基于零序CT載波信號注入的配電網(wǎng)單相接地故障定位研究

摘要：現(xiàn)代配電網(wǎng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且地下電纜和架空線混合，故障巡視困難，因此迫切需要研究出快速、準確的單相接地故障定位方法。鑒于此，提出一種基于零序CT載波信號注入的中性點不接地配電網(wǎng)單相接地故障定位方法，即對饋線零序電流互感器的二次負載電阻電壓通過電子開關(guān)進行高頻調(diào)制，所調(diào)制的高頻載波信號再通過該互感器回饋到一次線路側(cè)，經(jīng)電纜和（或）架空線傳輸?shù)阶冸娬窘邮铡⒔庹{(diào)，還原出二次負載電阻電壓幅值、相位等信息。現(xiàn)分析該方法的原理和應(yīng)用，并通過仿真驗證其正確性和可行性：該方法能夠快速獲得線路零序電流的分布信息，并據(jù)此對接地故障點進行準確定位。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；故障定位；零序電流；高頻載波

中圖分類號：TM864" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0022-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.006

0" " 引言

配電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性對提高全網(wǎng)經(jīng)濟效益和保障人民生活水平意義重大。配電網(wǎng)大多數(shù)故障為單相接地故障，快速準確定位故障點，可及時處理、排除接地故障，盡快恢復(fù)正常供電[1]。現(xiàn)代配電系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且地下電纜和架空線路混合，加上分支線路，使得接地故障定位更為困難。

傳統(tǒng)的接地故障定位方法主要有阻抗測距法[2]、S注入法[3-4]和行波法[5-7]。阻抗測距法利用阻抗與線路長度的關(guān)系確定故障距離，由于接地過渡電阻的存在，定位精度受到影響。S注入法通過向故障饋線注入低頻信號實現(xiàn)故障定位，但人工手持探測器進行巡檢定位耗時長。行波法需要高采樣率的錄波裝置，配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜使得波頭提取困難，配電網(wǎng)故障定位效果不理想。

本文提出一種基于零序CT載波信號注入的中性點不接地配電網(wǎng)單相接地故障定位方法，它直接通過電力線傳輸載波信號，無須計算，不用人工巡檢，直接觀察監(jiān)測點就能確定故障點位置。該方法是在配電網(wǎng)中每隔一段距離安裝零序電流互感器，對每個互感器二次側(cè)的零序電流用不同的高頻進行調(diào)制，高頻載波信號通過電力線傳輸?shù)奖O(jiān)測端，將信號進行放大濾波處理，得到零序電流載波信號，利用波形的特殊性對各監(jiān)測點的零序電流進行相位識別，實現(xiàn)快速準確定位。

1" " 基于零序電流載波的故障定位原理

1.1" " 故障定位原理

以中性點不接地系統(tǒng)為例，在沒有故障時，線路中的零序電流為0，在發(fā)生單相接地故障時，各線路的零序電流幅值和相位會發(fā)生有規(guī)律的變化。因此，提取各監(jiān)測點零序電流的幅值、相位信息，就能確定故障點的位置。如圖1所示，在配電網(wǎng)各出線每隔一段距離安裝傳統(tǒng)的零序電流互感器，將每個互感器分別注入不同頻率的載波信號，其頻段為5～100 kHz。

1.2" " 故障定位判據(jù)

假定電網(wǎng)三相線路對地電容參數(shù)相等，則系統(tǒng)每相線路對地總電容為CA0=CB0=CC0=C0；故障饋線每相對地電容為CA0g=CB0g=CC0g=C0g；非故障饋線共有N條，每相對地電容為CA0k=CB0k=CC0k=C0k（k=1，2，3，…，N）。則有CA0=CA0g+CA0k，CB0=CB0g+CB0k，CC0=CC0g+CC0k。

若某條饋線C相線路發(fā)生金屬性單相接地故障，故障點接地電流Ig*為：

Ig*=jωCA0UAC*+jωCB0UBC*=-3jωC0UC*" " " " "（1）

式中：ω為角頻率；UAC*、UBC*為健全相線電壓相量；UC*為故障相相電壓相量。

假設(shè)第k條饋線總長度為Sk，則非故障饋線距離母線出口x km處的零序電流Ikx*為：

Ikx*=jω（UAC*+UBC*）

=-j3ωUC*" （0≤x≤Sk）" " " " "（2）

假定故障饋線總長度為Sg km，距離母線出口Y km處發(fā)生單相接地故障，則故障點前（變電站側(cè)）饋線長度為Y km，故障點后（負荷側(cè)）饋線長度為（Sg-Y）km。此時，故障點前距離母線出口x km處的零序電流Igx*為：

