配電網單相接地故障的電場檢測裝置研制

陳繼祥，張自偉，盛啟玉，牟憲民

（1.國網江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇連云港 223000；2.大連理工大學電氣工程學院，遼寧 大連 116000）

我國配電網接地大多采用中性點不接地或者經過消弧線圈接地的方式。在實際中，系統發生單相接地故障的情況占比很高[1]，當中性點不接地系統發生接地故障后，輸電線路與大地沒有直接電路關系，線電壓幅值和相位不變，所以在系統發生單相接地故障后短時間內還可以運行[2]。然而，由于線路接地，中性點的參考電位發生變化，輸電線各相對地電壓即相電壓發生了變化，故障相對地電壓下降，非故障相對地電壓增大，導致輸電線路各相周圍的空間電場強度也發生了變化[3]，對處于電場增大區域的作業人員安全造成了一定威脅[4-6]。同時,非故障相的電壓升高也可能導致線路絕緣遭到破壞，使故障進一步擴大。因此，為帶電作業人員實時提供電場強度信息，保證第一時間發現接地故障線路、進行線選和搶修工作、避免發生電場危害非常有必要。

為解決上述問題，該文研發了配電網單相接地故障的電場檢測裝置，并通過實驗驗證其有效性。

1 接地故障分析與傳感器設計

1.1 單相接地故障分析

當不接地的三相輸電線路系統發生單相接地故障時，接地點電位為零，三相電源各相對地電壓的大小和相位都會發生變化[7-8]，線路各相電壓之間的聯系可以采用如圖1 所示的相量圖來表示。

圖1 單相接地故障電壓相量圖

正常運行時，三相輸電線路的電壓對稱。若C相發生接地故障，為簡化分析，假定C 相金屬性接地，即C 相的相電壓為零，零電位參考點發生變化，變為圖中點O1，三相對地電壓變為：

由式（1）和電壓相量圖易知，非故障相電壓升高根號3 倍，相位同時也發生了改變。工頻50 Hz 交變電場的波長約為6 000 km，遠遠大于所研究區域內的最大距離，可將工頻電場視為準靜態場[9]，靜電場強與電勢梯度的關系為[10]：

式中,E是電場強度，φ是電勢，?是散度算子。因此，當輸電線路發生單相接地故障后，由于零電位參考點轉移到接地點，空間電勢發生改變進而輸電線周圍的空間電場強度較接地故障前也會發生變化。

1.2 平行半圓板電場傳感器等效電路模型

交變電場會使電場傳感器極板表面產生感應電荷，利用電荷和電場之間的數學關系，可以獲得電場測量信號[11-12]。輸電線路周圍的電場發散，為了增大極板感應面積，設計了半圓形極板的電場傳感器，等效模型如圖2 所示。

圖2 平行半圓板電場傳感器等效模型

假設t時刻空間電場強度為E(t)，在傳感器傳感單元表面感應出感應電荷Q(t)。假定傳感單元表面積大小為s，產生的感應電荷面密度為σs，則極板的面電荷大小為：

式中,k為變換系數。

感應電荷作用在極板間的耦合電容上產生感應電壓，大小為：

式中，Cp為極板間耦合電容[13]。

即通過測量電容上的電壓就可以計算出電場[14-15]。將低通調理電路進行拉普拉斯變換，利用回路電流法得到：

聯立方程組求得傳遞函數為：

計算頻域增益，得到調理電路輸出電壓Uo與電場強度E(t)的關系式為：

式中,ω為角頻率。

因此，通過測量調理電路的輸出電壓即可以得到輸電線周圍的電場強度值[16]。

2 有限元與電路仿真結果

2.1 多物理場模擬

COMSOL MULTIPHYSICS 是一款多物理場仿真軟件，功能十分豐富。該文選取10 kV 電桿的單回輸電線路進行分析。則A 相發生接地故障前后的電壓仿真結果如圖3 所示。

