配電網短路故障在線監測及綜合診斷研究

溫立彬，山雨，常亮，陳淑波，唐志宇

（國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內蒙古 烏蘭浩特 137400）

隨著國民經濟的迅速發展，社會現代化程度越來越高，電網安全可靠穩定地運行對人們生產生活的影響程度越來越大[1-2]。配電線路承擔著用戶的重要責任，其供應的電力充沛、安全以及穩定是國家和人民經濟可持續快速發展的基礎[3-4]。

由于如今配電網的規模以及覆蓋的范圍不斷增大，運行復雜性也隨之變大，運行不斷接近最大負荷，因此，配電網發生故障頻率和風險也日益上升[5-7]。

配電網內的故障主要分成了兩類，分別為簡單故障以及復雜故障兩大類，其中復雜故障本質為多個簡單故障組成[8-10]。配電網內的短路故障主要有單相接地短路故障、兩相短路故障、三相短路故障以及兩點接地短路故障四種類型。其線路一旦出現故障，將會直接影響配電網供電的可靠性，從而給社會安全生產造成巨大的損失，也將會對國民日常的生活和工作產生影響。因此，對配電線路的故障檢測以及故障診斷技術展開相關研究是十分有必要的。

針對配電網故障檢測以及故障診斷技術的研究中，目前通常采用電力互感器就是電磁式電壓互感器和電磁式電流互感器[11-13]。但隨著用戶的用電負荷不斷上升，電網運行的電壓等級也隨之增大，對原來電壓和電流測量裝置的絕緣強度以及測量精度提出了更高的要求[14-16]。此外，在目前配電網中，監測裝置通常對變電站內部以及線路末端進行有效監測，但針對架空線路運行狀態的監測則鮮有研究，并且由于未考慮配電網的結構，造成判斷過程比較復雜且計算量大[17-18]。傳統的配電網故障檢測以及故障診斷技術已經難以迎合現階段配電網的發展需求，因此，亟需研究一種配電網短路故障在線監測及綜合診斷技術，提高配電網故障的監測和判斷能力。

短路故障的綜合判據。最后搭建有關實驗對該裝置以及綜合判據進行了驗證，其結果對配電網短路故障的在線監測及綜合診斷技術有重要的參考意義。

1 線路在線監測裝置設計

配電網線路故障將會造成線路運行情況發生變化，主要體現在電流信號和電壓信號[19-20]。因此，基于電壓測量系統模型和電流測量系統模型設計一種對電壓和電流同時進行在線監測的裝置。

1.1 電壓測量系統模型

依據等效電荷法的基本模型，能夠得到有電體周圍的電場與其電位存在成比例關系[21]。若將某配電網線路一回路的邊界條件假定為下式：

那么該線路附近的電場和它的電位的關系可以用下式表示[22]：

式中：E（t）為測量點的電場強度；R0為測量點至線路中心的長度；r0為導線半徑；φ（t）為被測線路的電位；ep為方向矢量。

電場耦合電壓傳感器的結構示意圖如圖1所示。

圖1 電場耦合傳感器等效結構Fig.1 Equivalent structure of electric field coupled sensor

如圖1所示，電場耦合電壓傳感器的構成包括：模塊1為金屬電極，A為其外表面的面積；模塊2為絕緣接地體；Rm則為和同軸電纜連接的接地電阻。

當空間場強為E（r，t）時，傳感器金屬電極表面將產生感應電荷q，并會在其表面產生閉合的高斯曲面。利用在該面上獲取微元dA，并根據高斯定理得到感應電荷q計算公式為

式中：ε0為相對介電常數。

由于其電場強度是不斷變化的，將式（3）兩面進行微分，得到：

接地電阻Rm有電流經過因此必然存在壓降V0（t），壓降和接地電阻的關系可以表示為

將式（2）代入式（5），可以得到被測導體電位與傳感器測量結果的關系：

被測導體的電壓與傳感器輸出信號V0（t）之間的比例系數為

可以看出，Aq的大小取決于傳感器與導體電極的幾何尺寸及其間的距離，還有電極的法向分量和電場強度間夾角等因素。因此，傳感器的輸出電壓最終可以表示為

1.2 電流測量系統模型

電流測量系統采用基于Rogowski線圈工作原理[22-23]，其結構為在非鐵磁材料的環形構架上均勻緊密地纏繞著漆包線形成環形線圈，被測導體無需與線圈接觸，可從線圈中心穿過，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 電流測量系統結構圖Fig.2 Structure diagram of current measurement system

