配電網(wǎng)柔性接地裝置注入非工頻小信號的接地故障檢測與區(qū)段定位方法

劉紅文，曾祥君，柴晨超，喻錕，賀世庚，李理

(1. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；2. 智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學電氣與信息工程學院)，長沙410114；3.云南兆訊科技有限責任公司，昆明650217)

0 引言

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，運行工況多變，易發(fā)生線路故障，其中發(fā)生單相接地故障的概率高達70%，嚴重影響配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[1 - 4]。當發(fā)生瞬時性故障時，現(xiàn)有消弧線圈及多種消弧手段可在短時間抑制接地故障，使配電網(wǎng)內(nèi)自行恢復正常運行。但發(fā)生永久性接地故障時，尤其高阻接地故障信號極其微弱，若未及時感知、查找與處置，長時間運行將導致非故障相電壓上升，對電力設備絕緣產(chǎn)生危害，過高過電壓導致絕緣擊穿，發(fā)展成為相間故障，威脅整個電力系統(tǒng)的安全運行，同時存在極大的人身安全隱患[5]。為保障配電網(wǎng)接地故障處置準確性與安全性，故障發(fā)生時需迅速準確進行定位，并快速切除故障[6 - 7]。因此，研究配電網(wǎng)故障檢測與定位技術(shù)具有重要意義。

目前，根據(jù)故障定位所獲取信號的方式將定位方法主要分為兩大類：1)利用故障量本身的穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)特征進行定位，即被動式定位方法[8 - 14]；2)通過外加信號或人為手段進行定位，即主動式定位方法[15 - 16]。第一類方法受中性點接地方式、過渡電阻和裝置靈敏度等因素影響，單純地利用故障量本身特征的被動式定位方法因配電系統(tǒng)的運行和結(jié)構(gòu)復雜性缺乏工程實用性[17 - 21]。第二類方法是小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位研究的主要研究方向之一。其中特定頻率信號法是目前應用較多的方法之一，除了常用的“S”注入法之外[22 - 24]，采用中性點在線注入信號識別單相接地故障的方法也得到了較為廣泛的應用。通過中性點向故障系統(tǒng)注入直流電流信號，對信號尋蹤查找故障點，但注入電流的大小需要依賴檢測精度[25]。文獻[26]提出了向配電網(wǎng)絡注入單一特征信號的故障處理方法，但過渡電阻較大時，經(jīng)過渡電阻流入大地的特征信號會大幅減弱。電容的分流作用也會分掉部分信號能量，判別準確度降低。文獻[27]利用短時注入電容電流增加故障穩(wěn)態(tài)特征量，提高了基于故障穩(wěn)態(tài)特征選線定位判據(jù)的準確率和抗過渡電阻能力，該方法僅適用于中性點不接地系統(tǒng)。文獻[28]增大注入頻率以提高檢測的電流水平，但在接收端用于提取注入頻率的帶通濾波器會導致測量過程延遲。

面對配電網(wǎng)非有效接地系統(tǒng)接地故障消弧、選線與處置的世界性難題，曾祥君教授課題組研制了柔性接地裝置，該柔性接地裝置通過控制算法產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號控制有源逆變裝置，向中性點注入工頻零序電流，實現(xiàn)中性點電壓靈活調(diào)控，降低故障相電壓實現(xiàn)單相接地故障消弧。同時，可根據(jù)零序電壓調(diào)控策略，實現(xiàn)故障辨識、故障選線、對地參數(shù)測量等接地故障檢測功能[29 - 30]。此外，柔性接地裝置具有響應速度快、準確性好、能夠靈活調(diào)控輸出。又因為工頻高阻接地故障信號微弱，難以進行感知和處置，因此，當發(fā)生永久性接地故障時，經(jīng)柔性接地裝置進行故障消弧、辨識、選線等功能后，可靈活調(diào)控柔性接地裝置向中性點注入非工頻電流信號，利用配電網(wǎng)自動化終端檢測不同區(qū)段下電壓電流變化，實現(xiàn)接地故障區(qū)段定位，提升高阻接地故障下感知靈敏度，從而實現(xiàn)柔性接地裝置與故障區(qū)段定位功能的結(jié)合。由于該柔性接地裝置處理接地故障的先進性、實用性以及多功能特性，現(xiàn)在已經(jīng)得到了規(guī)模化的應用。

