配電網單相接地故障定位技術的運用

朱志堅，伊長春，蒲友

（1.國網浙江寧波市鄞州區供電有限公司，浙江寧波，315100；2.國網衢州供電公司，浙江衢州，324000；3.金華珂瑪電氣有限公司，浙江金華，321000）

1 配電網單相接地故障定位系統的設計

1.1 故障定位裝置

該裝置中包含的核心設備有變壓器、檢測器、高壓信號源等，以3線路、2分支的簡單電力系統為例，其結構框圖如圖1所示。

圖1 故障定位裝置結構框圖

配電網的3條線路，每條線路中均設置了A、B、C、D、E五個測試點，線路1、2同線路3，圖中不再贅述。在中壓配電網運行過程中，假設在K點出出現了單相接地故障，則利用能量法、小波分析法等故障選線方法，確定發生故障的線路，即線路3。然后從線路3的端頭注入一個高壓直流信號，并且在五個測試點處依次使用移動式直流檢測器進行信號檢測。根據檢測信號，在B點出正常，在C點出異常，則可以判定故障位于B、C之間，從而縮小了故障范圍。換用感應電流檢測器，在BC段內繼續檢測，直到最終確定故障點K。

1.2 信號檢測器

根據檢測對象的不同，又可分為直流、交流兩種信號檢測器。以直流信號檢測器為例，其核心元件包括：（1）霍爾直流檢測器。鉗形開口可用于連接線路，內部嵌入霍爾元件，基于霍爾效應實現對線路中直流信號的動態檢測，測量誤差≤5%。（2）采樣處理電路。可對電路中的電流信號進行放大、濾波、降噪以及A/D轉換等處理。在處理結束后，利用藍牙無線發送器將信號傳送到接收端。要求藍牙無線收發器的直線距離在15m以內，以保證連接可靠、傳輸穩定。（3）藍牙無線接收器。正常接收信號后，將電信號轉化為數字信號，并通過顯示器顯示出來。

1.3 多功能高壓信號發生器

該裝置的作用是向配電網中注入高壓直流、交流、脈沖信號。從組成結構上來看，包括逆變器、調壓器、升壓變壓器、整流器等，結構組成如圖2所示。

圖2 高壓信號源結構框圖

逆變器的作用是把車載直流電壓逆變成交流電壓。正常情況下，車載直流電源提供的是12V直流電，經過電壓逆變器的轉化后，輸出220V、60HZ的交流電壓。然后依次經過調壓器、升壓變壓器的處理，得到2000-3000V的高壓電，確保故障點可靠擊穿。從升壓變壓器輸出的交流電壓經過不同的處理后得到3種信號：其一是未經任何處理、直接輸出的高壓交流信號，最高電壓3000V，電流180mA，頻率60Hz；其二是經過整流器處理后的高壓直流信號，最高電壓3000V；其三是經過高壓脈沖信號發生器處理的高壓脈沖信號，最高電壓10000V，脈沖寬度 200ms。

2 基于同步相量測量的在線定位技術

2.1 故障在線定位原理

以簡單配電網為例，假設一條線路上共有3個節點，分別是母線節點A，以及分支節點B和C。在進行故障定位時，由于不確定故障點的位置，因此只能按照電流方向尋找，即從母線節點A開始，沿著主線路尋檢到達分支節點B，進行支線尋檢。如果未發現故障點，繼續回到主線路上沿著B→C的方向尋檢。在到達分支節點C后，進行支線尋檢，未發現故障點繼續回到主線路尋檢。在尋檢時，主要獲取線路中零序電流的相位信息。并且將該信息與變電站傳送來的零序電壓的相位信息進行對比，如果零序電流滯后于零序電壓90°，繼續沿著電流方向往下游追蹤。如果零序電流超前零序電壓90°，則向上游追蹤。通過不斷縮小檢測范圍，最終鎖定故障點的位置。

2.2 同步相量測量技術

在線同步測量零序電壓相量和零序電流相量，是實現單相接地故障精準判定的關鍵技術。在同一配電網中，線路中任意點出的零序電壓相量是一致的。因此，可以將變壓站處測量得到的零序電壓相量，等同于線路中任意一點的零序電壓相量。當發生單相接地故障后，線路中的零序電流會發生變化。只要同步采集零序電壓、零序電流的相量并進行對比，即可進行故障追溯。由于兩者之間屬于異地檢測，因此如何做到異地檢測中同步獲取相量信息就成為關鍵問題。一種解決方案是將零序電壓采樣的時標信息附加在幅值和相位信息上，一起傳遞到零序電流檢測裝置中。該裝置在接收幅值信息、相位信息后，存儲到緩沖區內。利用時標信息在緩沖區內準確獲得同一個采樣時間點的零序電流測量數據，這樣就能保證兩個不同的相量具有統一的時標，從而實現了同步。

