小電流接地系統(tǒng)故障定位方法綜述

蘇宏升，張?jiān)糯?2

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.國(guó)網(wǎng)慶陽(yáng)供電公司,甘肅慶陽(yáng)745000)

小電流接地系統(tǒng)故障定位方法綜述

蘇宏升1，張?jiān)糯?,2

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.國(guó)網(wǎng)慶陽(yáng)供電公司,甘肅慶陽(yáng)745000)

介紹了國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的現(xiàn)狀和小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了小電流接地系統(tǒng)故障定位的方法，深入分析了定位原理，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。指出了當(dāng)前小電流接地故障定位存在的主要問(wèn)題，并給出了小電流接地故障定位研究的幾點(diǎn)建議。

電力系統(tǒng)；中性點(diǎn)接地方式；小電流接地系統(tǒng)；單相故障；故障定位

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式可以分為兩大類：大電流接地系統(tǒng)(中性點(diǎn)有效接地)和小電流接地系統(tǒng)(中性點(diǎn)非有效接地)[1]。小電流接地系統(tǒng)有中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高阻抗接地三種方式。

受傳統(tǒng)因素和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的影響，每個(gè)國(guó)家的配電網(wǎng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式不盡相同。美國(guó)中壓電網(wǎng)以大電流接地方式為主，法國(guó)中壓電網(wǎng)大多采用諧振接地方式，英國(guó)電網(wǎng)以中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式為主，我國(guó)3～66 kV電力系統(tǒng)大多數(shù)采用的是中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式。小電流接地系統(tǒng)的故障主要是單相接地短路故障，發(fā)生單相接地后，故障相對(duì)地電壓降低，非故障相的相電壓升高，但線電壓卻依然對(duì)稱，因而不影響對(duì)用戶的連續(xù)供電，系統(tǒng)可運(yùn)行1～2 h，這也是小電流接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)。但是若電網(wǎng)單相接地故障不能排除而長(zhǎng)期運(yùn)行，因非故障的兩相對(duì)地電壓升高，可能引起絕緣的薄弱環(huán)節(jié)被擊穿，進(jìn)一步擴(kuò)大為相間短路故障，對(duì)電力系統(tǒng)造成重大損失。因此，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的研究對(duì)提高供電可靠性、確保設(shè)備安全具有十分重要的意義。

由于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的故障信號(hào)微弱、故障電弧不穩(wěn)定，其故障點(diǎn)定位問(wèn)題一直困擾著供電部門(mén)，很多供電部門(mén)至今仍采用人工巡檢法確定故障位置。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在小電流接地系統(tǒng)故障定位上做了大量卓有成效的工作。本文詳細(xì)闡述了小電流接地系統(tǒng)故障定位的方法，分析了其定位原理，并介紹了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 小電流接地系統(tǒng)故障定位方法

1.1 阻抗法

阻抗法故障測(cè)距的原理是通過(guò)求解電壓電流平衡方程，得到測(cè)量端與故障點(diǎn)之間的線路阻抗值，再利用單位阻抗折算出故障距離。阻抗法有單端和雙端測(cè)距兩種，單端法是根據(jù)測(cè)量端的電流、電壓關(guān)系，消去中間變量得到故障距離的表達(dá)式；雙端法是根據(jù)線路兩端的電流、電壓關(guān)系列出電壓方程，從而求得故障距離。雙端電源系統(tǒng)單相接地故障的集中參數(shù)等值電路如圖1所示。

圖1 雙端電源系統(tǒng)單相接地故障集中參數(shù)等值電路

阻抗法故障測(cè)距硬件投資小，易于實(shí)現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路的故障定位，但其受故障過(guò)渡阻抗的影響較大，測(cè)量精度不高，其中雙端阻抗法需要時(shí)間同步裝置，目前主要采樣GPS實(shí)現(xiàn)兩端時(shí)間信號(hào)的同步。

