一種用于消弧線圈接地系統中的故障定位方法

鹽城供電公司設計院 沙建華

鹽城供電公司 郭興農

1.引言

隨著配電網的復雜化，系統電容電流逐漸增加，對于消弧線圈系統，當發生單相接地故障時，消弧線圈提供的電感電流和原系統中的電容電流相抵消，這樣就可以減少流經故障點的電流，使電弧易于熄滅。然而，由于單相接地故障電流小，經過消弧線圈補償后，故障線路電流再次降低，這給消弧線圈接地故障選線、定位帶來了很大的困難。

本文在分析總結現有故障選線方法以及故障定位技術存在問題的基礎上，提出了一種同時投切并聯中電阻和諧波信號的故障定位方法。通過驗證證實了此種方法具有很高的準確率，與故障指示器的結合，大大減少了接地故障的查找和排除時間，提高了配電網運行的可靠性。

2.故障選線、定位技術

2.1 故障選線技術

目前接地故障選線技術應用較多的主要有：零序電流比幅、比相法；五次諧波分量法[7，8]。零序電流比幅、比相法原理是基于單相接地故障時流過故障線路的零序電流幅值比非故障線路零序電流的幅值大且電流方向相反進行選線，但這種方法只適用于中性點不接地系統，且不能排除CT不平衡及過渡電阻大小的影響。

五次諧波分量法是利用五次諧波的群體比幅比相法解決故障選線的問題。由于消弧線圈的補償只是針對基波而言的，對于五次諧波而言5ωL＞＞1/5ωC，此時可忽略對其補償效果，再利用零序電流比幅、比相法的原理，故障線路的五次諧波電流比非故障線路的幅值大且方向相反，即可解決系統的選線問題。但系統中五次諧波含量較少，檢測靈敏度低，負荷中的五次諧波源、CT不平衡電流和過渡電阻大小，均會影響選線精度。

2.2 故障定位技術

目前應用較多的故障定位技術主要有：故障測距法；信號注入法；故障點探測法等[9]。

故障測距法包括阻抗法和行波法。阻抗法是假定線路為均勻線，利用在不同故障類型條件下計算出的故障回路阻抗或電抗與測量點到故障點的距離成正比，計算測量點到故障點的距離，進行故障定位。行波法根據線路發生故障時，會產生向線路兩端傳播的行波信號的理論，利用在線路測量端捕捉到的暫態行波信號可以實現故障定位。這兩種方法只適合于網絡分支較少線路，而配電網出線分支較多，用行波法進行故障定位比較困難[10]。

信號注入法需要借助外部信號設備，提供故障檢測信號，當系統發生接地故障時，安裝在變電站的信號源主動向母線注入一個特殊的信號，這個特殊的信號在接地點和信號源構成的回路上流過，即只在故障線路上流過，檢測裝置通過檢測、跟蹤這個特殊信號，進而確定故障點。

故障點探測法就是在配電線路的主要節點安裝故障探測器，將探測信息加以匯總分析，得到故障區段。目前常用的戶外故障探測器有線路故障指示器。它是利用線路自身的故障信號進行故障判定，一般用在人工沿線查找，工作效率低。

3.并聯中電阻選線技術

并聯中電阻選線方法是信號注入法的一種，它借助投切并聯中電阻裝置，當系統發生接地故障時，通過投切并聯中電阻，向系統注入工頻信號，該信號僅在故障線路中流通，因此可對該信號進行檢測從而選出故障線路。

并聯中電阻系統接線圖如圖1所示。

圖1中：Ea、Eb、Ec分別為A、B、C三相的電壓；Ca、Cb、Cc分別為A、B、C三相的對地電容；R1為并聯中電阻；R2為單相接地故障時的接地電阻；L為消弧線圈；K為真空開關。

系統正常運行時，真空開關K斷開，并聯中電阻不投入運行。當系統發生單相接地故障后，經過一段時間延時，真空開關K閉合，投入中電阻，監測各線路零序電流數值。由于投入中電阻所產生的有功電流只在故障線路中流通，且有功分量不會被消弧線圈的感性電流所補償，因此在并聯電阻投入的時間內，僅故障線路零序電流增加，非故障線路電流變化很小。中電阻投入0.5s后，開關K斷開，切除中電阻，再次監測各線路零序電流數值。在并聯電阻投入的時間內（幾個周期即可），故障線路的零序電流信號與非故障線路相比差異顯著，且有功分量不會被消弧線圈的感性電流所補償，因此可以選出故障線路。