基于此，針對現(xiàn)有配電自動化設備在高阻接地條件下故障穩(wěn)態(tài)特征微弱，感知困難與定位失效的問題，本文提出了通過柔性接地裝置注入非工頻小信號的接地故障檢測與區(qū)段定位方法。當故障發(fā)生時，通過柔性接地裝置進行接地故障檢測，當判定為永久性接地故障時，柔性接地裝置向諧振接地系統(tǒng)中性點注入非工頻電流信號，通過故障線路故障相各配電網(wǎng)自動化終端對特征頻率電流信號進行檢測提取，根據(jù)故障相故障區(qū)段與非故障區(qū)段檢測的特征頻率電流幅值特征差異，準確定位故障區(qū)段。最后在PSCAD仿真平臺上搭建區(qū)段定位仿真模型，驗證了所提故障定位方法的有效性和適用性。

1 非工頻信號注入故障區(qū)段定位方法

1.1 非工頻信號注入故障區(qū)段定位原理

假設C相發(fā)生單相接地故障，通過柔性接地裝置注入一非工頻零序電流信號，應用對稱分量法得其復合序網(wǎng)如圖2所示。

圖1 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-phase grounding fault of resonant grounding system

圖2 注入非工頻電流系統(tǒng)復合序網(wǎng)圖Fig.2 Composite sequence network diagram of injected non power frequency current system

圖3 非工頻電流作用下零序等效電路Fig.3 Zero sequence equivalent circuit under non power frequency current

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當發(fā)生金屬性接地故障時(Rg=0 Ω)，由式(5)可知，金屬性接地時，有源柔性接地裝置向中性點注入的電流將全部經(jīng)故障線路流入接地點。此時，只有故障上游檢測點才可檢測到注入的電流信號，因此金屬性接地故障時，可根據(jù)是否檢測到注入的非工頻電流信號對故障區(qū)段進行定位。

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因此，由式(6)、(7)可得健全區(qū)段與故障區(qū)段的區(qū)段電流幅值為：

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式中：ΔI(n,n+1)、 ΔIf(n,n+1)分別為健全區(qū)段和故障區(qū)段兩側(cè)檢測點n與檢測點n+1的區(qū)段電流幅值；C(n,n+1)為檢測點n與檢測點n+1之間的分布等效電容。

由式(8)可知，健全區(qū)段的區(qū)段電流幅值為該區(qū)段對地電容電流的幅值，而故障區(qū)段的區(qū)段電流幅值為對地電容電流與接地電阻電流矢量和幅值。由此可得，區(qū)段故障時區(qū)段電流幅值要大于該區(qū)段電容電流幅值。根據(jù)此特征，設計各區(qū)段的區(qū)段電流幅值閾值為：

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由式(8)—(9)可知，健全時，區(qū)段電流幅值等于閾值ΔIset(n,n+1)； 故障時，區(qū)段電流幅值大于閾值ΔIset(n,n+1)，Y(n,n+1)為各區(qū)段對地導納和，現(xiàn)有多種方法可以測得[31]，考慮實際運行時各種因素的影響，令實際對地導納Y′(n,n+1)=μY(n,n+1)，μ為可靠系數(shù)(μ取0.95～1.05)。此時，健全區(qū)段的區(qū)段電流幅值ΔI(n,n+1)與區(qū)段電流閾值ΔIset(n,n+1)差絕對值|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|=σ，σ∈(0， 0.05ΔIset(n,n+1))，σ為保留的幅值裕度。

因此，可定制定位判據(jù)：當發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)故障相區(qū)段電流幅值特征，若檢測計算得到某區(qū)段特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|>σ， 則判定故障發(fā)生在該區(qū)段，從而實現(xiàn)故障區(qū)段定位。

1.2 影響因素分析及參數(shù)選取

由式(8)可知，區(qū)段電流幅值除了與對地參數(shù)相關外，還與注入電流波形、幅值、頻率以及過渡電阻有關，這些因素都會影響該故障區(qū)段定位方法的準確性和有效性。因此，為了確保所提區(qū)段定位方法能夠有效可行，有必要對特征量的影響因素進行分析，并選取合適的參數(shù)，增大幅值特征量，確保區(qū)段定位判據(jù)在高阻及低阻接地故障工況下均能有效判別，并有較強的抗過渡電阻能力，能對故障區(qū)段準確進行定位。圖4為故障時通過柔性接地裝置向系統(tǒng)中性點注入不同波形非工頻電流信號后，檢測到的故障區(qū)段的區(qū)段非工頻電流波形。

圖4 不同波形注入后故障區(qū)段電流Fig.4 Fault section current after different waveform injection

