10 kV配電網單相接地故障定位的研究

王繼星，任 波，宋 娜

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.中國長江電力股份有限公司三峽電廠，湖北宜昌443002;3.中國長江電力股份有限公司葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443002)

中國10 kV配電系統的中性點接地方式常采用不接地或經消弧線圈接地兩種方式，統稱為小電流接地系統。該類接地系統中單相接地故障定位一直是研究的難點。單相接地故障約占全部電網故障的80%，所以深入研究配電網單相接地故障定位對提高供電可靠性具有重大意義。

小電流接地故障檢測主要分為故障選線和故障定位。目前，對于故障選線的研究成果已經很多，主要有零序電流法、功率方向法、比幅比相法、負序電流法、注入信號法等[1-5]。而小電流接地故障定位研究領域卻沒有取得很大進展，雖有行波法、小波分析法、故障定位的矩陣算法和注入信號法等研究成果[6-10]，但是由于信號微弱，受到干擾后不易檢測和消弧線圈的補償作用，使得以上方法實際應用效果不理想。

近幾年，基于暫態零序電流進行故障選線的方法已經取得一定突破[11-13]，但是，基于暫態零序電流進行故障分支定位的方法則很少涉及。因此，本文提出了暫態零序電流向量的概念，并通過矩陣算法來實現故障分支定位。

1 小電流接地系統故障區間定位原理

1．1 輻射型接線方式

中國10 kV配電網一般采用閉環設計、開環運行的方式，配電網不同線路通過雙電源連接開關形成環狀結構。在正常運行時，雙電源連接開關斷開，從變電站引出的配電線路開環運行，形成了單電源輻射狀的樹狀結構，如圖1所示。

圖1 10 kV配電網示意圖

1．2 故障選線和故障定位

在小電流接地系統中，一旦出現小電流接地故障，非故障相對地電壓升為線電壓，特別是出現間歇性弧光接地時，中性點缺少電荷釋放的通路，引起弧光接地過電壓，從而威脅線路絕緣，容易擴大為相間短路故障。

本文規定:從變電站同一條母線上引出的多條線路中識別出發生小電流接地故障的線路，并給出判斷結果的過程稱為故障選線;在選出的故障線路中，根據故障信息找到發生單相接地故障的支路，并確定故障支路相關測點編號的過程稱為故障定位。

1．3 小電流接地故障信息的獲取

由于線路不對稱，可能導致系統運行時出現零序電壓，在變電站出口母線處設置一個零序電壓測點，并且設定線路零序電壓故障閥值uf，若零序電壓超過閥值uf，則系統出現單相接地故障，啟動故障定位功能。在變電所母線上裝設三相五柱式電壓互感器，將其二次成開口三角形的一側接于過電壓繼電器上，通過一定延時啟動故障定位程序。加入延時主要是為了躲過瞬時接地故障的情況。

在每條線路的出口處和分支線路的出口處均布置零序電流測點，對于線路較長的無分支線路，則布置2-3個測點，以便縮短查找故障點的范圍，如圖1所示。各個測點均安裝基于GPS的零序電流測量裝置和相對應的負荷開關，通過GPS秒脈沖信號來實現各個測點暫態零序電流數據的同步采樣，然后，將采集的數據上傳至主機。

1．4 故障支路定位

小電流接地系統發生單相接地故障時，故障線路上流過的零序電流等于其他非故障線路對地電容電流之和，幅值較大。為此，通過比較變電站各出線出口處測點的暫態零序電流幅值的大小來選出故障線路[14]。

將一個測點暫態零序電流的所有采樣值的集合作為一個向量，稱為該測點的暫態零序電流向量。暫態零序電流幅值I0的計算公式為

式中:N為暫態零序電流向量中元素個數，i0j表示暫態零序電流向量中第j個元素。

以圖1線路a為例，將線路a的所有零序電流測點按從電源側指向負荷側的方向依次編號，形成線路a的起點標識向量為

采用測點關聯矩陣來描述線路各個測點之間的相鄰關系。測點關聯矩陣S的元素sij定義為:從電源側指向負荷側的方向，當測點i位于測點j的上游，且測點 i和測點 j相鄰時，則 sij=1;否則，sij=0。從而可以得到以線路a的測點關聯矩陣為

