10 kV中壓配電網(wǎng)單相接地故障有源診斷技術(shù)

施冬明，聶 鼎，徐肖偉，周 昊，李富祥，陳 余

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 怒江蘭坪供電局，云南 怒江 673200；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650011；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 西雙版納勐海供電局，云南 西雙版納 666200；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 臨滄臨翔供電局，云南 臨滄 677000；5.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 大理供電局，云南 大理 671000）

1 10kV配電網(wǎng)單相接地故障的特征及不良影響

1.1 單相接地故障的特征

單相接地故障是10 kV中壓配電網(wǎng)中較為典型的故障，其發(fā)生與天氣特性密切相關(guān)，晴朗天氣時(shí)發(fā)生概率相對(duì)較低，降雨或風(fēng)力超六級(jí)等極端天氣時(shí)發(fā)生概率較高[1]。小電流接地系統(tǒng)運(yùn)行期間，若存在單相接地故障，對(duì)地電壓將大幅度降低（通常降幅可以達(dá)到70%以上），而非故障相的相電壓則有較明顯的提升（增幅40～80%），故障電流相對(duì)較小，可以持續(xù)向用戶供電1～2 h。但隨著時(shí)間的推移，若缺乏行之有效的處理措施，則容易破壞供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其他電力設(shè)備也發(fā)生故障[2]。

1.2 單相接地故障的不良影響

單相接地故障發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)伴有較為明顯的間歇性弧光接地和諧振過電壓?jiǎn)栴}，線路絕緣子被擊穿，短路事故的發(fā)生概率明顯增加，配電變壓器等周邊配套設(shè)施有燒毀的可能。通常，因單相接地故障而誘發(fā)的檢修停電主要表現(xiàn)為單條線和分支線兩個(gè)層面，如果未能及時(shí)處理該故障，則會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)顯著擴(kuò)大影響范圍，不利于周邊生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的順利開展，同時(shí)也會(huì)阻礙供電企業(yè)的日常工作進(jìn)程。因此，相關(guān)技術(shù)人員必須準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)單相接地故障，在查明原因的基礎(chǔ)上采取針對(duì)性的處理措施，以切實(shí)解決問題，將不良影響降到最小。

2 選線方法分析

中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)普遍為經(jīng)消弧線圈接地或不接地系統(tǒng)，在該方式下若出現(xiàn)單相接地故障，則故障點(diǎn)的信號(hào)將明顯減小，又因?yàn)槠淇垢蓴_能力不足，加之降雨等外部環(huán)境的影響，所以障信號(hào)會(huì)失真，因此該條件下取得的故障判斷結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性[3]。

小電流接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)不直接接地，在此方式下若系統(tǒng)運(yùn)行期間存在單相接地故障，將不會(huì)形成閉環(huán)短路路徑，此外還伴有極為明顯的接地電阻偏大和電流信號(hào)微弱等問題，此時(shí)不利于高效采集信號(hào)[4]。

若采取單穩(wěn)態(tài)信號(hào)的選線方法，則難以完成接入消弧線圈接地的選線工作，并且運(yùn)行線路結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境等因素均會(huì)對(duì)選線工作的正常開展造成影響。而電流諧波的選線方法，則可以較好地規(guī)避消弧線圈造成的不良影響，但高次諧波分量較小，選線過程中負(fù)荷自身諧波和過渡電阻均會(huì)對(duì)其造成影響，實(shí)際效果差強(qiáng)人意。暫態(tài)電氣量也是一種選線方法，其融合了小波理論和神經(jīng)元算法等，但較之穩(wěn)態(tài)信號(hào)，其容易受到不平衡電流和過渡電阻的干擾而發(fā)生誤判[5]。

相比于上述的幾種方法，有源信號(hào)注入法具有更為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其根據(jù)線路的特點(diǎn)在該處安裝信號(hào)源裝置，系統(tǒng)維持正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓。若由于某方面原因而出現(xiàn)單相接地故障，自動(dòng)控制信號(hào)源內(nèi)部開關(guān)設(shè)備投切，可以精準(zhǔn)確鎖定故障所在的線路區(qū)段，進(jìn)而判斷該部分的電流信號(hào)序列，具有較顯著的參考價(jià)值。

3 有源信號(hào)注入法的基本原理

若存在單相接地故障，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生具有顯著可辨識(shí)性的阻性電流波動(dòng)，但接地系統(tǒng)的非接地部分并無該阻性電流流過的情況。此時(shí)將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)至配電終端，通過CT便可以識(shí)別該阻性電流，由此精準(zhǔn)定位故障，對(duì)其采取切除等處理措施。

將信號(hào)源安裝至線路母線處，每段母線分別安裝1臺(tái)，供各終端檢測(cè)注入信號(hào)使用，以監(jiān)測(cè)線路電壓和零序電壓等關(guān)鍵參數(shù)。若線路存在接地故障，此時(shí)可以收集系統(tǒng)的參數(shù)作為判據(jù)條件，據(jù)此對(duì)單相接地故障做出較準(zhǔn)確的判斷。當(dāng)接地故障的時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)將自動(dòng)投切單相操作開關(guān)，發(fā)送電流信號(hào)序列，按照故障相→接地點(diǎn)→大地的順序發(fā)生流動(dòng)，最后回歸至信號(hào)源工作地。在該流程中，無論是故障點(diǎn)還是非故障線路，均無信號(hào)流過。