由圖4可知，以方波注入時故障區(qū)段電流幅值最大，三角波注入時最小，正弦波注入時區(qū)段電流幅值介于兩者之間。區(qū)段電流幅值越大，更容易被感知，但以方波注入時會導致波形畸變，并會帶來更多的諧波成份，對電氣環(huán)境造成污染[32]。因此綜合考慮，當發(fā)生永久性接地故障時，通過柔性接地裝置向中性點注入非工頻正弦電流信號對故障區(qū)段進行定位。

圖5 區(qū)段電流幅值與頻率f和過渡電阻Rg的關系Fig.5 Relationship between section current amplitude and frequency f and transition resistance Rg

由圖5可知，故障區(qū)段電流幅值在過渡電阻Rg一定時，隨著頻率f增大，先增大后減小，當頻率f=52.44 Hz時，因線路總對地電容與消弧線圈電感發(fā)生諧振，即3ωC0-1/ωL=0， 由式(8)可知，此時故障區(qū)段電流幅值表達式分母取最小值1，因此，當f為諧振頻率52.44 Hz時，電流差幅值取得最大值；當頻率f一定時，除了諧振頻率及附近的頻率值外，隨著過渡電阻Rg增大，電流差幅值減小，而在諧振頻率及附近頻率處，ΔIf(n,n+1)表達式分母趨近于1，幾乎不受Rg影響，分子與Rg成正比關系，因此隨著Rg增大，ΔIf(n,n+1)也增大。

下面分析所提判據(jù)特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|的抗過渡電阻能力，特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|與注入信號頻率f和過渡電阻Rg的關系如圖6所示。

如圖6所示，在金屬性接地故障時，由于注入電流經(jīng)接地點流回，特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|等于注入電流幅值，非金屬性接地故障時，隨頻率f增大，先增大后減小，在諧振頻率處達最大值。當頻率一定時，|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|與過渡電阻Rg成反比例關系，|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|隨過渡電阻Rg增大而減小。圖6中，在5 kΩ高阻接地條件下，當f取諧振頻率52.44 Hz時，|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|大約為0.4 A，幅值特征量明顯，有利于在高阻接地條件實現(xiàn)故障區(qū)段精準定位。因此，為了放大判據(jù)特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|， 提高故障區(qū)段定位方法的準確率，確保區(qū)段定位判據(jù)在高阻接地故障時仍能對故障區(qū)段有效進行判別，注入非工頻電流信號頻率f應取諧振頻率附近頻段，以提高高阻接地故障下故障定位準確率。

圖6 特征量與頻率f和過渡電阻Rg的關系Fig.6 Relationship between characteristic quantity and frequency f and transition resistance Rg

2 接地故障檢測與區(qū)段定位方法實現(xiàn)流程

由于配電網(wǎng)一般為多分支線路，設計多分支線路配電網(wǎng)接地故障檢測與區(qū)段定位方法實現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 接地故障檢測與區(qū)段定位方法實現(xiàn)流程Fig.7 Implementation flow of grounding fault detection and section positioning method

當諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，首先通過柔性接地裝置進行故障感知、選相，并向中性點注入零序電流控制故障相電壓為0，進行故障消弧，之后進行接地故障動態(tài)辨識，若判為瞬時性接地故障，熄弧后減小注入電流至0。若判定為永久性接地故障，改變裝置注入電流大小，判斷零序電流幅值變化量最大的饋線為故障饋線，然后經(jīng)柔性接地裝置向系統(tǒng)中性點注入非工頻特征頻率的電流信號，根據(jù)所提故障區(qū)段定位方法進行故障定位。

根據(jù)判據(jù)和判定邏輯，在選相和選線的基礎上，首先從故障饋線主干線路首端搜索至末端，由故障線路故障相上的饋線終端對特征頻率電流幅值信號進行檢測提取，得到各檢測區(qū)段的判據(jù)特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|， 并與裕度σ比較；若主干線路上某區(qū)段判據(jù)特征量滿足|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|大于σ， 則定位故障發(fā)生在該區(qū)段。若主干線路上各區(qū)段判據(jù)特征量均滿足|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|≤σ時，則故障發(fā)生在下級分支線路上；再搜索下級分支線路，得到各檢測區(qū)段特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|， 若某一分支線路各區(qū)段特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|均小于裕度σ， 則搜索另一條分支線路，當在同一級線路上存在某區(qū)段滿足|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|大于裕度σ的定位判據(jù)時，則可以定位故障發(fā)生在該區(qū)段，若經(jīng)過所有搜索后，所有分支線路上各區(qū)段判據(jù)特征量滿足|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|≤σ， 則判定故障發(fā)生在該故障饋線的末端。

