10 kV配電網故障在線監測和定位分析

何 毓，顧育濱，薛成頌，秦富云，陳 珍，王 飛

（1.海南電網有限責任公司，海南 海口 570100；2.海南電網有限責任公司瓊中供電局，海南 瓊中 572900）

0 引 言

在加快城市一體化建設和農村電網改造的大環境和大背景下，我國電力需求日益增高，對供電安全性和供電效率的要求也越來越嚴格。在大力發展城鄉經濟的同時，城鄉配網改造隨著農網和城網改造的進一步深入、電力電纜的廣泛投入以及新型配件設備的啟用，10 kV及以上高電壓等級的建設已基本完備，提升了自動化水平，使得調度管理和運行管理更加規范，大幅降低了配網故障率。通過研究10 kV電網故障暫態信息，分析線路模型的時域測距方法，可將故障暫態到穩態的全過程數據應用于配網電纜故障測距等領域，體現了暫態信息良好的應用價值。本文通過建立線路分布參數電路模型，提出了一種配網電纜單相接地故障雙端時域測距的算法，對10 kV配電網故障進行有效的在線監測和精準定位分析，能夠很好地保證電力系統安全穩定運行。

1 常見電力電纜故障類型及故障定位方法

1.1 常見電力電纜故障類型

常見10 kV配電網電纜故障類型較多，主要有低阻故障、開路故障以及高阻故障等。低阻故障一般是電纜相間或相對地絕緣較小，不符合電力規范要求而出現線路受損。線路絕緣電阻只有采用低壓脈沖法才能監測或測量出。低阻故障的故障電阻一般不大于40 Ω，低于電纜的波阻抗。短路故障是低阻故障的一種特例。當電纜相間或相對地絕緣電阻阻值符合電力規范要求，而終端配電點無線路電壓或者終端電壓正常無負載能力時，屬于開路故障。另外，配電線路中間出現明顯斷線也會造成配電網絡開路故障。對于高阻故障來說，它包括泄露性高阻故障和閃絡性高阻故障。

1.2 電力電纜故障監測和定位分析

電力電纜發生故障后，主要通過故障診斷、故障測距（粗測）、精準定點以及故障處理與測試等進行處理。首先，通過故障診斷測量電纜導電和絕緣等性能。其次，檢測和判斷故障的可能性，判別出故障的配網線，并初步辨識故障類型。再次，通過測量儀器對存在故障的配電線纜加載測試信號，在線測量和分析故障信息，判斷故障距離，稱為故障測距。最后，在測距基礎上，通過感應定點法、聲測定點法、同步定點法以及時差定點法等方法，精確測出故障點實際位置，并安排維修人員進行現場搶修[1]。

1.3 電力電纜故障測距方法

目前，對于10 kV配電網電纜故障的故障點定位，通用方法是采用故障定位檢測儀和故障指示器進行檢測。電纜線路的故障測距方法較多，主要采用離線理論和在線理論，主要方法為阻抗法和行波法。依據數據來源分類，主要分為單端法和雙端法。阻抗法分為直流電阻法和電容電橋法，行波法可分為脈沖電壓法、低壓脈沖發射法、二次脈沖法以及脈沖電流法等。當前由于光纖技術的廣泛應用，很多地方采用光纖電纜故障測距法。這種方法目前只應用于高阻接地故障測距，具有操作簡單、定位快速以及抗電磁干擾性強等優點。

電橋法主要用于低阻故障測距，是電纜故障測距的經典方法，行波法作為輸電線路故障測距的重要方法，應用較為廣泛。電橋法和行波測距的理論基礎都是將電纜看作一種分布式參數元件，不同的是電橋法把故障線纜與非故障線纜短接，利用調節電位器進行電阻的平衡性測量，而行波法則根據行波到達母線后反射到故障點再由故障點反射到達母線的時間差，或者根據行波初始波頭到達兩側母線的時間差進行測距。

根據行波延時原理，基于行波法傳統裝置又可分為A型測距裝置、B型測距裝置以及C型測距裝置3類。A型測距根據故障點產生的故障行波在測量點和故障點之間往返一次的時間和行波速度來確定故障點的距離。隨著研究的深入，許多學者利用測量點測量暫態故障分量產生的行波浪涌與故障點之間反射波的時延實現單端輸電線路測距，主要用于測量電纜的閃絡性高阻故障和泄漏性故障。B型測距裝置利用故障產生的第一個行波波頭信號，借助通信通道獲取波頭到達電纜兩端的時間差實現測距。它能夠利用GPS定位技術和小波分析技術等先進技術實現精準測量[2]。C型測距裝置采用的方法主要有低壓脈沖法和二次脈沖法，主要借助脈沖發射裝置向離線故障線路發射高壓高頻或直流脈沖，然后根據高頻脈沖從發射裝置到故障點往返時間進行測距。

