配網(wǎng)自動化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)

貴州電網(wǎng)有限責任公司遵義習水供電局 郭保健 羅莎莎

電力能源是當前階段社會發(fā)展的主要能源，對于社會發(fā)展有著重要的推動作用。作為社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，電網(wǎng)故障對于經(jīng)濟社會有著較為嚴重的影響，因此提升電網(wǎng)穩(wěn)定性一直是電力技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。小電流接地故障由于故障電流較小，從而導致針對該故障的監(jiān)測難度較大，配網(wǎng)自動化系統(tǒng)無法實現(xiàn)有效的故障監(jiān)測定位。加強對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中小電流接地故障的暫態(tài)定位技術(shù)研究，能夠使配網(wǎng)自動化系統(tǒng)能夠更加有效地實現(xiàn)小電流接地故障的定位，幫助提升電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，為社會發(fā)展貢獻更大的力量。

1 小電流接地故障暫態(tài)分布特點

1.1 接地故障

接地故障是電網(wǎng)運行過程中常見的現(xiàn)象，對于電網(wǎng)的安全運行有著重要的影響。通常是在運行過程中，電路中的相線、中性線等帶電導體與大地有連接部分的短路情況，由于電網(wǎng)系統(tǒng)的整體功能設(shè)計較為復雜，同時受到工作環(huán)境的影響，因此配電電路中常會發(fā)生接地故障。接地故障是電路系統(tǒng)出現(xiàn)短路的一種形式，但是其危險程度要遠遠超過電路系統(tǒng)中出現(xiàn)的常規(guī)的短路故障。一方面是對人員造成的危害，由于接地故障引起的觸電事故時有發(fā)生，對于人員安全產(chǎn)生直接的影響，除此以外，由于接地故障所導致的對地電弧等也會引發(fā)火災(zāi)的風險，間接造成人員生命安全以及財產(chǎn)損失。另一方面，接地故障的發(fā)生對于電路的正常運行也會產(chǎn)生嚴重的影響，接地故障的發(fā)生會導致電網(wǎng)斷電，由此帶來嚴重的經(jīng)濟損失。

小電流接地故障是接地故障中的一種。由于接地故障的電流較小，因此對于周圍區(qū)域安全帶來的威脅較小，但是會嚴重影響電網(wǎng)配電安全。而針對小電流故障的檢測也更加困難，常規(guī)的故障檢測對于接地故障并不能起到積極效果，為針對故障的定位工作帶來了較大的難度。

1.2 接地故障的暫態(tài)特征

當接地故障發(fā)生時，電網(wǎng)系統(tǒng)的電感單元會和電容單元之間產(chǎn)生諧波，針對電網(wǎng)接地故障的定位技術(shù)也可以從接地故障的這一特征著手[1]。通過電網(wǎng)不同側(cè)位的表現(xiàn)出來的暫態(tài)特征開展相應(yīng)的分析，不同側(cè)位會表現(xiàn)出差別較大的暫態(tài)特征，下側(cè)的暫態(tài)特征一般會表現(xiàn)在末端線路中，而上側(cè)暫態(tài)特征則重點位于線路以及消弧線圈的結(jié)構(gòu)單元中。對于接地故障發(fā)生時對于不同側(cè)開展的暫態(tài)分析，能夠有效地提升針對接地故障發(fā)生點的定位效果。

1.3 電網(wǎng)暫態(tài)電流的特點

電網(wǎng)出現(xiàn)接地故障會在線路體系中形成一個問題點，進而產(chǎn)生暫態(tài)電流分布。問題點位于電力體系的下段，故障點上游的電路長度會超過下游，所以電路體系中的散布電容等數(shù)值也會超出下游。接地故障上游趨勢表現(xiàn)出的暫態(tài)進程諧振頻次較小，而下游所表現(xiàn)出的頻次往往較大[2]。