2.3 在線定位裝置設計

在線定位裝置主要由上位機、下位機組成，其中下位機又包括定位器、相電流測量器，結構組成如圖3所示。

圖3 在線定位裝置結構圖

上位機位于變電站內，內置GPS模塊，保證能夠在接收到時標信息后同步發出脈沖信號。同時，上位機每隔1s觸發A/D完成一次零序電壓采樣。使用FFT算法對采集到的數值進行計算，從而分別得到零序電壓信號的幅值和相位參數。最后使用內置的無線通信模塊，將幅值、相位、時標信息一同發送給下位機。

下位機是一臺便攜式設備，可用于在配電線路中進行移動檢測。設備上有一個鉗形表頭，可以夾在線路上，并利用相電流檢測器讀取線路中相電流的數值。定位器的GPS模塊在接收上位機發送過來的時標信息后，同步響應并發出脈沖信號。相鄰的藍牙無線接收模塊會向相電流測量器發出指令，由該測量裝置獲取相電流的瞬時值，并將采集到的數值反饋至定位器。下位機將三相電流瞬時值進行合成，得到零序電流信號，進而使用FFT算法獲得該電流的幅值、相位參數。

根據同一時刻測量得到的零序電流信號的幅值和相位，可以求得零序分量的有功功率值（P）。如果P＞0，故障點位于檢測點的上游，尋檢人員逆著電流方向往上查尋；如果P＜0，故障點位于監測點的下游，尋檢人員順著電流方向往下查尋。通過不斷縮小范圍，最終確定故障點的位置。

2.4 在線定位裝置的仿真實驗

在實驗室環境下搭建一個10kV配電網模型，接入電壓為市電380V，利用變壓器將其升高至10kV。有2條配電線路和1條保護線路，以及熔斷器、電壓互感器、電容器等裝置。其中，電壓互感器3臺，6#互感器位于主干線上，5#和7#互感器分別在支線上，并且5#互感器所在的支線發生單相接地故障。數據處理結果如圖4、5所示。

圖4 實驗原始數據

圖5 濾波后數據

結合上圖可知，5#互感器測量的零序電流滯后零序電壓91.3°，6#互感器測量零序電流滯后零序電壓90.8°，7#互感器測量零序電流超過零序電壓91.0°，說明故障點位于5#互感器所在的支線上，與理論結果一致。

3 故障定位裝置的現場試驗及應用

3.1 現場試驗情況

某地10kV架空線路連續發生單相接地故障，為保障用戶正常用電需求和維護供電公司經濟效益，決定對變電站10kV出線進行模擬接地試驗。現場技術人員分成3隊，一隊在1#桿注入信號，二隊設置故障點，三對尋找故障點。二隊和三對之間不進行交流，模擬真實接地故障情況，分別進行了2次單相接地故障試驗。

第一次為線路低電阻接地，實際發生接地故障為10#桿。一隊使用定位裝置測量接地電阻，顯示為1200Ω。三隊從變壓器處開始沿著線路開始故障尋檢，得到數據如表1所示。

表1 線路低電阻接地試驗數據

最終三隊用時16分鐘，確定故障點為10#桿，與二隊設置故障點一致。

第二次試驗為單相經水泥電桿接地，實際發生接地故障仍為10#桿。一隊使用定位裝置測得接地電阻1200Ω，三隊從變壓器處開始故障尋檢，得到數據如表2所示。

表2 線路經電桿接地試驗數據

最終三隊用時19分鐘，確定故障點為10#桿，與二隊設置的故障點一致。

3.2 現場運行情況

該在線定位裝置在現場使用時間2個月，累計進行了5次實際的單相接地故障定位，均能精確地找出發生故障的位置，定位準確率達到100%，應用效果良好。

4 結語

為了更好滿足用戶的用電需求，近年來中壓配電網的覆蓋范圍不斷擴大，線路中的分支越來越多。一旦某個支路上發生故障，只有明確故障定位才能讓電力公司技術人員盡快修復故障、恢復正常供電，減少停電損失。本文所述的一種基于同步相量測量技術的在線故障定位裝置，經過試驗驗證可以快速、精確完成故障定位，具有推廣應用價值。