小電流接地故障定位方法及其應(yīng)用研究

崔雪寧

國網(wǎng)河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司 河南新鄉(xiāng) 453000

在配電網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，很難找到故障的位置。定位小電流接地故障的困難主要是因?yàn)楣收想娏骱苄〔⑶译y以檢測。另外，故障的數(shù)量不是突出的，不穩(wěn)定的和不確定的。小電流接地故障的定位已被認(rèn)為是電力工業(yè)中的主要問題。因此，解決故障定位問題非常迫切。它可以有效解決小電流單相接地故障的定位問題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。基于該原理的位置保護(hù)方法已被廣泛使用。供電可靠性的提高對電網(wǎng)設(shè)備的順利維護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要意義[1]。

1 小電流接地系統(tǒng)故障定位技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 信號(hào)注入法

信號(hào)注入方法是在故障后將電流信號(hào)（通常為幾百安培或幾安培）注入故障相電壓互感器或消弧線圈的次級(jí)繞組中，并根據(jù)電流信號(hào)的軌跡來定位故障。如果故障線上的最后一個(gè)信號(hào)點(diǎn)和信號(hào)缺失的點(diǎn)是故障部分，則注入信號(hào)的線就是故障線。提出了一種“直流開路，交流跟蹤”的停電故障定位方法，主要是在故障線上增加一個(gè)恒定的直流高壓，使接地點(diǎn)處于擊穿狀態(tài)，然后注入交流電流信號(hào)進(jìn)去。交流信號(hào)丟失的位置是故障的位置。注入法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，可以將變壓器直接安裝在系統(tǒng)中，無論是三相變壓器還是兩相變壓器均可使用。缺點(diǎn)是注入信號(hào)由電視控制。需要安裝注射設(shè)備，線路檢查時(shí)間很長；當(dāng)接地電阻大時(shí)，信號(hào)非常弱，不能用于瞬態(tài)故障定位。

1.2 故障暫態(tài)特征

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡的過程中會(huì)產(chǎn)生比較多的暫態(tài)信號(hào)。其中在小電流接地系統(tǒng)中，在故障的穩(wěn)態(tài)信號(hào)相對比較小，但是在故障位置的暫態(tài)信號(hào)的幅值比較大，從而會(huì)使線路的故障特征表現(xiàn)的比較明顯。永久性接地故障的故障暫態(tài)過程出現(xiàn)的時(shí)刻，該過程所持續(xù)的時(shí)間大約為2-3ms。在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中也存在較多的非永久接地故障，其中會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)信號(hào)被破壞，在這個(gè)過程中也會(huì)反復(fù)出現(xiàn)暫態(tài)信號(hào)，所以故障位置的暫態(tài)信號(hào)相比于穩(wěn)態(tài)信號(hào)靈敏性要求相對較低。

在小電流接地故障中，其中暫態(tài)信號(hào)中會(huì)包含有比較多的直流分量以及指數(shù)級(jí)衰減的暫態(tài)分量。其中在暫態(tài)信號(hào)中，采集到的頻率較低的暫態(tài)分量所具有的能量最大，所以稱該信號(hào)為暫態(tài)主諧分量，剩余的暫態(tài)分量稱之為次諧振分量。因?yàn)檫@兩者的差異比較大，同時(shí)在主諧振分量中包含比較多的故障暫態(tài)信息，因此把主諧振分量作為對故障定位分析的對象，為了使整個(gè)分析過程更加簡化，我們會(huì)采取小電流接地故障的等效分析模型[2]。

2 小電流接地故障定位技術(shù)應(yīng)用中存在的主要問題

2.1 故障信號(hào)小，獲取困難

零序電壓電流信號(hào)是小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測的必要條件之一，但從室外配電線路上獲取零序電壓電流信號(hào)比較困難。另一方面，配電線路不同配置下的零序電流信號(hào)難以獲得。例如，當(dāng)故障工頻穩(wěn)態(tài)電流幅值不大時(shí)，當(dāng)三相電流互感器受其特性影響時(shí)，三相電流互感器得到的穩(wěn)態(tài)零序電流誤差很大。三相電流互感器的不確定度誤差。零序電壓主要由安裝在線路上的電磁變壓器獲得。如果安裝的Pt不僅造價(jià)昂貴，而且施工難度大，很容易在系統(tǒng)中引起鐵磁諧振等隱患，大量的Pt還會(huì)引起24次鐵磁諧振，影響配電線路的安全。因此，不利于大規(guī)模推廣。但是，如果不使用傳感器對信號(hào)進(jìn)行測量，測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性會(huì)很低，很難滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