并聯中電阻的選線過程為：系統單相接地→經過設定的延時時間投入并聯中電阻→采樣線路零序電流→切除并聯電阻→采樣線路零序電流→選線裝置準確判斷接地線路。

為驗證并聯中電阻選線效果，假設系統中有5條出線，模擬1號出線發生接地故障，并在短時間內投入并聯中電阻。通過仿真分析得到投切并聯中電阻選線的各線路零序電流波形如圖2所示。

由圖2可見，并聯中值電阻投切前后，故障線路1號出線零序電流幅值發生跳變，而非故障相線路的零序電流在并聯電阻投切前后變化不明顯，因此可以根據這一變化判定故障線路。并聯中電阻選線方式就是根據這一原理發展而來的，為解決消弧線圈系統的故障選線難題提供了一個良好的解決辦法。

4.故障定位方法的分析研究

故障選線僅僅對變電站的出線進行故障選線，而配電網線路分支較多，當線路發生接地故障時，檢修人員需要從變電站出線開始，沿著故障線路，找到下一級分支點，然后通過人工試拉的方式確定具體的故障線路區段。該查找方法人力投入較大，故障排查時間較長，給系統的安全帶來隱患[11]。

圖1 并聯中電阻系統接線圖

圖2 系統單相接地后各線路零序電流波形

圖3 單相接地系統仿真模型

圖4 接地電阻為10Ω時的仿真曲線

圖5 接地電阻為1000Ω時的仿真曲線

如果能夠對變電站和開閉所同時進行故障選線，并借助一些選線方法，形成配電網故障定位系統，將縮小故障區域，減小故障排除時間，提高系統運行的可靠性。經調研，目前市場上已研制出一些故障定位產品，例如故障指示器。它是一種指示故障電流流通的裝置。線路發生故障后，巡線人員可借助指示器的報警顯示，迅速確定故障區段，進而找出故障點。

目前，市場上的故障指示器多利用零序電流比幅、比相法等線路自身故障信號進行判定，對復雜的接地故障來講，故障類型多樣，故障信號特征不明顯，特別在消弧線圈接地系統中，該類故障更不易判定。針對這一現象，本文開發了一種同時投切并聯中電阻和諧波信號源的故障定位方法，人為的向故障線路注入判定信號，故障指示器通過檢測這一系列信號可以做出準確的故障判定。

仿真分析驗證：

由圖2所示，并聯中電阻選線效果良好，為保證其選線效果，本文在中電阻旁并聯一個諧波信號發生源，系統發生接地故障后，通過中性點的開關投切，不僅向故障點注入基波電流，而且同時注入二次諧波電流，此時故障指示器故障判定不僅可參考并聯中電阻的投切信號，而且還可參考二次諧波增量的投切信號，這樣不僅使注入信號的特征更加明顯也避免了系統擾動的影響，可大大提高故障判定的準確性。

下面搭建一個模擬電網，在不同的接地方式下，同時對并聯中電阻和二次諧波信號源進行投切，通過仿真驗證該方法的可行性。

設系統電壓10kV，并聯中電阻為135Ω，消弧線圈為預調式，過補償10%，系統對地電容為30uF。系統接地后，同時對并聯中電阻與二次諧波信號源進行短時投切單相接地仿真框圖如圖3所示。

4.1 金屬性接地情況模擬

取故障點的接地電阻為10Ω進行仿真，此時注入的總電流信號波形如圖4(a)所示，通過仿真得到的波形分別如如圖4(b)和4(c)所示。

由圖4可見：

1）在系統發生單相接地故障后，由于消弧線圈的補償作用，故障線路的電流有效值立即減小至5A左右，驗證了消弧線圈的有效性。

2）系統單相接地后經過約1s的延時同時投入并聯中電阻和二次諧波信號，故障線路總電流有效值增加約92A，信號增量明顯。

3）信號投入0.5s后，切斷中電阻與二次諧波信號，各路信號恢復正常。

4）由圖(c)所示，通過信號的投切，故障線路電流基波和二次諧波信號增量明顯，二次諧波電流源的投切，在中電阻選線的基礎上，為后續故障指示器的判定提供了更可靠的保證。