1.4 接地故障定位的主要難點

當前，針對接地故障定位的技術(shù)研究成果已十分豐富，并且已經(jīng)有了多樣性的實踐。但是在具體的實踐過程中也暴露出了較多問題，當前階段接地故障定位存在的難點主要集中于以下幾方面：

一是開展接地故障定位工作所需要的信號獲取存在較大的難度。目前，電網(wǎng)實踐中應(yīng)用的接地故障定位方法，都是通過對于發(fā)生故障的線路中零序電流，以及電壓力信號開展的監(jiān)測。設(shè)置在電網(wǎng)線路變電場所等固定區(qū)域的故障選線方式信號獲取更加簡單，而布設(shè)于配電線路單元之上的方式信號獲取工作難度會更大，影響針對接地故障開展的定位工作。

二是信號的傳輸存在缺陷，電網(wǎng)線路采取的主要信號傳輸方式是無線傳輸。將檢測到的故障信號相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線方式進行傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)高效傳輸，但是無線傳輸方式的弊端也會對故障信號的傳輸工作產(chǎn)生重要的影響，如信號傳輸容易受到其他信號的影響。無線傳輸方式的弊端會影響到對于信號的接收，對于故障定位的效果產(chǎn)生負面影響。

三是針對接地故障進行的定位工作需要借助于專業(yè)設(shè)備完成，因此定位裝置的日常運行維護問題也會對接地故障的定位產(chǎn)生重要影響，定位裝置自身故障就會導致無法準確實現(xiàn)對于接地故障的定位。

2 配網(wǎng)自動化暫態(tài)定位使用的主要方法

2.1 暫態(tài)零模電流方向比較法

按照接地故障發(fā)生時，線路內(nèi)部的電流流向不同實現(xiàn)對于接地故障的準確定位，是當前階段針單相接地故障所采取的主要檢測方式。接地故障發(fā)生時，故障線路體系中上游部分暫態(tài)零模電流是由故障點流向母線，而下游的暫態(tài)零模電流方向則是有故障點流向線路末端，二者完全相反[3]。因此，可通過對于線路中暫態(tài)零模電流流向的測定，根據(jù)電流運動方向的不同，實現(xiàn)對于接地故障的定位。

2.2 暫態(tài)零模電流幅值比較法

出現(xiàn)接地故障時，暫態(tài)零模電流幅值在故障位置會較大的差異，故障發(fā)生位置上游的電流幅值相比下游的電流幅值更大。因此，測定線路的暫態(tài)零模電流幅值繼而實現(xiàn)對于接地故障發(fā)生位置的定位，也是對接地故障進行測算的一種方式，同時測定方法比較簡單。該方法也存在著一定的弊端，那就是對于接地故障定位的精度不足。線路運行過程中對于暫態(tài)零模電流產(chǎn)生影響的因素較多，如電壓以及電阻等都會對暫態(tài)零模電流幅值的測定產(chǎn)生影響，導致定位錯誤的情況發(fā)生。

2.3 暫態(tài)零模電流波形相似法

對比電流波形進行接地故障發(fā)生位置的測算，在實踐中也有著廣泛應(yīng)用。由于配電線路發(fā)生接地故障時兩側(cè)的暫態(tài)零模電流具備完全相反的極性，同時反映出來的電流波形狀也有著較大的差異；而同側(cè)電流表現(xiàn)的差異則較小，因此可以通過對于線路電流波形進行檢測，確定故障發(fā)生位置[4]。

3 配電自動化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位措施

缺少對于小電流接地故障的定位功能，已成為制約配電自動化系統(tǒng)發(fā)展的重要因素之一[5]。當前，配電自動化系統(tǒng)中針對小電流接地故障的處理方案是通過自動化開關(guān)完成，但是這種操作方式有著較強的局限性，如操作流程復雜、故障定位時間較長以及適應(yīng)性不強，因此并未得到廣泛的應(yīng)用。在配電自動化系統(tǒng)建設(shè)中，融入針對小電流接地故障的暫態(tài)定位系統(tǒng)，是當前階段配電自動化系統(tǒng)小電流接地故障處理的重要方向，通過暫態(tài)系統(tǒng)中配電終端、選線裝置等大部分的協(xié)同，能夠?qū)τ陔娋W(wǎng)線路中接地故障發(fā)生時零序電流的改變進行及時的檢測，然后通過數(shù)據(jù)分析對接地故障發(fā)生位置進行準確定位。