Igx*=-jω（UAC*+UBC*）-jω（C0-C0g）（UAC*+UBC*）

=j3ωC0-

C0gUC*" （0≤x≤Y）" （3）

接地故障點后距離母線出口x km處的零序電流Igx*′為：

Igx*′=jω（UAC*+UBC*）

=-j3ωUC* （Y≤x≤Sg）" " （4）

根據(jù)式（1）～（4）可以推導(dǎo)出發(fā)生單相接地時零序電流分布圖如圖2所示，故障饋線單相接地點前（變電站側(cè)）的自然零序電流幅值幾乎與整個電網(wǎng)單相接地（零序）電流相等，幅值最高，且隨著距離的增加，零序電流逐漸線性增大。相比之下，非故障饋線和故障饋線接地點后端（負載側(cè)）零序電流幅值則要小得多。同時，故障饋線單相接地點前（變電站側(cè)）的自然零序電流相位與非故障饋線、故障饋線接地點后端（負載側(cè)）饋線的零序電流相位相反。

2" " 高頻載波信號的調(diào)制與處理

2.1" " 零序電流信號的高頻調(diào)制

三相地下電纜上零序電流互感器的安裝及其配置如圖3所示。

圖中高頻mos管T1與二極管D1反向并聯(lián)，mos管T2與二極管D2反向并聯(lián)，將它們串聯(lián)后并至電阻R兩端。在T1和T2控制柵極施加頻率為f的高頻方波信號P（ t" ）來控制mos管的導(dǎo)通和關(guān)斷，對電阻R上的電壓進行高頻調(diào)制。當P（ t" ）為高電平，流入正半周零序電流時，T1和D2導(dǎo)通，電阻兩端被短路；當P（ t" ）為低電平時，開關(guān)不導(dǎo)通，此時電阻R兩端電壓被提取。同理，當流入負半周零序電流時，是T2和D1工作。調(diào)制過程圖如圖4所示。

2.2" " 零序電流信號的處理

載波調(diào)制后的信號耦合回互感器一次側(cè)后，通過電力線傳輸?shù)侥妇€接收端，此時接收到的信號是各個頻率的載波信號和工頻信號的混合信號，所以首先采用高通濾波器來濾除工頻信號，再經(jīng)過帶通濾波器選頻，就可以得到各個頻率所對應(yīng)的載波波形。

將設(shè)置好的電路用MATLAB軟件進行仿真，濾波后的載波信號波形如圖5所示。圖中分別對5、10、15、20 kHz的頻率進行了放大濾波處理，可以看出濾波后的載波信號是一個包絡(luò)波形，根據(jù)前面的故障判據(jù)可知，故障點前后兩端零序電流的相位相反且幅值變小。

對圖1所示的每個監(jiān)測點進行零序電流載波信號的實時監(jiān)測，在發(fā)生單相接地故障時，故障點前后的零序電流相位發(fā)生了180°偏移，且幅值變小。找出這兩個頻率對應(yīng)的互感器的位置，即可確定故障區(qū)段。

3" " 系統(tǒng)仿真

3.1" " 輻射型電纜配電網(wǎng)故障定位的仿真

基于MATLAB建立如圖6所示的仿真模型。配電網(wǎng)單相接地電流為IJ=80.0 A，故障饋線3總長l3=

11 km，饋線3發(fā)生單相接地點在距離變電站出口7 km處。各饋線沿線1、3、5、7、9 km處分別裝設(shè)載波頻率為f1=25 kHz、f2=20 kHz、f3=15 kHz、f4=10 kHz、f5=5 kHz的零序電流互感器。

當故障發(fā)生在7 km和9 km之間時，可以看到圖7所示的仿真結(jié)果顯示，故障點前后對應(yīng)的互感器零序電流信號相反，且f4=10 kHz、f5=5 kHz零序電流信號幅值突然變得很小。由此可以斷定接地故障發(fā)生在7 km和9 km之間。

3.2" " 輻射型架空線配電網(wǎng)故障定位的仿真

架空線模型采用型號為LGJ-185的線路，建立如圖8所示仿真模型。

假設(shè)故障饋線3總長l3=10 km，沿線1、3、5、7、9 km處分別裝設(shè)載波頻率為f1=25 kHz、f2=20 kHz、f3=15 kHz、f4=10 kHz、f5=5 kHz的零序電流互感器。

假設(shè)單相接地故障發(fā)生在9.0 km饋線處，故障線路各零序電流載波檢測信號波形如圖9所示。當故障發(fā)生在7 km和9 km之間時，可以看到仿真結(jié)果顯示，故障點前后對應(yīng)的互感器零序電流信號相反，且幅值突然變得很小，可以判斷故障發(fā)生在7 km和9 km之間。

4" " 結(jié)束語

本文提出了一種基于零序CT載波信號注入的配電網(wǎng)故障定位新方法，用于地下電纜和架空線配電網(wǎng)單相接地故障定位。本文首先討論了零序電流的分布情況，推導(dǎo)出了故障定位的判據(jù)；然后分析了零序電流高頻調(diào)制的原理以及如何實現(xiàn)相位識別功能；接著介紹了接收端的處理和濾波性能；最后通過仿真和實驗驗證了理論的可行性。

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收稿日期：2024-07-03

作者簡介：余娜（1992—），女，湖北武漢人，博士，講師，研究方向：配電網(wǎng)故障定位、機械臂控制。