配電網接地故障選線技術及其應用

張明春，王金波

（1.中石化巴陵分公司，湖南 巴陵 414003；2.萊蕪市機關事務管理局，山東 萊蕪 271100）

0 引言

我國6～66 kV配電網系統中性點多采用消弧線圈接地方式[1-2]，當系統發生接地故障時，消弧線圈產生的感性電流及時補償系統的電容電流，減小了故障點故障電流，降低系統過電壓水平，使電網系統能夠帶故障運行2 h。為了增強配電網運行的可靠性，越來越多工業企業的配電網系統采用了消弧線圈接地方式，但當系統發生接地故障時，由于消弧線圈的電流補償作用，故障線路故障電流較小，很難準確及時判定故障線路。

1 配電網系統故障特點

配電網的中性點采用消弧線圈接地方式，系統發生接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，故障線路的電氣量變化并不明顯，使故障線路查找變得困難。

系統發生接地故障，消弧線圈的補償過程如圖1所示，其中L為消弧線圈，C為系統電容，R為故障點的接地電阻，IL、IC、If分別為消弧線圈補償電流、系統的電容電流、故障點的殘流。

圖1 消弧接地系統接地故障原理圖

從圖1可以得出：線路發生接地故障，系統線路對地的電容電流IC流過故障點，由于消弧線圈的補償電流IL與電容電流IC是數值相等方向相反，因此故障點的故障電流If幾乎為0，大大減小了故障點的電流，當系統發生了瞬時性接地故障，由于消弧線圈的補償作用，接地故障自行消失，保證系統運行的可靠性；當系統發生弧光接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，弧光接地故障消失，防止非故障相電壓繼續升高，避免弧光接地過電壓產生，保障了系統運行的穩定性；當系統發生永久性接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，接地點故障電流較小，系統可帶電運行2 h，大大減少停電次數，提高整個電網的運行可靠性，但故障線路的故障電流較小，使故障線路判定變得困難。

2 配電網故障選線技術

配電網系統中，線路分支較多，運行方式復雜，線路的管理維護工作量很大。當系統發生故障時，故障查找非常困難，而故障選線技術和選線產品的研發，大大緩解了這一問題。

2.1 故障選線方法

行波法。該方法利用根據行波理論（線路發生故障時，會產生向線路兩端傳播的行波信號），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。該方法有一定的優點，可以把故障點確定在較小范圍內，方便用戶快速準確查找故障點，適合于網絡分支較少線路。而配電網出線分支較多，線路分支處和負荷處均為波阻抗不連續點，行波在波阻抗不連續點的折射和反射造成線路一端測得的行波波形將特別復雜，很難正確識別出故障點的反射波，故障定位困難。

信號注入法。該方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，這樣這個特殊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，選線裝置通過檢測到這個特殊信號在眾多線路中找出故障線路。該方法可以提高消弧線圈系統接地故障選線的準確性，但注入信號的注入時間和注入量如果不能很好地限制，會影響電網系統運行的穩定性。

小擾動選線方法。小擾動選線方法利用現代電力電子技術，采用快速可控式消弧線圈（通過可控硅控制消弧線圈的電感變化）與小擾動選線裝置配合實現。小擾動選線原理是依據殘流的變化量進行選線，該選線方法不需要獲得較大的信號而將殘流增多，減小選線過程對電網的影響。該選線方法操作時間短，在短時間內可以連續進行多次選線，擾動機制靈活可變，保證了選線功能的靈活性和快速性。但該選線方法只能在連續可調的相控消弧線圈的接地系統中應用，對于其它消弧線圈則不能使用，另外，該方法的選線準確性與擾動信號的擾動時間和擾動幅度直接相關，在實際使用過程中，由于其它因素影響，擾動信號很難配合得當，影響故障選線的準確性。

首半波法。該方法采樣接地瞬間的電容電流首半波與接地瞬間的電壓首半波，比較其相位。當采樣接地瞬間電容電流突變且大于一定數值，并且與接地瞬間電壓首半波同相，同時導線對地電壓降低，則判斷線路發生接地。首半波法的前提條件是故障需發生在相電壓接近最大值瞬間，但如果在接地故障發生在電壓的零點附近時，其值較小，導致首半波檢測存在檢測死區，從選線原理上，該方法存在一定缺陷。

2.2 并聯中電阻選線方法

根據以上分析可知，在消弧線圈接地系統中，接地故障時故障電流較小，常用的故障選線方法在實際應用中均存在著一定的局限性。下面介紹并聯中電阻選線方法，該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方法，向系統注入工頻信號，該信號僅在故障線路中流通，對該信號進行檢測從而選出故障線路。

帶并聯中電阻的消弧線圈接地系統如圖2所示，T為帶中性點的變壓器，L為消弧線圈，R為并聯中電阻，K為真空接觸器，M為母線，C1、C2…C6為各出線的對地電容，d為接地故障點。

圖2 配電網接地系統示意圖

系統正常運行時，真空接觸器K斷開，并聯中電阻不投入運行，當系統發生接地故障時，并聯中電阻短時間內投入系統，增大故障線路的故障電流，0.5 s后從系統中切出并聯中電阻，根據并聯中電阻投切前后故障線路與正常線路零序電流的變化不同，判定出故障線路。

