10 kV中壓配電網單相接地故障有源診斷技術

施冬明，聶 鼎，徐肖偉，周 昊，李富祥，陳 余

（1.云南電網有限責任公司 怒江蘭坪供電局，云南 怒江 673200；2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650011；3.云南電網有限責任公司 西雙版納勐海供電局，云南 西雙版納 666200；4.云南電網有限責任公司 臨滄臨翔供電局，云南 臨滄 677000；5.云南電網有限責任公司 大理供電局，云南 大理 671000）

1 10kV配電網單相接地故障的特征及不良影響

1.1 單相接地故障的特征

單相接地故障是10 kV中壓配電網中較為典型的故障，其發生與天氣特性密切相關，晴朗天氣時發生概率相對較低，降雨或風力超六級等極端天氣時發生概率較高[1]。小電流接地系統運行期間，若存在單相接地故障，對地電壓將大幅度降低（通常降幅可以達到70%以上），而非故障相的相電壓則有較明顯的提升（增幅40～80%），故障電流相對較小，可以持續向用戶供電1～2 h。但隨著時間的推移，若缺乏行之有效的處理措施，則容易破壞供電系統的穩定性，導致其他電力設備也發生故障[2]。

1.2 單相接地故障的不良影響

單相接地故障發生時，電網伴有較為明顯的間歇性弧光接地和諧振過電壓問題，線路絕緣子被擊穿，短路事故的發生概率明顯增加，配電變壓器等周邊配套設施有燒毀的可能。通常，因單相接地故障而誘發的檢修停電主要表現為單條線和分支線兩個層面，如果未能及時處理該故障，則會在較短時間內顯著擴大影響范圍，不利于周邊生產經營活動的順利開展，同時也會阻礙供電企業的日常工作進程。因此，相關技術人員必須準確認識單相接地故障，在查明原因的基礎上采取針對性的處理措施，以切實解決問題，將不良影響降到最小。

2 選線方法分析

中性點非直接接地系統普遍為經消弧線圈接地或不接地系統，在該方式下若出現單相接地故障，則故障點的信號將明顯減小，又因為其抗干擾能力不足，加之降雨等外部環境的影響，所以障信號會失真，因此該條件下取得的故障判斷結果缺乏準確性[3]。

小電流接地系統的中性點不直接接地，在此方式下若系統運行期間存在單相接地故障，將不會形成閉環短路路徑，此外還伴有極為明顯的接地電阻偏大和電流信號微弱等問題，此時不利于高效采集信號[4]。

若采取單穩態信號的選線方法，則難以完成接入消弧線圈接地的選線工作，并且運行線路結構和外部環境等因素均會對選線工作的正常開展造成影響。而電流諧波的選線方法，則可以較好地規避消弧線圈造成的不良影響，但高次諧波分量較小，選線過程中負荷自身諧波和過渡電阻均會對其造成影響，實際效果差強人意。暫態電氣量也是一種選線方法，其融合了小波理論和神經元算法等，但較之穩態信號，其容易受到不平衡電流和過渡電阻的干擾而發生誤判[5]。

相比于上述的幾種方法，有源信號注入法具有更為明顯的應用優勢，其根據線路的特點在該處安裝信號源裝置，系統維持正常運行狀態時可以監測系統的電壓。若由于某方面原因而出現單相接地故障，自動控制信號源內部開關設備投切，可以精準確鎖定故障所在的線路區段，進而判斷該部分的電流信號序列，具有較顯著的參考價值。

3 有源信號注入法的基本原理

若存在單相接地故障，系統會產生具有顯著可辨識性的阻性電流波動，但接地系統的非接地部分并無該阻性電流流過的情況。此時將關注點轉至配電終端，通過CT便可以識別該阻性電流，由此精準定位故障，對其采取切除等處理措施。

將信號源安裝至線路母線處，每段母線分別安裝1臺，供各終端檢測注入信號使用，以監測線路電壓和零序電壓等關鍵參數。若線路存在接地故障，此時可以收集系統的參數作為判據條件，據此對單相接地故障做出較準確的判斷。當接地故障的時間達到設定值后，系統將自動投切單相操作開關，發送電流信號序列，按照故障相→接地點→大地的順序發生流動，最后回歸至信號源工作地。在該流程中，無論是故障點還是非故障線路，均無信號流過。