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中搭建如圖8所示的10 kV配電網(wǎng)區(qū)段定位仿真模型，對本文所提故障檢測與區(qū)段定位方法進行仿真驗證。

圖8 仿真拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Simulation topology diagram

仿真模型中包含2條饋線l1、l2，其中饋線l2包含2條分支線路X1、X2。饋線l1和饋線l2的分支線路X1為電纜線路，其余線路為架空線路。饋線仿真參數(shù)如表1所示。按測量裝置劃分各區(qū)段，諧振接地系統(tǒng)一般工作在過補償狀態(tài)，本文取過補償度為10%，則電感L為0.352 H。

表1 饋線仿真參數(shù)Tab.1 Feeder simulation parameters

圖9 區(qū)段(H,I)C相5 kΩ接地故障下各區(qū)段電流幅值Fig.9 Current amplitude of each section under 5 kΩ grounding fault of phase C in section (H, I)

圖10 區(qū)段(E,F)C相5 kΩ接地故障下各區(qū)段電流幅值Fig.10 Current amplitude of each section under 5 kΩ grounding fault of phase C in section (E, F)

由圖9—10可知，當架空線區(qū)段(H,I)和電纜線區(qū)段(E,F)C相發(fā)生5 kΩ高阻接地故障時，故障區(qū)段的區(qū)段電流幅值比同類型線路健全區(qū)段電流幅值大，因此，對于單一型線路故障，可根據(jù)區(qū)段電流幅值大小對故障區(qū)段定位。而對于架空、電纜混合型線路，單位電纜線路對地電容遠大于架空線路對地電容，因此，區(qū)段故障時，電纜區(qū)段電流幅值遠大于架空線區(qū)段電流幅值。從圖9看出，當架空線區(qū)段(H,I)高阻接地故障時，電纜區(qū)段電流幅值均比架空線故障區(qū)段電流大，無法根據(jù)區(qū)段電流幅值大小定位故障區(qū)段。

通過對故障時區(qū)段電流穩(wěn)態(tài)幅值特征進行分析，構(gòu)建了電流幅值故障定位判據(jù)。下面對不同線路、不同區(qū)段和不同過渡電阻接地情形下進行仿真，驗證本文所提故障區(qū)段定位判據(jù)的有效性和準確性。表2為不同過渡電阻下架空線路區(qū)段(H,I)發(fā)生C相接地故障時各檢測區(qū)段的非工頻區(qū)段電流幅值情況。令區(qū)段電流實際測量值f測=ΔI(n,n+1)， 區(qū)段電流閾值fset=ΔIset(n,n+1)。

由表2可知，由于非故障區(qū)段的區(qū)段電流為該區(qū)段對地電容電流與對地泄漏電流和，而故障區(qū)段電流除了對地電容電流與對地泄漏電流外，還包括接地電流。因此，非故障區(qū)段的區(qū)段電流幅值測量值等于閾值，即|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|=0， 故障區(qū)段電流幅值測量值大于閾值，即|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|>0。

表2 區(qū)段(H,I)C相接地故障各區(qū)段的區(qū)段電流幅值Tab.2 Section current amplitude of each detection section of section (H, I) phase C grounding faultmA

根據(jù)區(qū)段定位判據(jù)得架空線路區(qū)段(H,I)不同過渡電阻下C相接地故障定位結(jié)果如表3所示。

表3 區(qū)段(H,I)不同過渡電阻下C相接地故障定位結(jié)果Tab.3 Location results of phase C grounding fault under different transition resistance in section (H, I)

由表3可知，架空線路區(qū)段(H,I)在不同過渡電阻下發(fā)生C相接地故障時，根據(jù)本文所提故障區(qū)段定位判據(jù)，均能準確定位故障區(qū)段。另外，在5 kΩ高阻故障時，可得電流判據(jù)特征量為0.73 A，有效增強了高阻接地時穩(wěn)態(tài)特征，容易被感知。表4為不同過渡電阻下電纜線路區(qū)段(E,F)發(fā)生C相接地故障時，各檢測區(qū)段的非工頻區(qū)段電流幅值情況。

表4 區(qū)段(E,F)C相接地故障各區(qū)段的區(qū)段電流幅值Tab.4 Section current amplitude of each detection section of phase C grounding fault in section (E, F)mA