1.2 注入信號(hào)尋跡法

注入信號(hào)尋跡法簡(jiǎn)稱注入法，在發(fā)生接地故障后，利用信號(hào)注入裝置通過(guò)電壓互感器(TV)向故障線路注入特定頻率的信號(hào)，注入信號(hào)會(huì)沿著故障線路由故障點(diǎn)流入大地，使用信號(hào)探測(cè)器對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)，有注入信號(hào)流過(guò)的線路即為故障線路，再利用探測(cè)裝置對(duì)故障線路沿線查找得到故障點(diǎn)位置。

注入法不需要在線路上裝設(shè)電流互感器(TA)，不受消弧線圈的影響，但需要裝設(shè)信號(hào)注入設(shè)備且使用信號(hào)探測(cè)器進(jìn)行沿線檢測(cè)需要花費(fèi)大量的時(shí)間，該方法不能有效地檢測(cè)間歇性接地故障。針對(duì)絕緣恢復(fù)問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]提出向故障相外加直流高壓使接地點(diǎn)保持擊穿狀態(tài)，再注入交流信號(hào)，交流信號(hào)的消失點(diǎn)即為故障點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]提出了脈沖信號(hào)注入法，為有效解決傳統(tǒng)注入法面臨的注入信號(hào)頻率高且線路對(duì)地電容存在分流現(xiàn)象的難題提供了思路。

1.3 零序電流比較法

零序電流比較法分為幅值法和相位法兩種，是利用故障點(diǎn)上、下游檢測(cè)點(diǎn)零序電流幅值和方向的不同進(jìn)行故障定位。

小電流接地系統(tǒng)一旦某條出線發(fā)生單相接地短路，非故障相的對(duì)地電壓就會(huì)升高，并產(chǎn)生很大的暫態(tài)零序故障電流。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，故障點(diǎn)上游的檢測(cè)點(diǎn)處的零序電流是所有非故障線路對(duì)地分布電容電流與該檢測(cè)點(diǎn)到母線區(qū)段的分布電容電流之和，方向由線路指向母線，即滯后零序電壓90°；故障點(diǎn)下游的檢測(cè)點(diǎn)處的零序電流為該檢測(cè)點(diǎn)到線路負(fù)荷終端的對(duì)地分布電容電流，方向與故障點(diǎn)上游的檢測(cè)點(diǎn)處零序電流的方向相反，即超前零序電壓90°。因此，故障點(diǎn)兩側(cè)的零序電流方向相反，故障點(diǎn)同側(cè)的零序電流幅值相差不大，零序電流幅值最大的檢測(cè)點(diǎn)的下游區(qū)段即為故障區(qū)段。圖2中以L2線路A相接地為例，畫(huà)出了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)零序電流分布情況。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)零序電流分布圖

圖2所示系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，故障相的對(duì)地電壓為零，電容電流也為零；非故障線路L1出現(xiàn)的零序電流為本線路非故障相的電容電流之和，即，方向?yàn)槟妇€指向線路。故障線路L2的故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)的零序電流，方向?yàn)榫€路指向母線；故障點(diǎn)下游檢測(cè)點(diǎn)的零序電流，方向?yàn)槟妇€指向線路末端。

零序電流比較法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，但受中性點(diǎn)運(yùn)行方式的限制，僅適應(yīng)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]基于零序電流實(shí)測(cè)值與通過(guò)零序電壓求得的計(jì)算值的差值，提出了利用零序電流比例增量法進(jìn)行故障定位的方法。

1.4 行波法

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生向故障點(diǎn)兩端傳播的電壓電流暫態(tài)行波，暫態(tài)行波在傳遞過(guò)程中遇到不連續(xù)阻抗時(shí)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，行波法就是利用同一波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的不同時(shí)刻列寫(xiě)方程求得故障距離。行波測(cè)距分為單端行波測(cè)距和雙端行波測(cè)距兩種。

單端行波測(cè)距是利用發(fā)生故障時(shí)母線端測(cè)量到的第一個(gè)電壓或電流行波與故障點(diǎn)反射波的時(shí)間差來(lái)計(jì)算母線到故障點(diǎn)的距離，圖3所示為A型行波測(cè)距原理圖。