圖3 A相接地故障電壓仿真結果

仿真結果可以看出當輸電線路A 相在發生接地故障后電壓迅速減小，非故障相電壓升高，其大小接近線電壓，會導致輸電線路周圍電場強度發生變化。

在A 相和B 相正下方距電纜中心0.15 m 處設置電場強度測量點，分析當A 相和B 相發生接地故障前后電場強度的分布情況，仿真結果如圖4-5 所示。

圖4 A相接地故障前后電場仿真圖

圖5 B相接地故障前后電場仿真圖

從仿真結果中可以看出，A 相在發生接地故障后電場強度急劇減小，而其余兩相電場強度增大。由于B 相為中間相受到A、B 兩相的耦合影響，電場強度在接地故障前后都要高于其余兩相。B 相在發生接地故障后電場強度也急劇減小，而其余兩相電場強度增大，且其余兩相在接地故障前后的電場強度值基本一致。輸電線路發生接地故障后，電場強度變化趨勢與電壓大小變化趨勢相同。

2.2 電路模擬

使用MUTISIM 繪制了電場傳感器的調理電路并進行仿真分析，電路仿真模型如圖6 所示。

圖6 MUTISIM電路仿真模型

設輸入的交流電壓信號Up幅值為200 mV，頻率為50 Hz，仿真結果如圖7 所示。

圖7 調理電路仿真圖

仿真結果表明，電場傳感器的調理電路可以同比例獲得電場傳感器極板上感應的交流電壓信號。

3 輸電線路模擬實驗

為了模擬實際輸電線路和其單相接地故障情況，在實驗室搭建了一個簡單的拉線門型桿輸電線路實驗模型。輸電線路長3 000 mm、距地面1 000 mm、相間距270 mm，采用隔離變壓器和自耦變壓器連接模式，可實現輸電線路變壓式單相接地故障電場測量，電場傳感器設備A、B、C 分別對應線路三相水平放置。實驗模型如圖8 所示。

圖8 拉線門型桿實驗模型

參考傳感器位置，將校正后的PCB 傳感單元放置在距輸電線正下方15 mm 處，測量輸電線周圍的電場強度，繪制測量數據曲線與COMSOL 仿真數據曲線，曲線關系如圖9 所示。

圖9 PCB傳感單元測量曲線與COMSOL仿真曲線

從圖9 中曲線可以看出，在輸電線的絕緣皮、平整度以及環境因素的影響下，電場強度實際測量值要略小于COMSOL 仿真值。但從曲線分布可以看出，兩者趨勢相同，均具有參考性，因此，使用COMSOL 仿真數據校正平行半圓板電場傳感器具有合理性。校正后的平行半圓板電場傳感器測量數據曲線如圖10 所示。

圖10 平行半圓板傳感單元測量曲線與COMSOL仿真曲線

可以看出經過校正后的平行半圓板傳感單元測量線性度明顯優于PCB 傳感單元測量，與COMSOL電場強度仿真值基本重合。

為驗證上述輸電線路發生單相接地故障后的電場強度變化情況，利用圖8 搭建的實驗模型進行單線接地實驗，輸電線電壓為0.26 kV，線路A 相接地，并通過折現圖顯示記錄的實驗結果。實驗結果如圖11 所示。

圖11 電場強度折線圖顯示

從實驗測量效果中可以看出，當線路A 相發生接地故障時，其周圍電場強度迅速減小，而B、C 兩相周圍電場強度增大，與COMSOL 單相接地故障仿真結果一致，說明研制的電場檢測裝置能夠通過監測結果判斷接地故障，電場檢測精度較高，實際應用效果好。

4 結論

該文通過對配網單相接地故障前后的電場分布情況進行仿真分析，搭建實驗模型對故障狀態的電場分布進行檢測。結果顯示，利用平行板型電場傳感器和分布式通信功能可以快速捕捉到接地故障發生后的電場變化情況以及故障線路信息。文中方法在單相接地故障的檢測中具有較好的有效性和實時性。在后續研究中，希望通過增加傳感器平行半圓板傳感單元數量，進一步提高分布電場的檢測質量。