3.1 小電流接地故障暫態(tài)定位總體結(jié)構(gòu)

針對小電流接地故障定位需求設(shè)計的暫態(tài)定位系統(tǒng)主要的原理是，電流接地故障中暫態(tài)信號的特征以及零序電流的分布規(guī)律。暫態(tài)定位系統(tǒng)主要包含四部分，分別為配電終端、定位主站、選線裝置以及通信系統(tǒng)。

暫態(tài)定位系統(tǒng)可以與配網(wǎng)自動化系統(tǒng)有效結(jié)合，相互作用于針對小電流接地故障開展的定位過程中。配電終端可以對電網(wǎng)線路中的接地故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號進行檢測，然后借助于暫態(tài)原理進行線路選取工作，應(yīng)用配電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能，最后在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中增加定位工作站的以實現(xiàn)針對小電流接地故障的準確定位。

3.2 小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)配電終端

配電終端布設(shè)于電網(wǎng)電路的不同檢測節(jié)點之中，是小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)的最主要功能單元。配電終端在整個暫態(tài)定位系統(tǒng)中承擔了多樣性的任務(wù)，如首先對布設(shè)線路中存在的小電流接地故障進行檢測，其次對檢測得到的故障信息具體數(shù)據(jù)進行分析。在配電終端對于數(shù)據(jù)進行處理分析以后將故障的數(shù)據(jù)信息傳送至定位主站。

因為無法對于電壓信號進行有效的收集，所以配電終端主要是通過對于檢測線路內(nèi)零序電流變化引起的信號變化來對線路的運行狀態(tài)進行有效的檢測。針對線路內(nèi)部零序電流的獲取可以通過零序電流互感器、零序電流過濾器或三相電流互感器，因此針對零序電流的測算有著極高的實用性。

3.3 小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)選線裝置

選線裝置主要功能是對線路母線部分的三相電壓、零序電壓以及各出線的零序電流進行采集。當出現(xiàn)小電流接地故障時，通過零序電壓發(fā)生的變化啟動選線裝置的選線功能和故障錄波，然后通過對于暫態(tài)零模電流方向比較法、暫態(tài)零模電流膚質(zhì)比較法等進行綜合選線。

除此以外，選線裝置還可以實現(xiàn)對于小電流的瞬時接地故障發(fā)生情況的匯總處理，通過對于小電流接地故障的發(fā)生次數(shù)進行統(tǒng)計，使對于電網(wǎng)線路的具體情況測算能夠更加全面，如針對小電流接地故障發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計，能夠有效判斷電網(wǎng)線路的絕緣包裝情況，針對線路絕緣裝置破損情況較嚴重、小電流接地故障發(fā)生次數(shù)較多的線路設(shè)計更為嚴格的分閘策略，以保障線路能夠?qū)崿F(xiàn)總體安全運行。

3.4 小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)定位主站

定位主站是暫態(tài)定位系統(tǒng)實現(xiàn)定位功能的主要工作單元。通過對于配電終端以及選線裝置所收集的線路故障信息進行分析，甄別故障信息的準確性。定位主站使用的主要定位方式是暫態(tài)零模電流波形相似法，以及電流極性的比較法，在完成對小電流接地故障發(fā)生位置的準確定位以后，針對故障發(fā)生點進行有效隔離，防止這一故障對線路整體運行產(chǎn)生更大的影響，然后恢復線路供電。在完成對于故障發(fā)生位置的定位工作以后，定位主站還需要對故障發(fā)生的具體數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的定位計算過程進行保存，為后續(xù)的故障定位提供實踐數(shù)據(jù)。

