一種基于DTU的配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)和定位方法

杜東威，許永軍，金紅衛(wèi)

（1.長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057；2.國(guó)網(wǎng)浙江上虞市供電公司，浙江 上虞 312300）

0 引言

我國(guó)的10kV配電網(wǎng)大部分是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的電流很小，并且三相之間的線電壓仍然保持對(duì)稱，對(duì)負(fù)荷的供電沒(méi)有影響，因此規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，而不必立即跳閘。但是單相接地故障發(fā)生之后，健全相電壓要升高倍[1]，個(gè)別情況下，接地電容電流可能引起故障點(diǎn)電弧飛越，瞬時(shí)出現(xiàn)過(guò)電壓，導(dǎo)致絕緣被擊穿，進(jìn)一步發(fā)展為兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地故障[2]。所以，準(zhǔn)確、快速地定位接地點(diǎn)并排除故障，對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

現(xiàn)有處理單相接地故障的主流方法是：通過(guò)10kV變電站的選線裝置選出故障線路，或通過(guò)“試?yán)钡姆椒ǎ_定故障線路；用巡線的方法找到故障點(diǎn)。但是，配電網(wǎng)線路錯(cuò)綜復(fù)雜，有的是長(zhǎng)達(dá)幾十千米的架空線，有的是電纜、架空混合線，有的是直接通往小區(qū)配電房的負(fù)荷線，有的是不同環(huán)網(wǎng)柜之間的電源聯(lián)絡(luò)線。所以，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于故障點(diǎn)難以準(zhǔn)確定位，往往延誤了事故處理時(shí)機(jī)，造成故障的擴(kuò)大，進(jìn)一步發(fā)展為相間短路，或損壞電氣設(shè)備[2]。

配電網(wǎng)安裝了自動(dòng)化終端后，可以借助終端的采樣和主站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)與定位。但是，現(xiàn)在大多數(shù)的終端僅通過(guò)傳統(tǒng)的“零序穩(wěn)態(tài)量”[3]或“方向元件”[4]判據(jù)去檢測(cè)單相接地故障。由于不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，所表現(xiàn)的特征不同，傳統(tǒng)的“零序穩(wěn)態(tài)量”和“方向元件”判據(jù)在配電網(wǎng)不具有通用性，且因零序電流較小，線路拓?fù)鋸?fù)雜，零序電流整定困難等原因，單相接地故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率仍然很低。

提出一種基于DTU（配電網(wǎng)終端）的單相接地故障檢測(cè)和定位方法，可有效解決單相接地故障判斷和定位困難的問(wèn)題。

1 單相接地故障分析

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)配電網(wǎng)示意圖中（見(jiàn)圖1），110kV變電站的10kV母線有3條10kV出線，其中線路L1上有2個(gè)環(huán)網(wǎng)單元。當(dāng)環(huán)網(wǎng)單元1的出線L1.3發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路的零序電流由線路流向母線，非故障線路的零序電流由母線流向線路，所以，零序電流的流向如圖中箭頭所示。

圖1 配電網(wǎng)單相接地故障

另外，當(dāng)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路的零序電流，其數(shù)值等于系統(tǒng)非故障線路對(duì)地電容電流之和（暫不考慮電源側(cè)元件），所以，有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中：I1c為L(zhǎng)1至L1.1段的線路對(duì)地電容電流。

在MATLAB軟件中按圖1建立仿真模型，在0.04 s時(shí)刻發(fā)生單相接地故障，各線路的仿真波形見(jiàn)圖 2—3。

圖2 變電站單相接地故障仿真波形

圖3 環(huán)網(wǎng)單元單相接地故障仿真波形

各線路在發(fā)生故障后的零序電流的穩(wěn)態(tài)量如表1所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式（1）與（2）的計(jì)算值相符。

根據(jù)仿真波形及數(shù)據(jù)，針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障，可以得出以下結(jié)論。

（1）10kV變電站出線滿足：故障線路的零序電流穩(wěn)態(tài)量最大。

（2）環(huán)網(wǎng)單元出線滿足：故障線路的零序電流穩(wěn)態(tài)量最大，且大于變電站出線的故障線路零序電流。

（3）環(huán)網(wǎng)單元出線的故障首半波[5]波形仍滿足：故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相反（Io1.1，Io1.3，Uo），非故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相同（Io1.2，Io1.4，Io1.5，Uo）。