依據電磁感應定律可知電流流過的導體周圍會形成磁場，安培環路定律為

式中：dl為線圈圓周線微元的長度；H為磁場強度；i1為流過導體的電流。

則距離導線r處的磁場強度和磁感應強度分別為

式中：μ0為真空磁導率，值為4π×107H/m。

根據電磁感應定律，在通過導體的電流出現變化時，其會產生感應電動勢，并定義為

式中：Ψ為總磁鏈；N為Rogowski線圈匝數；Φ為磁通；dS為磁通經過的微元截面；r1為磁場距離。則e（t）能夠定義為

通過式（12）可得到Rogowski線圈的輸出電壓與導體電流對時間的導數存在正比例關系，因此還需要利用積分電路測量導體電流，其工作原理電路如圖3所示。

圖3 Rogowski線圈的工作原理電路圖Fig.3 Working principle circuit diagram of Rogowski coil

圖3中，Ra為采樣電阻，而iR則為通過該電阻的電流值，iC為雜散電容的支路電流，r和L分別為線圈的內阻和自感，C0為匝間電容。

根據基爾霍夫電壓定律得到回路電壓方程為

當取樣電阻Ra的值較小，且滿足：

假定iC值為0，則基爾霍夫電壓定律可簡化為

當電流變化率很大時，則式（15）可表示為

由式（16）可得：

此外，依據現場實際條件，能夠對Rogowski線圈進行參數選型，根據不同型號可以測量超過100 kHz的高頻電流或脈沖、工頻以及諧波電流等信號。

1.3 在線監測裝置設計

電壓電流一體化的傳感器如圖4所示。為了實現電壓、電流的一體化測量，該裝置分成了兩個模塊，其左邊為電壓傳感器部分，其右邊為電流傳感器部分。兩邊不同的傳感器利用開放型卡扣的設計，將其結合在一起，形成綜合在線監測裝置。通過開放型卡扣，讓該裝置能夠較為便捷地在配電線路上進行安裝，并且其中間孔徑的大小能夠依據實際情況進行設計。

圖4 電壓電流一體化的傳感器Fig.4 Voltage and current integrated sensor

電壓、電流一體化傳感器主要存在以下優點：

1）結構簡單、輕便，有利于現場安裝；

2）實現了電壓信號和電流信號的同步測量；

3）因與線路為非接觸形式，具有更好的穩定性；

4）不存在鐵磁諧振，其測量范圍大；

5）數據比較容易傳輸。

2 短路故障綜合診斷仿真研究

2.1 配電網故障仿真模型的建立

通過電力系統離線仿真軟件搭建配電網故障仿真模型，其系統框圖如圖5所示。圖5中，發電機元件模型可以等效為理想電源與阻抗的串聯，其額定電壓值為110 kV，額定容量為60 MV·A；變壓器采用的是變比為110 kV/10 kV的三相雙繞組變壓器，且其容量為100 MV·A；配電線路長度設定為1 km。此外在線路上設置故障發生裝置，可以模擬線路發生不同的故障，并設定故障發生時間為0.5 s，持續時間為0.1 s。

圖5 線路故障仿真模型Fig.5 Simulation model of line fault

2.2 短路故障仿真模擬結果

2.2.1 三相短路故障

當設定故障類型為ABC三相短路時，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖6所示。

圖6 三相短路時的波形Fig.6 Waveforms of three phase short circuit

由圖6可以得出：若在線路上產生三相短路故障，在故障出現時，其三相電壓值同步驟變至0，同時其三相電流將急劇上升。在故障持續0.1 s后，線路故障排除，則其三相運行狀態又恢復正常。