圖3 A型行波測(cè)距原理圖

雙端行波測(cè)距是利用線路兩端檢測(cè)到的首個(gè)故障行波電壓、電流波頭的時(shí)間差來(lái)計(jì)算母線到故障點(diǎn)的距離，圖4所示為D型行波測(cè)距原理圖。

圖4 D型行波測(cè)距原理圖

單端行波測(cè)距成本較低，具有較高的準(zhǔn)確性，但需要檢測(cè)的第二個(gè)波頭(故障點(diǎn)反射波)容易與對(duì)端母線的透射波混淆，準(zhǔn)確識(shí)別故障點(diǎn)反射波是單端行波測(cè)距的難點(diǎn)。雙端行波測(cè)距具有較高的可靠性，但需要在線路兩端裝設(shè)檢測(cè)裝置和時(shí)間同步裝置，成本較高。文獻(xiàn)[5]提出一種利用發(fā)生故障后暫態(tài)行波的波頭計(jì)算波頭對(duì)應(yīng)距離的行波測(cè)距方法；文獻(xiàn)[6]引入桿塔定位思想，提出了一種與線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的雙端測(cè)距新方法；文獻(xiàn)[7]提出通過(guò)變壓器傳變電壓行波的方法，解決了線路末端信號(hào)不易獲取的難題；文獻(xiàn)[8]借鑒行波能量的思想，通過(guò)能量比計(jì)算行波波頭時(shí)差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障定位。

1.5 相關(guān)法

相關(guān)法是根據(jù)相關(guān)性原理，通過(guò)判斷相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零模電流相關(guān)性確定故障區(qū)間的故障定位方法。圖5為中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)零模電流分布情況。

圖5 中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)零模電流分布圖

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，相當(dāng)于在故障點(diǎn)處附加一個(gè)虛擬電源，在此電源的作用下，MN區(qū)間暫態(tài)零模電流的方向?yàn)镹流向M，PQ區(qū)間暫態(tài)零模電流的方向?yàn)镻流向Q，因此MN與PQ區(qū)間的零模電流初始極性相反，不具有相似性。M、N、P、Q處的零模電流滿足：

相關(guān)法故障定位，不受中性點(diǎn)接地方式的影響，但相鄰點(diǎn)暫態(tài)零模電流必須是同步的，因此要對(duì)采集信號(hào)裝置進(jìn)行同步化處理。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用暫態(tài)零模功率相關(guān)性確定故障區(qū)間的故障定位方法；文獻(xiàn)[10]提出利用小波變換后波形相關(guān)性進(jìn)行故障測(cè)距的方法。

1.6 中電阻法

中電阻法是指在發(fā)生接地故障后的系統(tǒng)中性點(diǎn)投入一中值電阻，故障線路接地相與系統(tǒng)母線間會(huì)形成人為的故障電流，此故障電流在故障點(diǎn)上游可以檢測(cè)到，而健全線路和故障點(diǎn)下游檢測(cè)不到此故障電流，因此，可以通過(guò)檢測(cè)這一人為的故障電流實(shí)現(xiàn)故障定位。

中電阻法適用于諧振接地系統(tǒng)，但人為故障電流的形成對(duì)系統(tǒng)存在安全隱患，中性點(diǎn)投入電阻的設(shè)計(jì)較為困難。

1.7 五次諧波法

五次諧波法通過(guò)檢測(cè)接地故障系統(tǒng)健全線路與故障點(diǎn)前、后支路的五次諧波零序電壓、電流的幅值和相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)故障定位。

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，健全線路的五次諧波零序電容電流是該線路的零序電流，方向?yàn)槟妇€流向線路；故障線路的五次諧波零序電流在數(shù)值上等于系統(tǒng)健全線路五次諧波電容電流之和，其方向?yàn)榫€路流向母線，即滯后五次諧波零序電壓90°，與健全線路五次諧波零序電流方向相反。假設(shè)某中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)為三條線路，其發(fā)生單相接地故障后的五次諧波零序電流相量圖如圖6所示。

