基于故障序特性的配電網單相接地故障研究

甘 新

（國網重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401100）

0 引 言

電能質量的提升在保證電力系統的可靠性和安全性方面發揮著重要作用。國內配電網系統中，單相接地故障在整個電力系統短路故障中所占比例較大。當該系統某一相處于接地狀態時，在小故障電流的影響下，故障發生后只有相電壓出現明顯改變，線電壓仍然保持對稱狀態，可以為用戶提供足夠的電能支持。出現單相故障后，雖然該系統可以在帶電狀態下穩定運行一段時間，但是相關保護設備仍需在最短時間內發出相應的故障信號，提醒相關人員采取合適的處理措施，快速分析問題并處理故障，保證電力系統供電的穩定性和可靠性[1]。結合故障序特性，提出配電網單相接地故障辨識方法，從而達到縮短故障處理時間的目的。

1 配電網單相接地故障特征分析

1.1 判據分析

當配電網系統出現單相接地故障問題時，序電流和序電壓均會出現異常現象，因此將序電流、序電壓作為單相接地故障判斷依據。

序電壓故障判據為：當零序電壓有效值遠超正常相電壓有效值與可靠系數之積時，說明出現序電壓故障。在解決這一故障問題時，需要結合相關裕度，利用保護裝置調整和控制繼電器的實際啟動序電壓值[2]。在預定保護范圍外處理故障問題時，要將保護裝置的可靠系數控制為0.19。

序電流故障判據為：當整定值遠遠低于負序電流之差的絕對值時，說明出現序電流故障。

1.2 特征分析

當配電網系統的交流側出現接地故障問題時，需要做好對故障處邊界條件的設置。此外，要結合交流側單相接地故障特性，確定相應的復合序網圖[3]，具體如圖1 所示。

圖1 交流側單相接地故障時的復合序網圖

圖1 中：Zc1代表等效阻抗，主要在故障點換流器出口處形成；Us1＜0°代表系統電源處于正序等效狀態；Zc0代表零序等效阻抗；Icom1代表正序等效電流源；δ代表等效電流源相角；Us1代表正序等效阻抗；Us2代表負序等效阻抗。

基于以上相關參數，采用對稱分量法精確計算各個故障點的故障相電流[4]。此外，結合電力系統相關知識，從2 個方面分析配電網系統所出現的單相接地故障特點。一方面，無論是非故障相電壓，還是故障相電流，均與換流器輸出相電流、系統電壓之間的夾角變化息息相關；另一方面，配電網系統實際運行過程中，當出現非故障相電壓突增現象時，故障相電流大幅增加，故障相電壓不斷下降并處于置零狀態。

2 基于序分量的故障特性分析

2.1 序特性分析

為保證整個配電網運行的穩定性，需要采用等效處理的方式，將短路接地故障等效為典型的端口網絡，然后結合該接地故障對稱性的特點對其進行解耦處理，從而獲取相應的零序網圖和正序網圖。當電力系統出現單相接地故障時，需要確定接地復合序網的等效電路，確保故障線路負序電流值遠超過零序電流。

2.2 序特性模型

單相接地故障示意如圖2 所示。將線路L1設置到配電網系統中，可以快速、精確地定位單相接地故障點，并結合單相接地故障程度深入分析和研究序電流等值電路。

圖2 單相接地故障序特性模型

3 基于序特性的故障辨識方法

3.1 故障定位原理

在處理單相接地故障時，為避免出現動作死區，需結合零序電壓和負序電流等參數，采用雙判據融合法精確識別故障。相關人員要結合序電流和序電壓實現對故障段的快速判定，并通過離散阻抗法對故障點進行快速判定[5]。

3.1.1 判定故障段

當出現單相接地故障問題時，由于配電網采用的中性點接地方式不同，所表現出的故障特征也存在一定差異。為實現對零序電壓的有效控制，相關人員需結合中性點不接地處理需求，采用零序電壓法判定系統所產生的動作，然后分析和判斷接地故障，為后期快速有效分析和處理故障問題、保證用戶用電的穩定性和可靠性提供重要的數據支持。