2.2.2 兩相相間短路

當設定故障類型為BC兩相相間短路時，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖7所示。由圖7可以得出：若在線路上產生BC兩相相間故障，線路BC相電流將會忽然上升，兩者電流大小相等且相位相反，同時BC相電壓將會減小至原來的二分之一，并存在大小相等且相位相同的關系。非故障的A相其電壓不會產生變化，但其電流變為0。

圖7 兩相相間短路時的波形Fig.7 Waveforms of two-phase short-circuit

2.2.3 兩相接地短路

當設定故障類型為兩相短路接地時，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖8所示。

圖8 兩相接地短路時的波形Fig.8 Waveforms of two-phase short-circuit grounding

由圖8可以得出：若在線路上產生BC兩相短路接地時，其故障的BC相電流將會忽然上升，同時其電壓急劇下降，接近為0；非故障的A相其電壓小幅度增大，但其電流則降為0。

2.2.4 單相接地短路

當設定故障類型為A相單相接地短路，觀察三相電壓電流的仿真波形如圖9所示。

圖9 單相接地短路時的波形Fig.9 Waveforms of single phase to ground short circuit

由圖9可以得出：若在線路上產生A相單相接地短路故障時，其故障的A相電流將會驟然上升，同時其電壓直接降為0；非故障的BC相電壓將會增大，此時若為中性點不接地系統，其電壓值將會增大至線電壓。

2.3 短路故障綜合判據

通過對配電網的短路故障特征進行仿真研究，總結出根據線路電壓電流發生的變化情況，所判斷出故障類型的具體特征為：

1）當配電網采集的信號為線路三相的電流突然上升，而且其三相的電壓又直接降至零。該情況判斷為出現了三相短路故障。

2）當配電網采集的信號為有兩相電流突然急劇上升，并且其相位是相反的，同時該兩相的電壓忽然減少為之前的二分之一，此外，另外一相電流則是直接突變為零，且該相電壓未出現變化。該情況判斷為出現了兩相短路故障，并且故障發生在電流突然增大的兩相上。

3）當配電網采集的信號為有兩相電流突然急劇上升，而且其電壓卻突變至零；另外一相的情況則是相反，其電流突變至零，而電壓卻有少量的增大。該情況判斷為出現了兩相短路接地故障，并且故障發生在電流突然增大的兩相上。

4）當配電網采集的信號為有一相的電壓忽然下降至零，但該相的電流卻急劇增大，此外，另外兩相的情況卻是相反的，其電流忽然下降至零，但是電壓較原先卻有少量的增大。該情況判斷為出現了單相接地短路故障，并且故障發生在電流突然上升的那相上。

3 在線監測傳感器性能實驗研究

3.1 實驗設計

針對線路發生不同短路故障時線路的電壓與電流變化情況進行實驗研究，其實驗框圖如圖10所示。

圖10 實驗系統框圖Fig.10 Experimental system block diagram

變壓器參數為：額定電壓為110 kV，且頻率為50 Hz，通過該試驗變壓器將工頻標準電壓升高至所需電壓；示波器的參數為：衰減倍數為800且寬為60 MHz的高壓探頭；電流互感器作為電流比對測試的標準器，其型號為SDD-MG8系列鉗型電流互感器。

在各組實驗開始前，通過溫濕度計記錄下大氣條件。

實驗平臺通電后，調節試驗變壓器改變線路電壓，并利用在線監測傳感器對線路電壓和電流進行測量，其輸出的測量信號，在通過硬件電路處理后，傳輸至示波器進行顯示，并傳輸至電腦進行保存。

3.2 傳感器電壓性能試驗

利用泰克無源示波器高壓探頭與本文設計的電壓互感器進行對比試驗。

高壓探頭輸出電壓與真實電壓的變比為1 000∶1，輸出電壓波形連接到示波器，結果如圖11所示。從圖11中可以看出本文設計的電壓傳感器與高壓探頭測量得到的電壓波形大致相同，電壓波形沒有明顯畸變。