5）在系統金屬接地情況下，通過中電阻和二次諧波電流信號的同時投切，明顯增強了注入信號的變化特征，并且通過對兩種信號增量的同時判斷，可排除系統擾動的影響，準確地判斷故障線路。

4.2 高阻接地情況模擬

利用圖3仿真模型，取故障點的接地電阻為1000Ω進行仿真，得到的仿真曲線如圖5所示。

通過對比分析圖4、圖5可得：

1）系統發生單相接地后，隨著接地電阻的增加，故障線路總電流增量減弱，但增量大于5A，可容易地分辨出故障線路。

2）隨著接地電阻的增加，故障線路基波電流信號增量減弱，但增量依然明顯，說明在高阻接地的情況下利用投切中電阻依然可辨別故障線路。

3）由于二次諧波電流信號的同時投切，故障線路的二次諧波電流增量顯著，利用其與中電阻投切相結合為定位提供了可靠的保障。

4）在高阻接地的情況下，通過中電阻與二次諧波信號的同時投切，故障線路電流增量明顯，對兩種信號增量的同時判斷，可排除系統擾動的影響，驗證了本文方法的有效性。

綜上可得，本文提出的故障定位方法無論在消弧線圈系統金屬性接地或高阻接地情況下，均能準確、有效地判定故障區段。

結合同時投切中電阻與諧波信號的選線方法將故障指示器安裝于架空線路的主干線和各分支線上，共同構成消弧線圈接地系統故障定位系統。當消弧線圈接地系統發生永久性單相接地故障時，通過同時投切中電阻和諧波信號源向故障點注入信號，使故障線路的零序電流基波和諧波含量增加顯著。該注入信號不但為變電站故障選線提供了選線信息也為配電網開閉所出線提供了選線信息。對于安裝了故障指示器的線路來說，由于雙信號同時注入，此時故障線路產生的特征信號觸發故障線路上從變電站出口到故障點的所有故障指示器動作，而故障點后的故障指示器不動作，因此可以實現故障線路的自動定位，免除了人工查線的煩惱，提高了工作效率，具有很高的應用價值。

5.結語

本文根據消弧線圈接地系統故障定位不準確的問題，在分析現有故障選線方法以及故障定位技術存在困難的基礎上，提出了一種基于并聯中電阻選線和諧波注入的故障定位方法。通過理論分析和仿真驗證，證實了此種故障定位方法無論在系統金屬性接地或高阻接地的情況下均可準確定位故障，與故障指示器的結合，克服了傳統選線、定位技術不能應用于復雜網絡的缺點，雙信號同時注入增強了故障線路特征的同時也避免了系統擾動造成的故障指示器誤動作，為故障定位技術提供了有價值的參考。

[1]陳維江,蔡國雄,蔡雅萍,譚躍亭等.10kV配電網中性點經消弧線圈并聯電阻接地方式[J].電網技術,2004(24):56-60.

[2]龍維民.基于故障指示器的配電網故障自動定位系統[J].電力設備,2006,7(11):65-66.

[3]張林利,徐丙垠,薛永瑞等.基于線電壓和零模電流的小電流接地故障暫態定位方法[J].中國電機工程學報,2012,32(13):110-115.

[4]陸國慶,姜新宇,梅中健等.配電網中性點接地的新途徑[J].電網技術,2004(2):32-35.

[5]要煥年,曹梅月.電力系統諧振接地[M].北京:中國電力出版社,2000.

[6]陳忠仁,李微波,吳維寧.一種新型小電流接地綜合選線裝置[J].電力自動化設備,2007,27(5):114-117.

[7]高艷,林湘寧,劉沛.基于廣義形態開閉變換的小電流接地選線算法[J].中國電機工程學報,2006,26(14):1-6.

[8]潘靖,郝會鋒,何潤華.配電網接地選線裝置的研制[J].電力系統保護與控制,2008,36(19):48-52.

[9]季濤,孫同景等.配電網故障定位技術現狀與展望[J].繼電器,2005,33(24):32-37.

[10]董新洲,畢見廣.配電線路暫態行波的分析和接地選線研究[J].中國電機工程學報,2005,25(4):1-6.

[11]張大立.配電故障指示器的應用及發展[J].電氣應用,2008,27(5):53-55.