接地故障發(fā)生后，若未及時(shí)做出相應(yīng)的響應(yīng)，系統(tǒng)則會(huì)相繼自動(dòng)投切單相操作開關(guān)，并發(fā)送電流信號(hào)序列，該部分注入電流信號(hào)將與線路自帶的電流信號(hào)發(fā)生疊加而形成強(qiáng)度更大的故障信號(hào)，有利于故障的判斷，可以較好地保證故障判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在配電線路上適配配電終端來接收注入信號(hào)和電流信號(hào)，在此操作的基礎(chǔ)上可執(zhí)行解碼和拓?fù)浞治霾僮鳎瑥亩珳?zhǔn)識(shí)別故障的實(shí)際發(fā)生點(diǎn)位。以預(yù)先設(shè)定的FA策略為主要依據(jù)，配電終端可以操控開關(guān)，高效處理故障，并且設(shè)備還能實(shí)時(shí)采集故障信息，并將其傳送至后臺(tái)主站，運(yùn)維人員接收后可以對(duì)其展開分析。

4 單相接地故障有源診斷技術(shù)

本次分析重點(diǎn)考慮對(duì)等通信方式和時(shí)間級(jí)差方式，通過描繪故障處理的過程，強(qiáng)化對(duì)單相接地故障的認(rèn)識(shí)，提高處理水平。

4.1 對(duì)等通信方式

對(duì)等通信方式下系統(tǒng)配置情況如圖1所示。

圖1 對(duì)等通信方式下系統(tǒng)配置圖

4.1.1 基本特點(diǎn)

在變電站母線處適配信號(hào)源，在該配套方式下，母線的出線可共享信號(hào)源裝置，充分發(fā)揮該裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)化開關(guān)配套單側(cè)三相五柱式電壓互感器，以滿足線路零序電壓信號(hào)的采集要求。具體配備的是A、C及O，3只電流互感器彼此協(xié)同運(yùn)行，高效采集電流信號(hào)。各自動(dòng)化開關(guān)分別適配1臺(tái)智能配電終端，并根據(jù)各終端的特點(diǎn)在彼此間利用匹配光纖通信的方式來高效交互信息。斷路器和復(fù)合開關(guān)均可以獨(dú)自處理單相接地故障。

4.1.2 處理流程

若在F2和F3間存在單相接地故障，則線路的相電壓和零序電壓均存在一定程度的變化，布設(shè)在線路的信號(hào)源裝置會(huì)向線路注入阻性電流信號(hào)。故障點(diǎn)前的F1和F2可以較為高效地測(cè)定特殊編碼信號(hào)，而此期間的F3和F4則無法檢測(cè)該信號(hào)。在相互通信的溝通機(jī)制下，可以確定故障所處位置為F2之后或F3之前，根據(jù)該結(jié)果將F2開關(guān)跳閘，高效隔離故障點(diǎn)，切斷故障的影響路徑。

基于光纖通信，故障信息可以被快速傳輸至后臺(tái)主站系統(tǒng)，相關(guān)工作人員可以根據(jù)需求及時(shí)查詢，準(zhǔn)確掌握故障處理情況，全面了解總體狀況。

4.2 時(shí)間級(jí)差方式

關(guān)于時(shí)間級(jí)差方式所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)配置情況，如圖2所示。

圖2 時(shí)間級(jí)差方式下系統(tǒng)配置圖

4.2.1 基本特點(diǎn)

在變電站各段母線處安裝信號(hào)源，位于該母線的各出線均可以共用該信號(hào)源裝置。為自動(dòng)化開關(guān)配套單側(cè)三相五柱式電壓互感器，通過該裝置采集線路零序電壓信號(hào)。硬件裝置方面，配置A、C以及O這3只電流互感器，從而高效采集線路電流信號(hào)。為自動(dòng)化開關(guān)配套具有三遙功能和邏輯功能的智能配電終端，可實(shí)現(xiàn)就地判斷。依托于時(shí)間級(jí)差實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，從線路末端向前的時(shí)間具有逐步遞減的變化特點(diǎn)，級(jí)差為5 s，對(duì)應(yīng)于各分支線路的開關(guān)零序保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為0 s。

4.2.2 分析過程

引入10 kV單電源輻射型線路，描述故障處理的關(guān)鍵思路及具體要點(diǎn)。F3點(diǎn)后發(fā)生單相接地故障將迫使線路的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，即相電壓和零序電壓均有波動(dòng)，布設(shè)在線路的信號(hào)源裝置將會(huì)向線路注入阻性電流信號(hào)。位于故障點(diǎn)前的F1、F2及F3均具備快速檢測(cè)的功能，可準(zhǔn)確確定脈沖信號(hào)和零序電壓兩項(xiàng)指標(biāo)的具體內(nèi)容。F3檢測(cè)故障脈沖時(shí)有延遲10 s的動(dòng)作，期間開關(guān)分閘，經(jīng)此操作后可精準(zhǔn)隔離故障部位。在F3開關(guān)的作用下，可以隔離故障點(diǎn)，保證其他無故障部位的獨(dú)立性。F1和F2開關(guān)均能快速檢測(cè)到零序電壓的消失，此時(shí)分閘功能返回，整個(gè)線路維持正常運(yùn)行的狀態(tài)。對(duì)于分支處的故障，該處的保護(hù)動(dòng)作為0 s，在檢測(cè)到特殊編碼信號(hào)后會(huì)觸發(fā)分支開關(guān)，使其直接跳閘，從而高效分隔故障。

5 結(jié) 論

文章以10 kV中壓配電網(wǎng)單相接地故障特征為切入點(diǎn)，經(jīng)對(duì)比分析后選用有源信號(hào)注入的方法，展開有關(guān)單相接地故障的檢測(cè)與分析，以進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)故障的應(yīng)對(duì)處理，從而為相關(guān)人員提供幫助。