故障選線具體步驟：當系統單相接地，系統地中性點電壓升高，超過設定值2 kV，啟動并聯中電阻裝置；控制開關K閉合；并聯中電阻在中性點電壓的作用下，通過中性點向系統注入工頻電流；工頻電流流過故障線路，使故障線路的零序電流發生波動；0.5 s后開關K斷開，切除并聯電阻；選線裝置通過計算各線路并聯中電阻投切前后的零序電流變化不同，找出故障線路。

投切并聯中電阻選線的各線路零序電流波形如圖3所示，系統中有6條線路，其中1號線路發生了接地故障，短時間投入并聯中電阻，只有1號線路的零序電流發生了較大的變化，而其它線路變化較小，因此可以根據這一變化判定故障線路。

圖3 各出線的零序電流波形圖

并聯中電阻選線方法，簡單直接，可以有效解決消弧線圈接地系統故障選線不準確的問題。另外，該方法利用故障時中心點過電壓向系統注入工頻電流信號，信號注入時間較短，對電網系統影響較小，如果并聯中電阻阻值選擇得當，將注入電流限制在安全范圍內，不會對電網運行造成不利影響。

3 配電網故障選線系統

目前，并聯中電阻選線方法得到了較好地發展和應用，國內很多以消弧線圈接地方式配電網系統中都采用此選線原理，選線效果得到了廣泛認可。但故障選線僅僅對變電站出線進行故障選線，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。該故障查找方法，人力投入較大，故障排查時間較長，給系統的安全運行帶來隱患。

如果能夠對變電站和開閉所（配電線路分支點）同時進行故障選線，借助并聯中電阻選線方法，形成配電網故障選線系統，將縮小故障區域，減小故障排除時間，提高電網系統運行的可靠性。

配電網故障選線系統網絡示意圖如圖4所示，主要由配電網故障選線監控平臺、并聯中電阻選線裝置、監測終端組成。

圖4 配電網故障選線系統系統圖

并聯中電阻選線裝置安裝在變電站，和消弧線圈控制器配合對變電站的出線進行故障選線，當系統發生接地故障時，并聯中電阻的注入信號沿著故障線路流向故障點，該注入信號不但為變電站故障選線提供選線信號特征值，而且為配電網開閉所出線提供選線信號特征值。

圖5 配電網系統示意圖

監測終端安裝在配電網線路的開閉所，通過零序CT獲取各出線的零序電流，實現開閉所線路故障檢測，當系統發生接地故障時，監測終端實現故障選線，并進行就地報警，同時將故障監測信號通過通信網絡上傳到監控平臺。

配電網故障監控平臺負責搜集變電站和各開閉所的故障選線信息和故障數據，并對故障數據進行綜合處理和分類，進而確定故障區段，并通過報警告知檢修人員及時排除故障。

該配電網故障選線系統有以下優點：

（1）瞬間投切并聯中電阻的方法，短時間內增大了故障線路的零序電流，保證電網系統運行穩定的前提下提高了故障選線的準確性。

（2）發生接地故障時，變電站、開閉所、配電站各監測節點的電氣信息都上傳到故障定位監控平臺，故障定位監控平臺軟件對收集來的信息進行分析、處理、分類，篩選有效的故障信息，然后進行綜合分析，避免了錯誤信息、干擾信息、信息丟失等因素造成的故障判定不準確的情況，進一步提高了故障判定的準確性。

（3）該系統不僅可以實現變電站選線，同時實現開閉所選線，進一步縮小故障查找范圍。

4 應用實例

岳陽巴陵石化化肥事業部的配電網系統示意圖如圖5所示。配電網系統情況：電壓等級6 kV，4臺配電變壓器，中性點采用消弧線圈接地方式，有2級開閉所，每級開閉所都有4段母線，每段母線上都有若干負荷。

配電網系統中性點采用消弧線圈接地方式，當系統發生接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，故障線路電氣量變化不明顯，導致故障線路判定困難，不能及時找出故障線路，大大延后了故障的排除時間，電網運行可靠性大大降低，給生產運行帶來極大的危害和風險。

為了提高配電網系統運行的穩定，在配電網安裝配電網故障選線系統成套裝置，該成套裝置采用并聯中電阻選線技術，對變電站層線路、1級開閉所層線路、2級開閉所層線路同時實現故障選線。當2級開閉所III段母線上的負荷9上的線路發生了接地故障，選線裝置直接判定故障區段負荷9線路，減少了故障排除時間，提高了系統運行的可靠性，給安全生產帶來了保障。

5 結語

針對消弧線圈接地系統故障選線不準確問題，闡述了消弧線圈接地系統接地故障時系統運行情況，以此為基礎分析現有主要故障選線方法的優缺點，特別對并聯中電阻故障選線方法原理進行詳細說明，并在此基礎上提出配電網故障選線系統，進一步縮小接地故障的查找范圍，提高配電網運行的可靠性和穩定性，在實際的實施應用中取得了較好的效果。