2.2 FTU間難以精確同步

FTU是安裝在配電室或饋線上的智能終端設(shè)備。具有遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸和故障檢測等功能。高頻和瞬態(tài)信號(hào)的快速變化特性決定了它的應(yīng)用要求測量設(shè)備之間的高采樣同步。在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，F(xiàn)TU與配電自動(dòng)化主站通信，檢測瞬時(shí)零模電流信號(hào)，提供配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和各種參數(shù)。在廣泛應(yīng)用的主站時(shí)間同步方法中，F(xiàn)TU的時(shí)間同步誤差通常在毫秒級(jí)，且時(shí)間同步誤差較大。FTU收集的數(shù)據(jù)較少，通信速度要求較低。建議每個(gè)FTU安裝GPS對時(shí)模塊，提高對時(shí)精度。另一方面，由于FTU規(guī)模小、數(shù)量多，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)增加成本，不利于推廣。因此，F(xiàn)TU可以在非故障區(qū)域?qū)崿F(xiàn)故障定位和快速功率恢復(fù)，定位算法能夠適應(yīng)FTU時(shí)間同步誤差大的現(xiàn)狀[3]。

3 小電流接地故障區(qū)段定位

3.1 中性點(diǎn)小電流接地故障特征分析

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中主要是指變壓器或者是系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)懸空，這就表現(xiàn)出與大地之間不存在電氣連接。在這種情況下，系統(tǒng)中不同線路對地電容電流數(shù)值相等，但是在相位上會(huì)相差120°，這些電容電流向量之和等于零。在該系統(tǒng)中，大地和中性點(diǎn)之間無法流過電容電流，其中中性點(diǎn)對地電位為零，也就是中性點(diǎn)與地電位一致。在接地故障點(diǎn)位置通過的是電容電流，因?yàn)樵谡麄€(gè)系統(tǒng)中不存在任何感性補(bǔ)償電流，所以該位置的電流大小是原來對地電容電流的3倍，給系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)造成安全隱患。這種單相接地故障產(chǎn)生的電容電流比較大，不容易出現(xiàn)被熄滅，從而會(huì)使得接地點(diǎn)位置出現(xiàn)弧光接地，造成了大量的能源消耗。如果這種故障持續(xù)的時(shí)間比較長，就可能會(huì)進(jìn)一步造成對系統(tǒng)中電氣設(shè)備的損壞，從而給整個(gè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行造成安全危害。目前在我國的電網(wǎng)系統(tǒng)中，采用中性點(diǎn)不接地通常是在一些接地電容電流比較小的情況下，這種系統(tǒng)的有點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)相對比較簡單，不需要在電路系統(tǒng)的中性點(diǎn)位置額外增加一些相關(guān)的設(shè)備。

3.2 消弧線圈接地系統(tǒng)故障特點(diǎn)分析

在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行中，消弧線圈對整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償作用更大。因此，當(dāng)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的中性點(diǎn)通過消弧線圈接地時(shí)，配電網(wǎng)線的電流幅度更有可能小于零序電流。如果發(fā)生小電流接地故障，則配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)可以運(yùn)行，但其運(yùn)行時(shí)間應(yīng)少于2h。

4 結(jié)語

隨著我國對電力供應(yīng)的需求不斷增加，我國迫切需要確保電力供應(yīng)的可靠性，以便為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。這需要盡可能減少分配網(wǎng)絡(luò)中的故障數(shù)量。但是在使用過程中，不可能不失敗。因此，相關(guān)部門的工作人員必須及時(shí)進(jìn)行維修，維修的關(guān)鍵是配電網(wǎng)的故障位置。只有確定了故障點(diǎn)，才能盡快解決。對于配電網(wǎng)的故障定位，可以根據(jù)實(shí)際情況采用阻抗法，中阻法等進(jìn)行檢測，可以進(jìn)一步提高故障定位的準(zhǔn)確性。