接地故障發生后，若未及時做出相應的響應，系統則會相繼自動投切單相操作開關，并發送電流信號序列，該部分注入電流信號將與線路自帶的電流信號發生疊加而形成強度更大的故障信號，有利于故障的判斷，可以較好地保證故障判斷結果的準確性。

在配電線路上適配配電終端來接收注入信號和電流信號，在此操作的基礎上可執行解碼和拓撲分析操作，從而精準識別故障的實際發生點位。以預先設定的FA策略為主要依據，配電終端可以操控開關，高效處理故障，并且設備還能實時采集故障信息，并將其傳送至后臺主站，運維人員接收后可以對其展開分析。

4 單相接地故障有源診斷技術

本次分析重點考慮對等通信方式和時間級差方式，通過描繪故障處理的過程，強化對單相接地故障的認識，提高處理水平。

4.1 對等通信方式

對等通信方式下系統配置情況如圖1所示。

圖1 對等通信方式下系統配置圖

4.1.1 基本特點

在變電站母線處適配信號源，在該配套方式下，母線的出線可共享信號源裝置，充分發揮該裝置的應用優勢。自動化開關配套單側三相五柱式電壓互感器，以滿足線路零序電壓信號的采集要求。具體配備的是A、C及O，3只電流互感器彼此協同運行，高效采集電流信號。各自動化開關分別適配1臺智能配電終端，并根據各終端的特點在彼此間利用匹配光纖通信的方式來高效交互信息。斷路器和復合開關均可以獨自處理單相接地故障。

4.1.2 處理流程

若在F2和F3間存在單相接地故障，則線路的相電壓和零序電壓均存在一定程度的變化，布設在線路的信號源裝置會向線路注入阻性電流信號。故障點前的F1和F2可以較為高效地測定特殊編碼信號，而此期間的F3和F4則無法檢測該信號。在相互通信的溝通機制下，可以確定故障所處位置為F2之后或F3之前，根據該結果將F2開關跳閘，高效隔離故障點，切斷故障的影響路徑。

基于光纖通信，故障信息可以被快速傳輸至后臺主站系統，相關工作人員可以根據需求及時查詢，準確掌握故障處理情況，全面了解總體狀況。

4.2 時間級差方式

關于時間級差方式所對應的系統配置情況，如圖2所示。

圖2 時間級差方式下系統配置圖

4.2.1 基本特點

在變電站各段母線處安裝信號源，位于該母線的各出線均可以共用該信號源裝置。為自動化開關配套單側三相五柱式電壓互感器，通過該裝置采集線路零序電壓信號。硬件裝置方面，配置A、C以及O這3只電流互感器，從而高效采集線路電流信號。為自動化開關配套具有三遙功能和邏輯功能的智能配電終端，可實現就地判斷。依托于時間級差實現保護的選擇性，從線路末端向前的時間具有逐步遞減的變化特點，級差為5 s，對應于各分支線路的開關零序保護動作時間為0 s。

4.2.2 分析過程

引入10 kV單電源輻射型線路，描述故障處理的關鍵思路及具體要點。F3點后發生單相接地故障將迫使線路的運行狀態發生變化，即相電壓和零序電壓均有波動，布設在線路的信號源裝置將會向線路注入阻性電流信號。位于故障點前的F1、F2及F3均具備快速檢測的功能，可準確確定脈沖信號和零序電壓兩項指標的具體內容。F3檢測故障脈沖時有延遲10 s的動作，期間開關分閘，經此操作后可精準隔離故障部位。在F3開關的作用下，可以隔離故障點，保證其他無故障部位的獨立性。F1和F2開關均能快速檢測到零序電壓的消失，此時分閘功能返回，整個線路維持正常運行的狀態。對于分支處的故障，該處的保護動作為0 s，在檢測到特殊編碼信號后會觸發分支開關，使其直接跳閘，從而高效分隔故障。

5 結 論

文章以10 kV中壓配電網單相接地故障特征為切入點，經對比分析后選用有源信號注入的方法，展開有關單相接地故障的檢測與分析，以進一步促進相關故障的應對處理，從而為相關人員提供幫助。