圖6 五次諧波零序電流相量圖

由于五次諧波幅值較小，導(dǎo)致信號(hào)的檢測(cè)難度增大，因此，五次諧波法在接地故障定位的使用受到限制。

1.8 基于人工智能和數(shù)學(xué)工具的故障定位

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)，許多人工智能算法和數(shù)學(xué)工具被引入到配電網(wǎng)故障定位中，如遺傳算法、粗糙集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、小波分析等。人工智能算法和數(shù)學(xué)工具的引入，對(duì)微弱特征信號(hào)的提取和判別起到了至關(guān)重要的作用，文獻(xiàn)[11]結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和奇異性檢測(cè)原理提出了一種配電網(wǎng)單相斷線故障定位方法。目前，基于人工智能和數(shù)學(xué)工具的故障定位方法盡管在理論、仿真方面取得了重大成果，但還沒(méi)有大量投入到實(shí)際應(yīng)用中。

2 小電流接地系統(tǒng)故障定位存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障穩(wěn)態(tài)信號(hào)微弱，穩(wěn)態(tài)電流一般小于20 A，使得故障信號(hào)的判別提取較為困難，人工智能和數(shù)學(xué)工具的引入在一定程度上提高了故障特征提取的可靠性、準(zhǔn)確性，但仍處于起步階段，距離大量投入實(shí)際應(yīng)用還需要一段時(shí)間。故障零模分量的檢測(cè)需要在沿線安裝零模電壓、電流互感器或三相電流互感器，這不僅增大了投資，還容易產(chǎn)生電磁諧振等安全隱患。目前許多故障定位方法都是在假設(shè)故障點(diǎn)的接地電阻恒定，故障信號(hào)不受其它因素干擾的理想情況下提出的，實(shí)際上故障點(diǎn)的接地電阻和故障信號(hào)都具有一定的隨機(jī)性，是多種因素共同作用的結(jié)果。因此，在以后的小電流接地系統(tǒng)故障定位研究上要著重解決以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)對(duì)小電流接地故障特征進(jìn)行深入分析，不斷完善故障信息；(2)多種故障特征和故障檢測(cè)方法融合使用，進(jìn)一步提高小電流接地故障定位的準(zhǔn)確性；(3)加快小電流接地故障定位理論研究成果與實(shí)踐產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，使人工智能和數(shù)學(xué)工具等故障定位方法大面積推廣使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

配電網(wǎng)故障定位對(duì)提高供電可靠性具有重要的意義，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量卓有成效的工作，取得了一系列重大成果。本文詳細(xì)介紹了阻抗法、零序電流比較法、行波法、相關(guān)法、注入信號(hào)尋跡法、中電阻法、五次諧波法、人工智能算法等小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法，分析、比較了各種故障定位方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，概括了故障定位目前面臨的技術(shù)難題，并對(duì)故障定位的研究方向進(jìn)行了展望。

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A review on fault location methods of small current grounding systems

SU Hong-sheng1,ZHANG Yun-chuan1,2

For power systems at home and abroad,the status of neutral grounding mode and the characteristics of single phase fault in small current grounding system were presented; the fault location methods of small current grounding systems were elaborated;the fault location principle was analyzed;the advantages and disadvantages of various methods were compared. The main problems of fault location in small current grounding systems were pointed out,and some suggestions on the research of small current grounding fault location were given out.

power system;neutral grounding mode;small current grounding system;single-phase fault;fault location

TM 712

A

1002-087 X(2015)04-0867-04

2014-09-02

蘇宏升(1969—)，男，甘肅省人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樽匀挥?jì)算及認(rèn)知科學(xué)及其在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的應(yīng)用，電力設(shè)備智能故障診斷及可靠性研究，濾波及非線性負(fù)荷預(yù)測(cè)和電氣化鐵道無(wú)功補(bǔ)償?shù)龋粡堅(jiān)糯?1988—)，男，甘肅省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。