目前，線路測距方面的研究主要集中于線路的數學模型構建，即通過建立的線路數學模型對配電線路故障進行分析測距。只要構建的模型有效和精確，測距結果就會精準。線路模型主要包括線路集中、線路分布參數以及小波分析等數學模型。對于小電流接地故障的定位和監測，主要利用配電線路安裝的饋線終端單元（FTU）作為檢測點，檢測接地故障并與DA主站通信，由主站確定故障點所在的線路區段（DA系統區段定位）。小電流接地故障定位方法又可細分為主動式定位方法和被動式定位方法。主動式故障定位方法通過檢測故障線路中加載的特定檢測信號的分布狀況來確定故障點精確位置。被動式故障定位方法是對故障產生的電壓和電流等信號進行特征監測和提取，利用定位算法來確定故障點精確位置。主動式定位法具體主要有信號注入法、中電阻法、零序電流突變法以及傳遞函數法等。被動式定位方法又可以分為阻抗法、行波法、穩態零序電流比較法、穩態零序無功功率方向法、5次諧波法以及暫態無功功率方向法等。

2 10 kV配網電纜單端測距算法

輸電線路出現故障后，電壓和電流信號瞬變過程中，因混有衰減直流分量和多變性諧波成分，造成信號產生較為嚴重的畸變，需要采用數字濾波器及其算法來消除這些畸變的影響，從而提高故障測距的準確度和精準度。本文采用全波傅氏算法，假設數學模型是被采樣信號為周期性時間函數[3]。函數表述如下：

式中，A為采樣信號中的直流分量，an、bn表示各次諧波的正弦項及余弦項振幅，其中：

式中，N表示采樣點數（1個周期內），Xk表示第k次采樣值（1個周期），n表示n次諧波。

在10 kV配電電網系統應用中，假設t-1時刻，線路某相K點處出現單相接地故障，則母線故障相電壓為短路故障相電壓UKφ與線路上的壓降和，則有：

式中，φ為A、B、C，代表A、B、C故障相，于是有：

假設出現相間故障，根據上述原理，則可得：

式中，φφ為AB、BC、AC，代表故障兩相。

當UKφ=0時，有：

由此能夠計算出從母線處或保護安裝處到故障點的故障阻抗。分析線路均勻分布阻抗，假設線路長度為L，則故障距離計算為：

式中，Z1表示配電線路總阻抗，z表示單位長度線路阻抗值，則單相接地故障測距計算公式為：

對于相相間短路，則計算公式為：

測量過程難免出現誤差，通常誤差計算公式為：

式中，L表示配電線路長度，xcalculate表示計算所得的故障距離，xactual表示真實故障距離。

3 仿真分析及結果

利用MATLAB 7.0仿真軟件，仿真分析10 kV配電網電纜故障。實際電力配電線路系統較為復雜，為便于研究分析，簡化線路結構，建立電纜故障系統模型[4]。某地10 kV主線路段發生短路故障，通過5個測量點故障電流波形仿真分析，如圖1所示。

從圖1中分析，當某點初始故障電流暫態行波到達測量點時間是：T1=6.8 μs，T2=10.9μs，T3=19.3 μs，T4=28 μs，T5=27.3 μs?？梢姡钕鹊竭_第一個測量點的時間為6.8 μs。以第一測量點為參考點，利用第1、2測量點所在線路計算故障點大致位置D，計算方法如下：

按此計算方法可分別計算出測量點1到其他測量點的距離，按照式（11）進行誤差分析，誤差值為3～5 m，最終選取測量最大值，從而精確定位故障位置D=2 km處（距離測量基準點1）。

圖1 1～5測量點電流波形分析

4 結 論

城鄉一體化快速發展，農村電網改造尤其是10 kV配電網應用較為普遍，促使電力電纜應用日益增多，用電負荷持續增長，電網線路故障率高。因此，快速判斷配電網故障類型和故障點位置，及時安排電力人員及時修復以恢復電網安全和高效運行成為難點。本文系統分析故障類型以及故障監測和定位方法，利用行波傳輸特點進行故障電流計算分析，最終可精準測量出故障位置。