中性點經小電阻接地配網系統的故障定位

于盛楠,馮蓓艷,張嘉旻,謝海寧

(1.上海市電力公司浦東供電公司,上海 201205;2.華東電力試驗研究院有限公司,上海 200437)

1 配電網故障定位法

配電網故障定位一直是電力系統中亟待解決的難題。這是由配電網絡自身的特點決定的。配電網絡與輸電網絡相比,有以下三大特點:

1)供電半徑小 較短的線路使得在輸電網故障定位中應用廣泛的經典阻抗法在配電網絡中誤差明顯加大。

2)末端隨機負荷多 這一特點使得配電網線路的負載電流變化較大,同時,線路也無法輕易地使用集中參數進行等效。

3)線路分支多 從結構上來說,分支多給精確定位某個分支帶來困難,同時,分支多帶來信息多,真偽信息混雜在一起,難于理清。

目前,常用的配電網故障定位方法,主要有基于配電網自動化的方法、行波方法和使用故障指示器等方法。

1.1 基于配電網自動化的方法

隨著配電網自動化技術的日益成熟,大量基于SCADA系統的故障區域判定方法相繼出現。他們大多基于配電網的饋線繼電保護,依照斷路器關系對整個網絡進行拓撲分解,從而構成線路網絡的關系矩陣,以此構成判別算法[1-4]。

基于配電網自動化的方法可以將故障區域定位至兩個斷路器之間,在一定程度上縮短了巡線范圍和巡線時間,但是無法做到對線路的故障點進行精確定位。

1.2 行波法

行波法利用故障距離與行波從故障點傳輸到檢測點的時間成正比的原理進行故障定位,應用較多的有雙端法、單端法和注入法等[5-7],分為A—E五種。

行波法中的A,B,E三型,都要根據檢測到的故障自身產生的行波進行故障定位,需要在變電站的各條母線出線處加設檢測裝置,如用于配電網絡,投資較大;D型方法即雙端測距法,需要在線路兩端進行檢測,對多分支的配電網絡難以適用;C型方法,即單端行波法,是在線路始端注入檢測信號,通過注入信號與故障點返回信號的時差來確定故障位置,這種方法從理論上講是可行的,但由于配電網絡分支對信號的衰減和外界噪聲干擾的影響,使得數據處理存在很大困難,所以一直沒有得到實際應用。

1.3 使用故障指示器

目前,很多地區的架空線、電纜故障判斷,大多采用故障指示器進行判斷。這種裝置是安裝在10 kV或35 kV配電線路或電纜上,通過測量線路上流過的電流和感應電壓,并通過一定的邏輯來指示故障。目前,國內對故障指示器缺乏統一標準,導致市面上的故障指示器存在質量參差、判斷原理單一等問題,降低了故障指示的準確率。若能通過原理開發和邏輯設計,使故障指示器達到較高的判斷正確率,就可通過故障指示器的檢測,達到對配電網故障的精確定位。

2 配電網故障指示器的動作分析

上海市某地區配電網采用中性點經小電阻接地系統。從該地區2003年至2009年的配電網故障統計數據來看,由于電纜故障大多為直接接地故障,故障電流較大,因而電纜型故障指示器具有較高的動作正確率,超過90%。而在一般的架空線路中35 kV線路故障指示器總動作準確率約為51%。10 kV線路故障指示器的總動作準確率為73.71%,尤其是單相接地故障(特別是帶過渡電阻接地故障)正確動作率不高,僅為58%。

為了找出故障指示器動作正確率低的原因,先對該地區配電網系統的故障特點進行了研究。由于電纜故障指示器動作正確率較高,因而從架空線網絡著手進行分析。

3 中性點經小電阻接地配網系統故障特點

3.1 中性點經小電阻配電系統故障特點

通過對所述地區近年來的配電網故障搶修統計數據分析,該地區10 kV架空線路發生故障有以下特點:

1)單相故障多 從2008年至今,該地區的10 kV架空線路單相調換熔絲的工作量占總搶修工作量的62.4%,搶修時間為1.21～5.06 h。

2)斷線和避雷器故障大多發生在夏季 例如,2010年6～8月,該地區10 kV線路共發生斷線故障34次,遠大于2010年1～5月份共11次的斷線故障記錄。

3)部分區域負荷具有較為明顯的季節性和時間性區別,負荷增長較快 每年6～8月份,用戶電壓低和調換桿變工作量明顯增多,因此線路負荷電流變化較大。

4)三相故障大多為外力破壞造成。

3.2 中性點經小電阻接地系統相間故障特點

根據對所述地區典型故障錄波的分析及系統模擬計算,中性點經小電阻接地的10 kV供電系統兩相故障短路電流在3～6.5 kA內變化,考慮到過渡電阻等多種因素,兩相故障電流超過1 kA,故障電流較大。大電流會引起繼電保護裝置快速動作,開關跳閘,從而造成故障線路三相電壓迅速跌落。

