壓震蕩；單相接地消除時，非故障兩相由線電壓突變為相電壓，在故障期間由于過電壓被充電的對地電容通過電壓互感器一次側釋放電荷，造成電壓互感器飽和。

圖1 中性點不接地系統電壓互感器等值電路

中性點不接地系統電壓互感器等值電路如圖1所示， 圖中，EA、EB、EC分別為 A、B、C 三相電源電動勢，U0為中性點電壓，LA、LB、LC為電壓互感器的三相勵磁電感，CA、CB、CC為系統三相對地電容，由圖1可知，系統中性點電壓可以由式（1）表示。

式中：YA、YB、YC為三相等值電納。

單相接地故障表現為接地相電壓降低，非接地兩相電壓升高，因此，故障發生瞬間一般會出現電壓互感器非接地兩相飽和。對圖1所示的等值電路，若A相接地激發鐵磁諧振，則A相未飽和，等效電容CA=C0，B、C 相飽和，等效電感 LB=LC=L，則式（1）可表示為

對式（2）作向量圖分析如圖2所示，由式（2）及圖2可知，U0與EA相位相反，在此種情況下激發的鐵磁諧振，造成電壓互感器飽和兩相電壓升高，非飽和相電壓降低。若飽和程度較低，U0幅值較小，則B、C兩相電壓幅值不超過線電壓，如圖2（a）所示；若飽和程度較高，U0幅值較大，則會造成B、C兩相電壓幅值高于線電壓，如圖2（b）所示。

圖2 電壓互感器飽和鐵磁諧振電壓向量分析

1.2 斷線激發鐵磁諧振過電壓

小電流接地系統負荷側電壓互感器三相電感分別為LA、LB、LC，若長度為l的配電線路在距電源xl（0＜x＜1）處發生 A 相斷線故障，故障線路對地電容為C0L，相間電容為C1L，則A相電源側和負荷側對地電容分別為 xC0L、xC1L；相間 電容 分別為（1-x）C0L、（1-x）C1L。斷線故障情況下，系統的單相等值電路如圖3所示。

圖3 斷線系統單相等值電路

在圖3所示系統中，根據基爾霍夫定律，系統電感電壓UL及系統母線電壓為U

系統斷線可能會造成電壓互感器飽和，導致其斷線相電感LA減小，若LA的值減小至使XL與XC滿足諧振條件，則導致諧振過電壓。實際運行中，為避免單相接地故障電流過大，變電站多采用中性點經消弧線圈接地方式，且處于過補償狀態［8］。此時，諧振過電壓表現為斷線相電壓降低，非斷線相電壓升高。

2 配電系統多重故障優化辨識及恢復策略

對于單相接地故障，傳統處理方式是通過短時停電法將接地母線的配電線路試斷開，若試斷開第k條線路后母線電壓恢復正常，則判斷第k條線路為接地故障線路。若全部線路試斷開后電壓仍未恢復，則需進行第二輪試斷開甚至將母線停電處理［8］。

單相接地故障的發生和消除以及斷線故障均可能導鐵磁諧振過電壓，諧振過電壓可能表現為故障（接地、斷線）相電壓降低，非故障兩相電壓升高，與單相接地故障象征相似。小電流選線裝置僅依靠零序電壓和零序電流啟動，無法區分接地、諧振與電壓互感器高壓側熔斷。

配電系統單相接地、鐵磁諧振、電壓互感器高壓側熔絲熔斷、斷線故障特征對比如表1所示。對于單純的鐵磁諧振或電壓互感器高壓側熔絲熔斷造成的母線電壓異常，可以根據表1中的故障特征準確判斷故障原因，但若系統發生接地故障的同時，伴隨其激發的鐵磁諧振及電壓互感器高壓側熔絲熔斷，一方面多重故障疊加后故障象征并不明顯符合表1中單一故障的特征，判斷困難；另一方面，即便通過短時停電法將接地線路隔離，由于鐵磁諧振或電壓互感器高壓熔絲熔斷，電壓異常及接地告警信號也不會消失，無法準確辨識接地線路。

表1 配電系統電壓異常類故障特征對比

通過分析表1中4種故障電壓幅值及波動方式的不同，結合單相接地故障處理流程，可以得到配電系統多重故障優化辨識及恢復流程如圖4所示，核心是在每次試斷開線路前，根據電壓幅值及實時波動情況，首先排除諧振及電壓互感器高壓側熔斷的干擾，通過投切電容器、空載線路等方式破壞諧振條件；結合現場檢查，排除電壓互感器高壓側熔斷的干擾。以避免接地線路隔離后虛幻接地現象導致試斷開環節無法結束。

圖4中，試斷開第k條線路的選擇以相關規程規定的原則為基礎，詳細試斷開序列由以線路結構參數與實時運行參數構成的接地故障綜合測度函數［9-10］確定，以提高試斷開線路準確性。若接地母線共有N條出線，則第k條線路Lk接地故障測度函數m（Lk）為

式中：mj為線路Lk第j個單一故障測度值，如零序電流擾動量大小、歷史故障次數、分支線條數等；ωj為相應單一故障測度在綜合測度函數中的自適應權重。對接地母線上N條出線按m（L）由大到小即為試斷開序列。