針對故障區(qū)段的檢測主要方法是通過對于零序電流的分布特征分析，從而實現(xiàn)對于故障區(qū)段的準確檢測定位。其工作流程為選線裝置按照線路內(nèi)部的零序電流變化情況對故障線路進行定位，然后將故障線路的情況傳輸至定位主站。配電終端針對其布設(shè)線路零序電流的明顯變化進行記錄，然后將零序電流的變化情況傳輸至定位主站。定位主站在收集到選線裝置以及配電終端傳輸?shù)墓收闲畔⒁院螅ㄟ^對于故障線路反饋的零序電流信息進行分析處理，將正常工作線路的故障數(shù)據(jù)剔除，針對真實故障發(fā)生的線路進行暫態(tài)電流情況的分析比對最終實現(xiàn)對于線路故障位置的確認。

3.5 小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)通信系統(tǒng)

暫態(tài)定位系統(tǒng)各部分之間需要通過通信系統(tǒng)來完成信息的傳輸。各功能單元之間主要的通信需求集中于選線裝置和定位主站的通信需求，以及配電終端和定位主站之間的通信需求。配電自動化系統(tǒng)中本身就具備了通信模塊，因此針對小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)的通信功能實現(xiàn)，可以借助于配電自動化系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

配電自動化系統(tǒng)通信功能的實現(xiàn)方式分為有線和無線兩種方式。有線通信的方式主要是借助于光纖，因此這種通信方式更加穩(wěn)定，傳輸過程中不易受到干擾，能夠保障數(shù)據(jù)的安全性和準確性，在配電自動化系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但有線傳輸方式的建設(shè)資金投入較大，同時線路本身也會存在故障風險。無線傳輸?shù)姆绞街饕捎靡苿油ㄐ偶夹g(shù)，無線傳輸?shù)姆绞较噍^于有線傳輸資金投入相對較低，而且后期的維護過程可以和暫態(tài)定位系統(tǒng)的維護一并進行，降低維護壓力。但由于無線傳輸具備不穩(wěn)定性，傳輸信號可能會受到其他電磁信號的干擾，從而影響故障信號傳輸?shù)臏蚀_性。

4 案例應(yīng)用解析

廈門供電公司在其配電自動化系統(tǒng)中應(yīng)用了小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)。其中，小電流接地故選線與檢測裝置安裝于變電站內(nèi)，電網(wǎng)線路包含16條出線。配電終端系統(tǒng)由4臺FTU 構(gòu)成，安裝位置分別在911汀溪線61號開關(guān)、99號開關(guān)，947四林線51號開關(guān)、91號開關(guān)，定位主站的安裝地點位于廈門供電公司調(diào)度中心，配電終端與選線裝置采取GPRS 的方式進行通信，定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該小電流接地故障暫態(tài)定位系統(tǒng)自運行以來，已成功檢測到多次接地故障信息，針對其中由于擾動產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)進行甄別處理以后，對于其中真實的接地故障都實現(xiàn)了準確定位，見表1。

表1 小電流接地故障定位記錄

5 結(jié)語

小電流接地故障因故障電流較小，對其開展的定位工作難度較高。同時，小電流接地故障的發(fā)生頻次較高，給電網(wǎng)線路的安全運行帶來較大的不利影響。針對小電流接地故障的發(fā)生位置進行準確定位，能夠有效針對故障位置進行及時的搶修工作，降低接地故障可能造成的人員傷亡以及財產(chǎn)損失情況。暫態(tài)定位系統(tǒng)的建立，能夠借助于配電終端以及選線裝置對于線路零序電流情況進行監(jiān)控，將線路中的電流突變情況進行收集，傳輸至定位主站進行故障發(fā)生點的準確定位，從而實現(xiàn)更加高效精確的針對小電流接地故障的定位功能，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供重要保障。