從表4中可得，電纜線區(qū)段(E,F)C相接地故障時，非故障區(qū)段的判據(jù)特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|均為0，故障區(qū)段判據(jù)特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|大于0。因此，可得區(qū)段(E,F)在不同過渡電阻下C相接地故障的定位結(jié)果如表5所示。

由表5可知，電纜線路區(qū)段(E,F)在不同過渡電阻下發(fā)生C相接地故障時，根據(jù)區(qū)段定位判據(jù)，仍精準定位區(qū)段(E,F)為故障區(qū)段。

根據(jù)表3、表5定位結(jié)果顯示，本文所提區(qū)段定位方法在高阻接地故障時，穩(wěn)態(tài)電流幅值特征明顯，仍可對故障區(qū)段準確進行定位。由此可以看出此區(qū)段定位方法有較強的抗過渡電阻能力，可以對故障區(qū)段實現(xiàn)寬范圍精準定位。

表5 區(qū)段(E,F)不同過渡電阻下C相接地故障定位結(jié)果Tab.5 Location results of phase C grounding fault under different transition resistance in section (E, F)

當饋線l2分支線路X2末端發(fā)生C相接地故障時，各檢測區(qū)段的非工頻區(qū)段電流幅值情況如表6所示。

由表6可以看出，當分支線路X2末端在不同過渡電阻值情形下發(fā)生C相接地故障時，饋線l2主干線路上區(qū)段以及兩分支線路X1、X2上區(qū)段的電流特征量均為0，根據(jù)定位判據(jù)，線路上區(qū)段均為非故障區(qū)段，因此判定故障發(fā)生在線路末端。此時，柔性接地裝置可根據(jù)分支線路X2上零序電流變化量比分支線路X1零序電流變化量大的特征，從而確定故障發(fā)生在分支線路X2末端，然后對接地故障進行處置。

考慮到高阻接地故障對傳統(tǒng)區(qū)段定位方法有較大影響，在該仿真模型下，選取基于中電阻的區(qū)段定位方法進行仿真并與本文所提方法進行比較，結(jié)合表2、表4仿真數(shù)據(jù)得不同區(qū)段高阻接地故障仿真結(jié)果如表7所示，K為區(qū)段上游增量系數(shù)[10]，F(xiàn)為本文所提區(qū)段判據(jù)特征量。由表7可知，中電阻法在架空線區(qū)段(H,I)經(jīng)1 kΩ接地故障時，根據(jù)故障區(qū)段下游K值小于1，上游K值大于1，尚可定位區(qū)段，但在架空線區(qū)段(H,I)經(jīng)5 kΩ高阻接地故障及電纜區(qū)段(E,F)高阻接地故障時，所得故障線路各區(qū)段上游增量系數(shù)K值均小于1，無法定位故障區(qū)段，受高阻接地故障影響大。而對于本文所提非工頻注入法，在不同區(qū)段高阻接地故障時，根據(jù)所提區(qū)段定位判據(jù)仍可準確定位故障區(qū)段。

上述理論分析及仿真結(jié)果表明，當配電網(wǎng)在不同線路、不同區(qū)段和不同過渡電阻下發(fā)生單相接地故障時，運用本文所提故障區(qū)段定位方法均能夠準確判別故障區(qū)段，并具備較強的抗過渡電阻能力，可對故障區(qū)段實現(xiàn)寬范圍精準定位。

4 結(jié)論

為了解決現(xiàn)有配電自動化設備高阻接地故障時穩(wěn)態(tài)特征微弱、定位困難的問題，提高故障定位的準確性和抗過渡電阻能力，本文提出了中性點柔性接地設備注入非工頻信號的故障檢測與區(qū)段定位方法。最后在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中搭建仿真模型對所提區(qū)段定位方法的可行性進行了驗證，并得到以下結(jié)論。

1)本文所提區(qū)段定位方法有效增強了諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障時的穩(wěn)態(tài)特征，有較強的抗過渡電阻能力，能夠在多分支線路諧振接地系統(tǒng)架空線路、電纜線路區(qū)段發(fā)生單相接地故障以及線路末端時，對故障區(qū)段實現(xiàn)寬范圍精準定位。

2)此方法通過柔性接地裝置實現(xiàn)，相比傳統(tǒng)方法，響應速度更快、準確性更高、調(diào)節(jié)靈活度更好，其次可以靈活控制輸出的波形形態(tài)，適應配電網(wǎng)各種變化下的高檢測靈敏度。

3)故障區(qū)段定位判據(jù)無需進行復雜計算，可有效配合柔性接地電壓消弧裝置，操作簡單，便于在工程上實現(xiàn)。