小電流接地系統(tǒng)故障區(qū)段定位方法

許君 成振華

【摘?要】配電網(wǎng)廣泛采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式和經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地運(yùn)行方式，即小電流接地系統(tǒng)。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障多發(fā)，尤其單相接地故障最甚。本文深入分析基于配電網(wǎng)的小電流單相接地故障特征，提出一種基于暫態(tài)零序電流的配電自動(dòng)化系統(tǒng)小電流接地故障區(qū)段定位新方法，提出了適應(yīng)分布式故障處理的小電流接地故障暫態(tài)原理定位算法。

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng);小電流接地故障;零序電流;故障區(qū)段定位;

1?研究背景

現(xiàn)有依賴(lài)主站的集中式小電流接地故障定位方法參與環(huán)節(jié)多、不同廠家產(chǎn)品之間不易配合。需要依賴(lài)配電終端、通信系統(tǒng)、子站或主站的可靠協(xié)調(diào)配合，在掌握全局信息的基礎(chǔ)上才能做出正確判斷、生成處理策略，故障處理時(shí)間較長(zhǎng)，參與環(huán)節(jié)多、可靠性低，并發(fā)故障時(shí)主站處理能力不足，特別是小電流接地故障暫態(tài)定位方法算法復(fù)雜，主站需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的處理模塊，存在軟件產(chǎn)權(quán)、系統(tǒng)管理等限制。為提高配電網(wǎng)故障處理的性能，對(duì)各種故障處理的方式進(jìn)行比較，提出了分布智能協(xié)調(diào)控制策略。該方法依賴(lài)主站，通信壓力大，速度慢，投資大。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種基于分布式配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的小電流接地故障定位方法。該方法是饋線(xiàn)終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）之間通過(guò)對(duì)等通信交換故障信息，對(duì)采集到的暫態(tài)零序電流計(jì)算相似系數(shù)來(lái)確定故障的位置。這種基于分布式智能的故障定位方法，能適用于所有的檢測(cè)點(diǎn)，適應(yīng)范圍廣。除此之外，它不依賴(lài)于主站，減小了通信壓力，可提高供電可靠性。

2?故障分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)有n條輸電線(xiàn)路，假如故障發(fā)生在其中一條線(xiàn)路上，檢測(cè)點(diǎn)在AD線(xiàn)段中，在A、B、C、D四處分別設(shè)置一個(gè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，E為故障點(diǎn)，零模等效電路如圖1所示。

在AB區(qū)段的暫態(tài)零模電流為

式中i為故障點(diǎn)右側(cè)所有正常線(xiàn)路的暫態(tài)零模電流相加;i為AB段與大地之間的暫態(tài)零模電流。由上可知，CD區(qū)段的暫態(tài)零模電流為

式中i為故障點(diǎn)右側(cè)所有正常線(xiàn)路的暫態(tài)零模電流之和;i為CD段與大地之間的暫態(tài)零模電流。由式（1）、（2）得，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零模電流之差等于它們之間線(xiàn)段的暫態(tài)電容電流。由于AB、CD段的線(xiàn)路比較短，故線(xiàn)段之間的暫態(tài)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于健全線(xiàn)路的零模電流總和，所以可以忽略AB、CD與大地之間的電容電流，則AB、CD段兩端的暫態(tài)零模電流近似相等，即i≈i，i≈i，二者的波形相似。

3?分布式小電流接地故障定位算法

3.1?各區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流相似性特征分析

相似系數(shù)是描述兩個(gè)函數(shù)之間在任意時(shí)刻的相似程度，能分析函數(shù)中每一個(gè)分量的大小和角度關(guān)系，是描述隨機(jī)變量的重要統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)特征。因此，可以求相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流之間的相似系數(shù)來(lái)分析它們之間的相似程度。

3.2?各區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流有效值特征分析

定義各區(qū)段暫態(tài)電流有效值系數(shù)M為：

M表示故障點(diǎn)上游健全區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流有效值系數(shù);M表示故障點(diǎn)下游健全區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流有效值系數(shù);M表示故障區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流有效值系數(shù)。一般配電網(wǎng)中整個(gè)系統(tǒng)對(duì)地電容電流大于故障線(xiàn)路對(duì)地電容電流2倍以上，每條饋線(xiàn)上裝設(shè)3或4個(gè)FTU。

