中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法的研究

孫冬兵

(中利騰暉共和新能源有限公司，青海 海南藏族自治州 813000）

目前在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位當(dāng)中，使用比較廣泛的一種定位方法即為離線定位法，但隨著我國配電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，及其智能化程度的不斷提升，離線定位中故障定位遲滯的弊端暴露無遺。因此，尋找一種新的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法，縮短故障位置確定的時(shí)間，將停電的可能性降至最低已經(jīng)成為當(dāng)前電力行業(yè)必須解決的關(guān)鍵問題之一。基于此，本文將通過著重圍繞中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法進(jìn)行簡(jiǎn)要分析研究。

1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障原理及特征分析

1.1 故障原理

電網(wǎng)在正常運(yùn)行情況下，其三相對(duì)地電壓基本上處于相互對(duì)稱的狀態(tài)，此時(shí)中性點(diǎn)對(duì)低電壓值逼近零值。三相對(duì)地等值電容完全一致時(shí)，受到相電壓的作用，各相電容電流值完全相等，而在這一過程中木箱零序電流值也基本為零。但此時(shí)如果中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地，則原本相互對(duì)稱的三相對(duì)地通路將發(fā)生相應(yīng)變化，此時(shí)中性點(diǎn)電壓也會(huì)隨之出現(xiàn)偏移的情況。考慮到中性點(diǎn)本身不接地，因此，一旦中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障，無論是正序網(wǎng)絡(luò)還是負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，皆沒有相應(yīng)的對(duì)地回路，此時(shí)，零序電流將成為故障電流，而線路中的對(duì)地電容將構(gòu)成整個(gè)零序故障線路網(wǎng)絡(luò)。

1.2 故障特征

相關(guān)資料顯示，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，如果故障相對(duì)低電壓為零，則與之相對(duì)應(yīng)的非故障相對(duì)地電壓將會(huì)在原有基礎(chǔ)上增加倍，此時(shí)線電壓雖處于對(duì)稱狀態(tài)，但中性點(diǎn)電壓將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，并轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚯妷骸６b于在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的故障電流比較小，因此，總體來看三線電壓仍然能夠在一定程度上保持一種相對(duì)對(duì)稱狀態(tài)，此時(shí)，工作人員只需盡快解決單相接地故障即可，無需進(jìn)行保護(hù)跳閘操作，從而可以有效提升供電的穩(wěn)定性。此外，也有研究人員發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)單相接地故障前后，線路零序電流擁有不同的相位特征。在故障點(diǎn)前，零序電壓超前零序電流90°，而在故障點(diǎn)后零序電壓便會(huì)滯后零序電流90°。與此同時(shí)，接地電阻具有一定的獨(dú)立性，也就是說無論接地電阻發(fā)生何種變化，均不會(huì)對(duì)零序電流相位關(guān)系產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。因此，對(duì)于零序電流相位關(guān)系而言，線路的具體長(zhǎng)度將是影響其相位關(guān)系的根本要素。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位方法

2.1 故障定位矩陣算法

本文在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位研究當(dāng)中所使用的矩陣算法，是一種建立在圖論知識(shí)基礎(chǔ)上，通過充分結(jié)合配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與故障信息，依托部分矩陣操作完成故障定位的方法。在使用這一算法進(jìn)行故障定位的過程中，工作人員首先應(yīng)當(dāng)立足實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過將故障區(qū)段以及故障檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)連接，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣，而后根據(jù)具體故障信息形成一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的矩陣，最后，對(duì)故障具體位置進(jìn)行科學(xué)判定。現(xiàn)階段我國各城市地區(qū)通常會(huì)以輻射狀或是環(huán)狀方式安裝敷設(shè)配電網(wǎng)饋線，而此種接線方式下，配電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障的可能性相對(duì)較高，但幾乎不會(huì)出現(xiàn)兩點(diǎn)同時(shí)接地的故障。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況，宋秀芳（2017）在連接支路與開關(guān)的過程中借用了有向圖法，并將1和0作為故障信息元素，進(jìn)而有效排除可能會(huì)干擾判斷線路結(jié)構(gòu)的一切因素。通過將矩陣算法和零序電流比相法進(jìn)行相互結(jié)合，在率先處理檢測(cè)點(diǎn)獲取的零序電流基礎(chǔ)之上，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)和各個(gè)故障區(qū)段之間的具體關(guān)系，建立相應(yīng)的故障信息矩陣，即可有效完成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位。

2.2 連接區(qū)段與檢測(cè)點(diǎn)

鑒于當(dāng)前我國絕大多數(shù)配電網(wǎng)饋線呈輻射狀，因此，通過將檢測(cè)零序電流的各個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝在每一條出線位置上，終點(diǎn)則為各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。通過對(duì)線路進(jìn)行區(qū)段劃分后即可將區(qū)段和各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相互連接，從而構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣。如果在配電網(wǎng)線路當(dāng)中總共設(shè)置了M1、M2、M3、M4、M5、M6這六個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，且每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的區(qū)段S，則構(gòu)建起的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣可以用AM×N進(jìn)行表示，其中M和N分別代表被劃分的區(qū)段數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)數(shù)。而aij則為該網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣當(dāng)中的一個(gè)元素，并且有：