相間發生短路故障,由于故障電流較大,對故障指示器而言,最容易進行判斷,故障指示器動作正確率也相對較高。

3.3 中性點經小電阻接地系統單相接地故障特點

單相接地故障根據線路所流經過渡電阻的不同,分為金屬性故障和非金屬性故障。

3.3.1 金屬性故障

系統發生金屬性故障時,會產生較大的故障電流,為正常負荷電流的好幾倍。根據對所述地區典型故障錄波分析,以及系統模擬計算,中性點經小電阻接地的10 kV供電系統單相金屬性接地故障電流在800～1200 A內變化,并且接地故障時故障相電壓下降一般在50%以上。此時,故障指示器根據線路所流經的電流大小就能正確判別出故障與否。

3.3.2 非金屬性故障(高阻接地)

研究所在地區的10 kV架空線大多是絕緣導線,當線路斷線掉落地面時可能會形成高阻接地,此時由于接地電阻很大,故障電流的變化量可能不足以引起故障指示器動作。單個故障指示器如僅依據電流信息很難判別出故障。針對這種情況,可綜合分析各分支線路上故障指示器信息,根據多個故障指示器采集到的電流信息而不是單個的電流信息來判斷故障與否。

如圖1所示,當線路中F點處發生高阻接地時,故障指示器S1處電流增大,而S2、S3處電流減小,即使S1處電流增幅過小,小于故障指示器的報警動作值,但是,仍然可以根據S1處電流增大,而S2、S3處電流減小這一特點,判斷出故障指示器S1所在線路發生故障,或結合線路零序電流情況進行判斷。

3.4 中性點經小電阻接地系統斷線故障特點

3.4.1 電源側斷線后接地

如圖1所示,若F點處發生故障,則巡線人員發現故障指示器S1動作,而故障指示器S2和S3不動作,判斷出故障位置在故障指示器S1之后,故障指示器S2和S3之前。這時伴隨接地故障的是較大的接地電流,類似于單相接地故障,但應保證斷點后側的故障指示器正確不動作。

圖1 電源側斷線后接地故障

3.4.2 負荷側斷線后接地

如圖2所示,此時電源側沒有發生接地故障,因此沒有故障電流,而負荷側也沒有故障電流。此時如果線路上健全相有一定的負荷電流,則零序電流保護會動作,開關跳開。此時,電源側和負荷側均有電壓跌落。

圖2 負荷側斷線后接地故障

3.4.3 桿塔的跨接線斷開兩側不接地

如圖3所示,桿塔的跨接導線斷開,兩側均不接地,這種情況下故障導線上沒有電流,如果線路上健全相有一定的負荷電流,則零序電流保護會動作,開關跳開。電源側和負荷側電流均為0,電源側和負荷側均有電壓跌落。

圖3 桿塔跨接線斷開后不接地故障

3.4.4 小結

對于后兩種情況,由于沒有故障電流,很難通過電氣量進行判斷。這是因為線路無電流很可能是用戶側負荷切除或者繼電保護裝置動作所致。通過對市面上各種故障指示器的性能及功能調研,大多數廠家對中性點經小電阻接地系統斷線故障指示,目前還沒有可提供解決的技術方案。

4 故障指示器常用判斷邏輯

4.1 電流定值法

電流定值法是目前故障指示器中最常用的一種故障判斷邏輯。與繼電保護中的過流保護類似,在故障指示器中設定,當線路電流超過設定電流時故障指示器動作。電流定值法原理簡單,因而故障指示器中一般配置為可選定值,供使用者根據線路情況設置不同的電流定值。

電流定值法可以用于判別配電線路的接地和短路故障,但是,由于配電線路差異較大,同一條分支前后負荷電流也大為不同,而且常常發生負荷割接等變動,因此,若選用單純電流定值原理的故障指示器,為保證故障指示器的動作正確率,需要對其進行大量的整定工作。