確定故障支路的算法以變電站各條出線的起始測點標識向量和測點關聯矩陣為輸入量，具體描述如下:

1)獲取變電站各個測點暫態零序電流向量，比較各條線路出線處測點暫態零序電流幅值的大小，幅值較大的為故障線路。

2)在故障線路上，非故障路徑測點的暫態零序電流與非故障線路測點的暫態零序電流的方向相同，而故障路徑測點的暫態零序電流與非故障線路測點的暫態零序電流的方向相反。因此，提出將故障線路各個測點的暫態零序電流向量與下一條非故障線路出線處測點的暫態零序電流向量做內積運算，得到故障路徑標識向量e。定義故障路徑標識向量e的長度與起始節點標識向量r一致，其元素與向量r元素存在對應關系。當故障線路測點i的暫態零序電流向量與非故障線路出線處測點的暫態零序電流向量內積為負時，則ei=1;否則，ei=0。

3)從向量e的第一個元素開始查找，找到e中值為1的最后一個元素，設為ek，則測點k為故障支路的起始測點。

4)將故障線路的測點關聯矩陣中的元素skk置1，然后，查找skk所在行的元素，若存在skj=1，則說明故障支路在測點k和j之間;若其他元素均為0，則說明故障支路在測點k的下游。

2 仿真實例

以圖1所示系統為例，利用Matlab進行仿真。為了使仿真更接近實際電力系統，采用電纜—架空線混合線路。架空線路參數為

電纜線路參數為

變壓器35/10 kV，采用Δ/Y接線;在消弧線圈接地系統仿真時，系統設為8%過補償。采樣頻率為105Hz，采集故障發生后5 ms的數據。

2．1 仿真算例1

如圖1所示，當f1點在0.005 s發生單相接地故障時，過渡電阻R=100 Ω，補償度為8%時，各線路出口處暫態零序電流如圖2所示。

圖2 各線路出口處暫態零序電流波形圖

從圖2波形可以看到，線路a、b、c出口處零序電流幅值分別為8.676 6、5.741 3、3.175 6 A。由此可見，線路a為故障線路，線路b、c為非故障線路。測點4a、5a和測點1b的暫態零序電流如圖3所示。

圖3 測點4a、5a和測點1b的暫態零序電流波形

從圖3可以看到，在故障線路上，非故障路徑測點(5a)的暫態零序電流與非故障線路測點(1b)的暫態零序電流的方向相同，而故障路徑測點(4a)的暫態零序電流與非故障線路測點(1b)的暫態零序電流的方向相反。

線路a的測點關聯矩陣和起始測點標識向量如前所述，線路a各個測點暫態零序電流向量與下一條線路出口處(測點1b)暫態零序電流向量的內積如表1所示。

表1 線路a各個測點暫態零序電流向量與測點1b暫態零序電流向量的內積 ×104

則線路a的故障路徑標識向量為e=[1 1 0 1 0 0 0 0]，修改后的線路a的測點關聯矩陣為

由此可以判斷出測點4a和測點5a(6a)之間的支路發生單相接地故障。

2．2 仿真算例2

如圖1所示，當f2點在0.01 s發生單相接地故障，過渡電阻R=1 000 Ω，補償度為7%時，線路a、b、c出口處暫態零序電流幅值分別為 0.710 9、0.953 9、0.367 6 A。由此可見，線路b為故障線路，線路a、c為非故障線路。

線路b的測點關聯矩陣Sb和起始測點標識向量rb為

線路b各個測點暫態零序電流向量與下一條線路出口處(測點1c)暫態零序電流向量的內積如表2所示。

表2 線路a各個測點暫態零序電流向量與測點1b暫態零序電流向量的內積

線路b的故障路徑標識向量為 e=[1 0 1 0 0 0]，則修改后的線路b的測點關聯矩陣為

由此可以判斷，測點3b和測點4b之間的支路發生單相接地故障。

3 結語

本文研究10 kV配電網小電流接地系統單相接地故障定位的問題。首先，通過裝有GPS模塊的零序電流測量裝置實現各個測點暫態零序電流的同步采樣，以獲取故障特征信息。然后，提出了確定故障支路相關測點的算法。最后，通過仿真算例表明本文提出的確定故障支路相關測點算法的定位準確性。

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