2.3 構(gòu)建故障信息矩陣

如果用n表示節(jié)點(diǎn)數(shù)，則通過根據(jù)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中獲取的零序電流值，可以構(gòu)建故障信息矩陣，進(jìn)而對(duì)零序電流相位信息進(jìn)行明確展示。此時(shí)所建立起的故障信息矩陣為一n維列向量，而作為故障信息矩陣中元素之一的bi，在零序電流超前零序電壓90°的情況下為零值，反之如果零序電流滯后零序電壓90°，則該故障信息矩陣元素值為1。而為有效排除其他元素對(duì)網(wǎng)絡(luò)矩陣和元素計(jì)算的干擾影響，在構(gòu)建的故障信息矩陣當(dāng)中只有兩個(gè)元素，分別為0和1。

2.4 判斷具體故障區(qū)段

通過將之前構(gòu)建的兩個(gè)矩陣相乘后，可以獲得能夠?qū)χ行渣c(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的矩陣。當(dāng)這一矩陣中的元素fi的值為1時(shí)，代表與i值相對(duì)應(yīng)的區(qū)段為存在單相接地故障的區(qū)段，而如果在這一矩陣中，元素fi的值為零，則表明與i相對(duì)應(yīng)的區(qū)段運(yùn)行正常，不存在單相接地故障情況。事實(shí)上在實(shí)際運(yùn)行的過程中，由于受到接線方式的影響，配電網(wǎng)出線大多呈現(xiàn)為一種輻射狀態(tài)，而這也意味著如果在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地故障，則有且僅有一條故障路徑，且該故障路徑的起始點(diǎn)和終點(diǎn)分別為變電站和故障點(diǎn)。此時(shí)工作人員通過結(jié)合線路當(dāng)中零序電流的具體情況，將對(duì)應(yīng)故障路徑中檢測(cè)點(diǎn)的故障信息設(shè)置為1，將對(duì)應(yīng)非故障路徑中檢測(cè)點(diǎn)的故障信息設(shè)置為零。而在檢測(cè)點(diǎn)前時(shí)區(qū)段和節(jié)點(diǎn)中間位置處的故障區(qū)段，其關(guān)聯(lián)值為1；在檢測(cè)點(diǎn)后時(shí)區(qū)段和節(jié)點(diǎn)中間位置處的故障區(qū)段，其關(guān)聯(lián)至為-1，只有當(dāng)故障區(qū)段當(dāng)中流入故障電流，但電流不流出的情況下，與之相對(duì)應(yīng)的故障判斷矩陣值才會(huì)為1。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為有效檢驗(yàn)矩陣算法和零序電流比相法相結(jié)合的，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障定位法是否真實(shí)可行，本文通過采用仿真實(shí)驗(yàn)的方式，利用專業(yè)的仿真軟件模擬建立其一個(gè)10kV的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在該系統(tǒng)當(dāng)中分別建立了兩條80km長(zhǎng)的非故障線路和10個(gè)故障線路支路。在保持線路零序分布參數(shù)不變的情況下，通過依次在故障線路中設(shè)置M1、M2、M3、M4、M5這五個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并且保障每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的區(qū)段，在此基礎(chǔ)上通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣，并依次在不同區(qū)段當(dāng)中設(shè)置接地電阻為2Ω的單相接地故障。此時(shí)實(shí)驗(yàn)人員可以準(zhǔn)確獲取五組不同的零序電流相位數(shù)據(jù)，譬如說在區(qū)段1當(dāng)中，五個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的相位差分別為-90.247°、89.973°、89.976°、89.970°以及89.969°，故障信息和故障判斷矩陣相同，均為[1 0 0 0 0 ]T,因此通過對(duì)信息數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探究，可知區(qū)段1位置處確實(shí)存在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障。

4 結(jié)語

本文通過提出在確定中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障位置的過程中，結(jié)合實(shí)際情況靈活運(yùn)用矩陣算法等相關(guān)方法，進(jìn)而通過計(jì)算關(guān)聯(lián)矩陣、鎖定故障區(qū)段等方式準(zhǔn)確判斷具體的故障位置。而經(jīng)過隨后的仿真實(shí)驗(yàn)，證明了這一故障定位方法的可行性和有效性。因此，對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行判斷時(shí)，工作人員還需要秉持著具體問題具體分析的原則，通過將矩陣算法、零序電流比相法等進(jìn)行有機(jī)融合，從而快速縮短故障位置的確定時(shí)間，并有效提升鎖定故障位置的精確性，為后期運(yùn)維工作奠定良好基礎(chǔ)。

[1]唐傳佳，魏曼榮，朱匯靜. 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式的研究[J]. 上海電氣技術(shù)，2017,10(01):64-67.

[2]宋秀芳. 基于廣域相量測(cè)量的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障區(qū)段定位研究[J]. 電氣技術(shù)，2017,(02):46-48,88.

[3]張宏源. 中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)故障定位方法概論[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家，2013,(01):112-113.