4.2 電流突變量法

電流突變量法是通過檢測一定時間內線路電流突變量是否達到一定值來判斷故障點。由于配電線路負荷波動較大,電流突變量法常常需要配合時間判據,避免因負荷躍變造成故障指示器誤動作。電流突變量法通常與電流定值法結合起來,運用于故障指示器的邏輯設計中,用于判別配電線路的接地和短路故障,但是突變量的整定依然需要較多的前期工作。

4.3 階梯形電流整定法

為了避免負荷電流不同帶來的復雜整定工作,階梯形電流整定將自適應的整定值設計在故障指示器的邏輯當中,根據實時檢測到的負荷電流,按一定倍率設置整定值。如圖4所示,是一種2倍率的階梯形整定示意圖。

圖4 階梯型整定示意圖

當檢測到的負荷電流為0～50 A時,故障指示器動作定值自動整定為100 A;當檢測到的負荷電流為50～100 A時,故障指示器動作定值自動整定為200 A;以此類推。采用方法提高了故障指示器對低負荷電流的線路故障的判別靈敏度和可靠度,但是對于高負荷電流的線路故障可能會降低靈敏度。

4.4 電壓突降法

由于配電線路發生故障后,繼電保護裝置會使開關動作造成線路失電,因此,電壓突降也成為部分故障指示器的判據之一。由于開關跳開后,整條線路電壓均失壓,所以電壓突降之能作為故障判定的輔助判據。

5 故障指示器邏輯設計

通過上述分析,根據目前配電線路的實際情況,綜合出較為理想的故障指示器的判斷邏輯,其邏輯原理如圖5所示。

圖5 故障指示器邏輯設計

式中:I0為零序電流;Is為設置的動作電流值,當負荷電流較小時,可按階梯型進行設定;當負荷電流較大時(超過400 A),可按線路情況設置整定;d i/d t為電流突變量;Uφ為相電壓,設置為低電壓觸發;t為時間。

如圖5所示,該邏輯表示:當零序電流存在或相電流超過設定值或電流突變量超過設定值時,若相電壓跌落一定時間,則故障指示器進行指示。該邏輯通過對零序電流、電流最大值、電流突變量和低電壓的綜合判斷,各整定值在《中性點經小電阻接地系統配網的架空線路故障指示器整定研究》一文中進行了分析討論。該邏輯理論上能夠實現短路、接地故障的判斷,而且由于引入零流,對單相斷線故障也可做出判斷。

為了實現此邏輯,必須有效檢測零序電流,通過調研,目前的線路故障指示器大多為單相指示,若要檢測零序電流,可通過三相之間通信實現,亦可通過建立故障判斷后臺,對各個故障指示器在各個時刻檢測的電氣量進行邏輯判斷。

6 結語

要做到對配電網精確進行線路故障定位,一直是個難題。通過分析現有的故障定位方法,提出改進現有故障指示器的故障判斷邏輯來實現中性點經小電阻接地系統的故障定位。

新的邏輯判斷,理論上能夠實現短路、接地故障的判斷,而且由于引入零流,對單相斷線故障也可做出判斷。對零流檢測,建議通過三相通信或者后臺判斷方式加以實現,實現方式將在日后的研究中繼續驗證。

[1] 裴善鵬,連鴻波,李萬彬,王 璐.快速調匝式消弧線圈及接地選線一體化裝置研究[J].現代電力,2006,23(1),20-24.

[2] 齊 鄭.小電流接地系統單相接地故障選線及定位技術的研究[D].華北電力大學電力系,2005.

[3] Johns A T W hittard.New technique for the accu rate location of earth fau lts on transm ission system[J].IEE Proc.-Gener.T ransm.Distrib.1999,142(2):73-79.

[4] 王 瑋,蔡 偉,張元芳,樊大偉.基于阻抗法的電力電纜高阻故障定位理論及實驗[J].電網技術,2001(11).

[5] Bo Z Q.Accu rate fault location technique for distribution system using fault-generated high-frequency transient voltage signals[J].IEE Proc.-Gener.Transm.Distrib.1999, 146(1):73-79.

[6] 陳 平,葛耀中,徐丙垠,李 京.現代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應用-A型原理[J].繼電器,2004, 32(2):13-18.

[7] 陳 平,葛耀中,徐丙垠,李 京.現代行波故障測距原理及其在實測故障分析中的應用-D型原理[J].繼電器,2004,32 (3):13-18.