3.3?各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流峰值與工頻

零序電流幅值特征分析：設(shè)U為虛擬電壓幅值;ω為工頻頻率;ω、ω為故障點(diǎn)上、下游主諧振頻率;C、C為監(jiān)測(cè)點(diǎn)上、下游等效電容;φ為故障初相角。無(wú)論不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)，單相接地時(shí)，故障點(diǎn)下游檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流峰值為：

故障點(diǎn)下游檢測(cè)點(diǎn)工頻零序電流幅值為：

對(duì)于故障點(diǎn)下游檢測(cè)點(diǎn)，暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值的比值均相等，可表示為：

同理可得，在不接地系統(tǒng)中，單相接地時(shí)故障點(diǎn)上游各監(jiān)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值的比值均相等。同理根據(jù)相關(guān)公式可知，綜上，故障區(qū)段兩側(cè)h不等，故障點(diǎn)下游健全區(qū)段兩側(cè)h相等，可利用該特征區(qū)分故障區(qū)段和故障點(diǎn)下游健全區(qū)段。

4?分布式故障定位算法

4.1?分布式故障定位思路

對(duì)于兩側(cè)均設(shè)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的區(qū)段，同時(shí)利用兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)故障特征，可直接判斷其屬性（故障區(qū)段、上游健全區(qū)段或下游健全區(qū)段）。對(duì)于只有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的末端區(qū)段，無(wú)法直接判斷區(qū)段屬性，可借助其上游區(qū)段屬性進(jìn)行判斷，即：當(dāng)上游區(qū)段屬性為上游健全區(qū)段時(shí)，則其為故障區(qū)段，否則為下游健全區(qū)段。

4.2?分布式故障定位判據(jù)

根據(jù)上述分析，各區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流相關(guān)系數(shù)、暫態(tài)電流有效值系數(shù)以及暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值比特征如表1所示，綜合利用這些特征判斷區(qū)段屬性。其中，S表示上游健全區(qū)段;S表示下游健全區(qū)段;S表示故障區(qū)段。

4.3?分布式故障定位流程

正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)逐級(jí)查詢(xún)方法識(shí)別系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定各個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的電氣連接關(guān)系。以某個(gè)主控FTU為例，說(shuō)明故障發(fā)生后的處理流程。

a.故障時(shí)，F(xiàn)TU根據(jù)暫態(tài)零序電流越限/暫態(tài)零序電壓越限啟動(dòng)并作為主控FTU，首先將其所監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)。若該節(jié)點(diǎn)不是最末檢測(cè)點(diǎn)，則將其下游相鄰檢測(cè)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)，若為最末檢測(cè)點(diǎn)，則將其上游相鄰檢測(cè)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)。

b.向其子節(jié)點(diǎn)FTU請(qǐng)求故障信息，子節(jié)點(diǎn)FTU返回故障零序電流錄波數(shù)據(jù)。

c.計(jì)算兩檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流波形相關(guān)系數(shù)、暫態(tài)電流有效值系數(shù)以及區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值之比。

d.首先判斷該區(qū)段兩側(cè)檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流波形是否相似但極性相反。若是，則該區(qū)段為故障區(qū)段，執(zhí)行步驟g，否則執(zhí)行步驟e。

e.判斷該區(qū)段M

f.判斷該區(qū)段兩側(cè)檢測(cè)點(diǎn)h之差的絕對(duì)值是否小于預(yù)設(shè)門(mén)檻值hT（可取為1）。若是，則該區(qū)段為故障點(diǎn)下游健全區(qū)段，該FTU停止運(yùn)行。否則為故障區(qū)段，執(zhí)行步驟g。

g.參照短路故障協(xié)同模式處理方式進(jìn)行故障隔離及恢復(fù)健全區(qū)段供電。

h.將定位和處理結(jié)果上報(bào)主站。

5?結(jié)論

本文經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算，根據(jù)故障區(qū)段、故障點(diǎn)上游健全區(qū)段與下游健全區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)電流波形相關(guān)系數(shù)、暫態(tài)電流有效值系數(shù)以及區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)零序電流峰值與工頻零序電流幅值之比特征，實(shí)現(xiàn)了分布式小電流接地故障定位。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)永州供電公司）