圖11 傳感器與高壓探頭的穩態波形Fig.11 Steady state waveforms of sensor and high voltage probe

調節試驗變壓器，分別利用傳感器和高壓探頭測量電壓并記錄，為減小測量誤差，每組試驗G分別測量三次，結果取平均值，結果如圖12所示。從圖12可以看出，兩種測量結果非常接近，則表明了設計的傳感器電壓測量較為準確，利用n表示單位“組”。

圖12 傳感器與高壓探頭電壓測量結果Fig.12 Voltage measurement results of sensor and high voltage probe

3.3 傳感器電流性能試驗

利用搭建的試驗平臺，分別利用Rogowski線圈和鉗型電流互感器測量電流，并連接到示波器顯示，兩者測量得到的電流波形如圖13所示。

圖13 傳感器與鉗型電流互感器的穩態波形Fig.13 The steady state waveforms measured by Rogowski coil and clamp current transformer

圖13結果表明，本文設計的Rogowski線圈與鉗型電流互感器測得的電流波形大致相同，電流波形沒有明顯畸變。

改變阻抗值，分別利用Rogowski線圈和鉗型電流互感器測量電流值并記錄，為減小測量誤差，每組試驗分別測量三次，結果取平均值，其結果如圖14所示。從圖14可以看出，兩種測量結果非常接近，則表明了設計的傳感器電流測量較為準確。

圖14 傳感器與鉗型電流互感器測量結果Fig.14 Current measurement results of sensor and clamp type current transformer

4 短路故障綜合診斷的實際應用

將該復合監測的傳感器進行實際掛網安裝應用，其短路故障綜合診斷技術總的系統框圖如圖15所示。通過在每段線路連接處的端部安裝電壓電流一體化傳感器裝置，實現對該段線路電壓和電流信號進行實時采集，并通過智能通訊服務器進行信號接收，利用信號無線傳輸將數據傳輸至后臺監控機，最后監控機將數據導入至數據服務器和判斷與分析服務器，其中數據服務器主要進行保存和調閱，而判斷與分析服務器主要是對接收的信號數據進行判斷。

圖15 總的系統框圖Fig.15 System block diagram

現狀配電網中的在線監測裝置大部分布置在變電站或負荷側，而不是在架空線路上，因此不能對配電網線路上的電壓和電流信號進行有效采集，即無法獲得配電網線路上故障出現時其電壓和電流的特征變化，則不能對故障進行有效判斷和識別。

短路故障綜合診斷裝置在掛網安裝后，對其裝置的正確性進行檢驗。測得線路正常運行時的電壓和電流波形如圖16所示，通過對波形的分析，可以讀出該裝置能夠較為準確地獲得線路上實際的運行狀態。

圖16 線路正常運行時的波形Fig.16 Waveforms of normal operation of line

由于本系統仍在試驗階段，因此其掛網安裝檢測范圍較小。在本裝置掛網安裝的半年內，該線路出現了一次單相短路接地故障，該裝置采集到的電壓和電流波形如圖17所示。

圖17 線路故障時的波形Fig.17 Waveforms in case of line fault

從圖17中能夠得出，當線路故障發生時，其故障相C相的電流將會發生突變、劇烈增加，但是其電壓值將會突降至零；而且此時非故障相A相和B相的現象則是相反的，這兩相的電流會突降至零，而其電壓將會有所升高。

通過分析上述信息，并與短路故障綜合判據對比，能夠得出故障波形與單相接地短路故障現象一致。

5 結論

本文研究了配電網中短路故障的綜合診斷及處理方法，基于電壓測量系統模型和電流測量系統模型，設計了線路在線監測裝置。該裝置能夠對線路的運行情況進行實時監測，包括電流信號和電壓信號。

通過搭建配電網故障仿真模型，得到了在線路發生三相短路故障、兩相接地短路故障、兩相相間短路故障以及單相接地故障時，其線路運行狀態的變化情況，并總結出了配電網短路故障的綜合判據。

通過設計相關實驗，對在線監測裝置的實際應用效果進行驗證，結果表明該裝置運行情況良好。

通過實際掛網實驗，再次驗證了該裝置以及綜合判據的可行性。其結果對配電網短路故障的在線監測及綜合診斷技術有重要的參考意義，并進一步推動了配電網自動化技術的智能化程度。