表1 單相接地故障量值

（4）環(huán)網(wǎng)單元的故障線路Io1.3與電源進(jìn)線Io1.1數(shù)值相差不大，特別是在出線線路長(zhǎng)度較短時(shí)，相差更小。

2 接地故障定位方法

2.1 基于DTU的接地故障檢測(cè)與定位

經(jīng)過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配電網(wǎng)的某一個(gè)分支線發(fā)生故障時(shí)，對(duì)于一個(gè)環(huán)網(wǎng)單元來(lái)說(shuō)，存在著與變電站出線相同的故障現(xiàn)象。所以，完全可以基于這個(gè)故障現(xiàn)象，將單相接地故障進(jìn)一步鎖定到具體的某個(gè)環(huán)網(wǎng)單元中。

在配電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)單元中配置DTU，可以采集整個(gè)環(huán)網(wǎng)單元中所有線路的信息，給單相接地故障的故障定位提供了可能。

如圖4所示，環(huán)網(wǎng)單元1和環(huán)網(wǎng)單元2均為“1進(jìn)4出”，共5條線路的環(huán)網(wǎng)柜，分別配置1臺(tái)DTU，采集5條線路的交流量和開(kāi)關(guān)量信息。可以實(shí)現(xiàn)基于DTU的單相接地故障檢測(cè)與定位。

圖4 配電網(wǎng)單相接地故障定位

2.2 線路屬性判斷

配電網(wǎng)線路存在著負(fù)荷轉(zhuǎn)供的情況，不同的時(shí)段，線路的潮流方向可能也不相同，但是，可以根據(jù)功率方向來(lái)確定該線路目前是電源進(jìn)線，還是負(fù)荷出線。

定義線路的正方向?yàn)椋壕€路功率方向由母線流向線路，反方向?yàn)椋壕€路的功率方向由線路流向母線。當(dāng)各線路處于正常運(yùn)行狀態(tài)（非故障狀態(tài)）時(shí)，判別各線路的功率方向，當(dāng)滿足正方向判據(jù)時(shí)，延時(shí)5 s判斷該線路為“負(fù)荷出線”，相反，判斷該線路為“電源進(jìn)線”，線路屬性判斷邏輯見(jiàn)圖5。

圖5 線路屬性判斷邏輯

2.3 啟動(dòng)判據(jù)

當(dāng)環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)母線零序電壓大于18 V，且任一線路的零序電流大于啟動(dòng)定值時(shí)，啟動(dòng)單相接地故障定位邏輯，該定值以變電站10kV出線為單位，整定值iset與變電站10kV出線保護(hù)的零序過(guò)流保護(hù)相同：

式中：i0i為該環(huán)網(wǎng)單元所屬的10kV線路的對(duì)地電容電流；i0∑為變電站10kV母線上其他所有線路的對(duì)地電容電流之和。

式（4）的含義是，啟動(dòng)電流定值需小于或等于本線路接地時(shí)的故障電流，并且大于本線路非接地時(shí)的零序電流。一條10kV線路上的所有環(huán)網(wǎng)單元均可以整定此相同的啟動(dòng)定值。啟動(dòng)判據(jù)如圖6所示。

圖6 單相接地故障啟動(dòng)邏輯

2.4 單相接地故障檢測(cè)與定位

當(dāng)啟動(dòng)條件滿足時(shí)，DTU開(kāi)始對(duì)環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)的各條線路的零序電流大小進(jìn)行排序，并上報(bào)排序結(jié)果，如圖4中示例，F(xiàn)1處故障時(shí)的故障排序的結(jié)果為：

當(dāng)DTU完成對(duì)各條線路的零序電流排序之后，結(jié)合各線路的屬性，對(duì)單相接地故障進(jìn)行最終定位，定位邏輯見(jiàn)圖7。

圖7 單相接地故障定位邏輯

當(dāng)故障電流最大的線路為“電源進(jìn)線”時(shí)，判定為母線接地故障，當(dāng)故障電流最大的線路為“負(fù)荷出線”時(shí)，判定為線路接地故障。然后DTU將故障判定結(jié)果就地顯示，并上送主站。