圖4 配電系統多重故障優化辨識及恢復流程

由于斷線故障不會造成站內母線電壓的明顯異常，因此母線電壓恢復正常后，結合故障巡視排查斷線故障即可。

3 實例分析

以某地區35 kV W站10 kV 1號、2號母線單相接地、電壓互感器高壓熔絲熔斷、鐵磁諧振及線路斷線的多重故障處理過程為例，分析說明提出的配電網多重故障辨識恢復過程及其優越性。35 kV W站10 kV 1號、2號母線及其出線的結構以及運行方式如圖5所示。某日，10 kV 1號、2號母線電壓顯示為10 kV、10 kV、0 kV，且發出C相接地告警信號。小電流選線裝置選線為線路W5。

W站10 kV母線三相電壓及告警信息表現為典型單相接地故障。調控人員首先根據小電流選線信息試斷開線路W5后，接地告警信息未復歸，C相電壓仍為0 kV，A、B兩相電壓幅值在8～11 kV范圍內波動。調控人員試斷開線路W5后，調度自動化系統顯示W站10 kV 1號、2號母線A、B兩相電壓幅值如圖6、圖7所示。圖6及圖7中，t1、t2分別為系統發生故障及調控人員試斷開線路W5的時刻。

圖5 W站10 kV 1號、2母線及其出線結構

根據圖4所示多重故障辨識及恢復處理流程，在試斷開線路W5后，雖然系統仍然呈現單相接地故障象征，但調控人員通過對比A、B相電壓的幅值及波動情況，判斷可能存在鐵磁諧振，在試斷開第二條線路前，首先投入1號電容器，母線A、B兩相電壓恢復正常，C相電壓仍然為零。

圖6 試斷開線路W5前后母線A相電壓幅值變化情況

圖7 試斷開線路W5前后母線B相電壓幅值變化情況

檢查站內10 kV母線電壓互感器后，確認電壓互感器高壓熔絲C相熔斷；更換電壓互感器的C相高壓熔絲后，系統電壓顯示恢復正常，接地告警信號復歸。調控人員將試斷開的線路W5送電后，接地信號重新發出，三相電壓變為10 kV、10 kV、0 kV。由此確認線路W5為接地故障線路，配電運檢人員巡視過程中發現線路W3存在單相斷線故障。調控人員隨即將線路W3停電處理。

通過對故障的分析可知，線路W5 C相接地的同時，10 kV母線電壓互感器 C相高壓熔絲熔斷；調控人員試斷開線路W5后，由于單相接地故障的消除激發系統鐵磁諧振，造成BC相電壓仍然在10 kV附近波動，同時，由于電壓互感器C相高壓熔絲故障，C相電壓始終顯示為零，因此在接地線路W5停電之后，系統仍然存在與單相接地故障極為相近的電壓異常及接地告警。對調控人員準確辨識及隔離故障造成干擾。

根據一般的接地故障處理流程；若試斷開線路W5后接地信號未復歸；電壓異常未消失，則需將線路W5送電并依次試斷開線路W1～W4。若接地信號仍未消除，則認為多條線路同相接地，進行第二輪試斷開，斷開每條線路后，不再送電，直至接地信號消失［8］。若通過一般接地故障處理流程處理該多重故障，試斷開線路W5并將其送電后，系統接地故障仍然存在，試斷開線路W1～W4均不會消除接地故障，需進行第二輪試斷開。試斷開至第二輪第二條線路后，母線AB相電壓方能恢復至正常值。若以故障相電壓的波動情況表示故障處理過程，則按照一般接地故障處理流程，試斷開過程如圖8所示。圖8中曲線表示故障相電壓幅值。

圖8 一般接地故障處理流程試斷開過程

圖8中，需試斷開線路7條次；若試斷開一條線路時長為3 min，將圖8所示傳統方法與調控人員按本文所述策略處理的過程比較，試斷開線路及影響負荷數據對比如表2所示。

由表2可知，相對傳統故障處理流程，所述策略對單相接地、電壓互感器高壓熔絲熔斷、鐵磁諧振疊加的配電系統多重故障可以更快速準確的辨識和恢復，能夠提高調控人員故障處理工作效率。

表2 所述策略與傳統處理方式效率對比

4 結語

配電系統中單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振均會造成零序電壓升高及相電壓異常。易互相誘發形成多重故障，使故障辨識、隔離及恢復變得困難。傳統的單相接地故障處理流程無法對這樣的多重故障進行精準快速的辨識和恢復。

首先梳理了配電系統單相接地及斷線故障激發鐵磁諧振過電壓的原理，在此基礎上，結合單相接地、斷線、電壓互感器高壓熔絲熔斷及鐵磁諧振的故障特征，分析了配電系統多重故障辨識及恢復策略。在每次試斷開配電線路前，根據電壓幅值及實時波動情況，排除諧振及電壓互感器高壓側熔斷的干擾；利用綜合故障測度確定并隔離接地線路。35 kV W站10 kV系統多重故障處理過程分析表明，對單相接地、電壓互感器高壓熔絲熔斷、鐵磁諧振疊加的配電系統多重故障，所述方法能夠更快速準確地辨識和恢復，提高調控人員故障處理效率。