3.1.2 判定故障點

在完成故障段判定工作后，需要采用阻抗法對故障段進行測距處理。采用測距處理的方式不僅可以實現對故障區域的精確化判定，還能防止對故障定位辨識時出現多個求解問題，保證故障定位的精確性和高效性，從而實現對故障線路的精確化切除[6]。

3.2 故障定位步驟

整個單相接地故障定位流程如下。

第一，構建信息數據庫。結合線路和電源等信息，構建符合配電網系統運行需求的信息數據庫。

第二，采集子站電流、電壓等信息。在這一環節中，相關人員要重點采集和整理測量單元電流、故障段電流以及電壓等信息。

第三，收集故障信息。所收集的故障信息主要包含子站電流電壓、主站電壓信息以及主站電流信息等。

第四，確定故障區段。在參照配電網結構的基礎上，采用負序電流法確定相應的故障區段，便于后期故障測距工作的落實[7]。

第五，開展故障測距工作。在指定的故障區段內，利用所采集到的信息，對故障區段進行測距處理。

第六，輸出故障定位結果。將最終故障定位結果真實、完整地顯示出來，便于其他人員查看和調用，提高故障定位相關數據的利用率。配電網單相接地故障定位流程如圖3 所示。

圖3 配電網單相接地故障定位流程

3.3 故障相關數據的測量與計算

在進行單相接地故障測距時，首先要求解故障電流，即故障點對地電流減去負荷側線路電容電流和故障相負荷電流之和。其次，求解故障距離。結合線路已知電壓值和電流值，精確地計算出故障電流值，并計算出現各個故障點距離。再次，分析和判斷故障距離是否處于收斂狀態。如果收斂，則需要終止計算流程；反之，則需要繼續進入下一環節的迭代計算。最后，精確計算出故障點電壓。

4 配電網單相接地故障仿真分析

以10 kV 系統為主進行仿真研究，如圖4 所示。

圖4 10 kV 系統

在距線路首端2 km 位置處，需要設置最長線路L1。同時，將故障電阻設置為200 Ω，故障時間設置為0.29 s，故障電流閾值設置為0.9 A。

當各類故障出現時，空間負序電流的有效值會出現明顯變化。以A 相為研究對象，獲得單相接地空間負序電流有效值變化情況如圖5 所示。

圖5 單相接地空間負序電流有效值變化

由圖5 可知，一旦出現單相接地故障（0.05 s 時），空間負序電流有效值迅速達到0.239 9 A。

單相接地故障空間負序電流有效值的統計情況如表1 所示。

表1 單相接地故障空間負序電流有效值

在故障電阻始終保持不變的情況下，一旦出現單相接地故障，系統所獲得的零序電壓有效值就必須滿足相關評定依據。另外，結合空間負序有效值，可以完成對閾值范圍的有效設置，為后期定位故障奠定堅實的基礎[8]。本次仿真分析有效驗證了單相接地故障辨識方法的有效性和可靠性。

技術人員重視對本文故障辨識方法的運用，不僅有助于縮短故障處理時間和加快故障處理速度，還可以有效避免因長時間大面積停電給居民日常生活和工作造成的不便，減少不必要的經濟損失。同時，能為用戶提供正常化和穩定化的供電，幫助電力企業獲得相應的社會效益和經濟效益，促使電力行業的創新與穩定發展。

5 結 論

隨著社會經濟水平的不斷提高，為保證國內電力行業供電穩定，實現對單相接地故障的快速、精確化判別，結合故障序特性提出了一套行之有效的配電網單相接地故障辨識方法，并采用仿真分析的方式驗證了該辨識方法的有效性和可靠性。該辨識方法具有操作簡單和可行性強等特點，可以在短時間內快速分析和處理故障問題，為用戶正常連續供電提供相應保障，有效避免因長時間停電而給用戶的日常生活和工作造成的不便，在一定程度上也促使配電網能夠更加安全可靠的運行。