如圖4中示例，當(dāng)F1處發(fā)生單相接地故障后，零序電流最大的線路為Io1.3，且Io1.3為“負(fù)荷出線”，則DTU顯示：“線路單相接地：L03”。當(dāng)F2處發(fā)生故障時(shí)，則選出零序電流最大的線路為Io1.1，因?yàn)镮o1.1為“電源進(jìn)線”，則DTU顯示：“母線單相接地”。

3 中性點(diǎn)消弧線圈接地的故障判斷

3.1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的故障

上節(jié)中以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的模型，介紹了基于DTU的單相接地故障定位方法。但是，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流很小[6]，有可能上述定位方法中的“啟動(dòng)判據(jù)”都無(wú)法滿足，所以，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的接地檢測(cè)無(wú)法用零序電流穩(wěn)態(tài)量作為判據(jù)，需尋找新的方法。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，盡管零序電流穩(wěn)態(tài)量很小，但是在發(fā)生接地故障的瞬間，各線路的零序電流的首半波波形滿足：故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相反，非故障線路上暫態(tài)零序電流與零序電壓的首半波相位相同。所以，針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)采用暫態(tài)判據(jù)[7]，DTU檢測(cè)各線路零序電流的首半波相位，并與零序電壓的首半波相位相比較，進(jìn)而確定故障線路。

3.2 單相接地故障檢測(cè)與定位

如圖4中F1處發(fā)生單相接地故障時(shí)，DTU判斷出：Io1.1和Io1.3的零序電流首半波相位與零序電壓相位相反，而其他線路均相同，則判斷Io1.1和Io1.3為故障線路。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障定位與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的故障定位稍有不同。當(dāng)DTU判斷出整個(gè)環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)既有“電源進(jìn)線”有接地故障，又有“負(fù)荷出線”有接地故障時(shí)，判定為線路發(fā)生了接地故障；當(dāng)整個(gè)環(huán)網(wǎng)單元內(nèi)之只有“電源進(jìn)線”有接地故障時(shí)，判定為母線接地，判據(jù)邏輯見(jiàn)圖8。

圖8 “首半波”判據(jù)邏輯

如圖4中F1處發(fā)生單相接地故障時(shí)，首半波比較邏輯判斷結(jié)果為：Io1.1和Io1.3為故障線路，但是Io1.1為“電源進(jìn)線”，Io1.3為“負(fù)荷出線”，所以，故障定位結(jié)果為：“線路單相接地：L03”；當(dāng)F2處發(fā)生單相接地故障時(shí)，首半波比較邏輯判斷結(jié)果為：Io1.1為故障線路，且Io1.1為“電源進(jìn)線”，所以，故障定位結(jié)果為：“母線接地”。

3.3 接地故障的綜合檢測(cè)

綜上所述，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用零序穩(wěn)態(tài)量啟動(dòng)，各線路綜合進(jìn)行零序電流幅值比較，然后結(jié)合線路屬性，確定故障位置。而中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用首半波相位比較，然后結(jié)合線路屬性，確定故障位置。綜合單相接地故障的檢測(cè)與定位的邏輯見(jiàn)圖9。

圖9 單相接地故障檢測(cè)邏輯

4 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)的大部分故障為單相接地故障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和找到故障點(diǎn)，可有效避免故障的惡化，大大提高供電的可靠性。但是，配電網(wǎng)線路錯(cuò)綜復(fù)雜，若一條配電網(wǎng)線路的每個(gè)支線都需要整定單相接地故障定值，工作量巨大，且若整定稍不合理，當(dāng)相鄰線路零序電流相差不大時(shí)，還會(huì)造成接地線路的誤判；另外，針對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，靠穩(wěn)態(tài)零序電流越限的判據(jù)來(lái)確定故障，實(shí)際意義甚微。

應(yīng)用基于DTU的單相接地故障檢測(cè)方法，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的一條10kV線路上的所有環(huán)網(wǎng)單元，僅需要整定同一條零序電流啟動(dòng)定值，且整定原則和變電站10kV出線的零序過(guò)流保護(hù)整定原則相同，通過(guò)各線路零序電流幅值排序的方法來(lái)確定故障線路。針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，采用“首半波”判據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)需整定定值。在確定故障線路之后，采用不同的定位方法將單相接地故障具體定位到一條母線或一條線路。相對(duì)現(xiàn)在配電網(wǎng)傳統(tǒng)的接地故障檢測(cè)方法，具有方法更加簡(jiǎn)便，更加合理和準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。

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