基于波形的10 kV 配網單相接地故障區段定位技術

曲 曉

（國網山東省電力公司 龍口市供電公司，山東 煙臺 265701）

0 引 言

單相接地短路是配電網發生率最高的一種故障類型，國內10 kV 配電網多選擇小電流接地，出現單相接地故障后，雖然故障電流相對較小，但是電壓依舊對稱，所以暫時不會影響供電，然而持續運行就可能會損壞電氣設備。因此，如何精準、快速展開故障定位，是需要探討的重要課題[1]。為第一時間處置接地故障，快速鎖定故障點，需要在第一時間隔離故障區段，確保非故障區域的供電能夠恢復至正常狀態。目前，越來越多具備錄波功能的終端被應用在配網線路中，對配網數據傳輸與精準定位單相接地故障具有較大價值[2]。

1 單相接地故障區段定位技術

1.1 基于波形的區段定位定性分析

在中性點通過消弧線圈接地時，其零序電流即為母線與故障點間的電流及未故障線路的電流的總和，且其流動方向為母線。從母線到主次側的零序電壓值為主次側的電壓值和，在該情況下，由于該故障點所在的區域內，其前后端的零序電流幅度、相位差異很大，因此該區域內的零序電流幅度、相位也有很大差異[3]。

由上述分析可知，在該故障點的上端，每一區間內的零序電流都高度類似；在該故障點的下端，每一個區間內的零序電流也都非常類似，但是在該故障的兩邊，也就是在短路區間內，零序電流在短路區間內存在很小的相似性。該方法可以根據零序電流的相似性判斷出故障點的具體位置。當一條線路發生單相接地時，且線路中2 個部分的零序電流并不相同，但這一部分的上行區段零序電流和下行區段零序電流比較接近，那么該部分被判定為故障部分[4]。

1.2 基于波形的區段定位定量判據

為確保配網系統能夠自動判斷故障區段，依照線路區段兩端的電流采樣序列，對二者的波形系數（ρmn）進行計算，表示波形相似程度。將其當作識別故障區段的重要判據，具體公式為

式中：iom(k)與iom(k)分別為區段兩端k零序電流的采樣值。依照配電網的運行情況，將相關系數閾值設置為ρH，取值為-1 ～1。接收主站收集故障，并由選線裝置鎖定故障線路之后，對故障線路分段開關位置的錄波數據進行自動收集。對故障線路各個區段的零序電流系數ρmn進行判斷，比較所計算的系數閾值ρH和ρmn，若ρH＞ρmn，則說明該區段屬于故障區段；若ρH＜ρmn，則說明該區段屬于非故障區段。鎖定故障后，向主站上報故障位置，由主站分析并發出解決命令，斷開故障區段電路，有效隔離非故障與故障區段，使非故障區段能夠盡快恢復正常供電[5]。

2 10 kV 配網的單相接地故障區段定位仿真

2.1 設置區段定位仿真條件

單線圖創建10 kV 配網的單相接地故障區段定位仿真模型，具體如圖1 所示。系統的中性點經過消弧線圈時連接地面，消弧線圈的阻抗值為j48.28±0.88 Ω，線路1、線路2 與線路3 的長度分別為10 km、15 km以及20 km。線路單位長度的零序與正序參數值如表1 所示。

表1 線路單位長度零序與正序參數值

圖1 系統單線圖

以上線路中，線路3 創建有4 個零序電流檢測元件，能夠對零序電流波形進行實時記錄，模擬線路內具有錄波功能的配電線路終端，檢測元件劃分線路為區段1 ～區段4。

2.2 單相接地故障區段定位仿真分析

通過觀察仿真模型發現，0.3 s 時的線路3 的區段2 中發生單相接地現象，由此獲得3 條線路零序電流波形，具體如圖2 所示。

圖2 線路3 接地線路零序電流

在發生故障時刻，出現故障的導線和完好的導線之間存在180°的零序電流相位差，發生故障導線的零序與未發生故障的導線間零序電流總和的振幅相近。在出現故障30 ms 后，故障線和未故障線之間的零序電流相位相差幾乎為0°，這是通過消弧線圈對中性點進行單相接地時所特有的現象[6]。根據該特性，能夠將線路3 判定為一條故障線路。

確定了故障后，再對接地點所在的分段進行定位。線路3 的上區段2 產生了單相接地，零序電流的波形由它的上行檢測點a、b 以及下行檢測點c、d 所記錄，具體如圖3所示。通過圖3可清楚地看出，在線路3中，當故障出現30 ms時，也就是在消弧線圈充分起效之前，檢測點a 與檢測點b 所測量到的零序電流的波形非常接近，檢測點c 與d 所測量到的零序電流的波形也非常接近，同時檢測點b 與c 所測量到的電流的波形也非常接近，并且檢測點b 與c 所測量到的電流的波形非常接近。因此，可以通過檢測點b 與c 所測量到的零序電流的波形非常接近的特點來確定故障區域，進而對故障區段進行定位。

圖3 故障線路監測點零序電流

2.3 仿真數據處理

2.3.1 接地電阻不同的區段零序電流系數

零序電壓相角為30°的情況下，觸發單相接地故障如表2 所示，對各接地電阻值進行設置，其中rab、rbc、rcd分別表示檢測點ab、bc 以及cd 間的零序電流系數，分別對應區段1 ～區段3。

表2 接地電阻不同的區段零序電流系數

從模擬仿真結果中可以看出，在二次短路過程中，零序電流均為負，其絕對數值介于0.3 ～0.7。沒有發生故障區段1、區段3 的零序電流間存在正相關性，其絕對值達到0.98 以上。在不同情況下，不管是非故障或者故障線路，在發現接地電阻增加時，零序電流在每一區間內的關聯度都有減小的趨勢。

2.3.2 各故障觸發角中區段零序電流系數

設定地阻抗為10 Ω，零序電壓的相角為10°、30°、45°、60°、75°以及90°的情況下，啟動單相接地，并在不同的觸發角度下分析每一分段上的零序電流，結果如表3 所示。

表3 各故障觸發角中區段零序電流系數

從模擬結果中可以看出，在2 號斷路器上，零序電流存在著明顯的負相關性，其絕對值為0.5～0.7。未短路區段1 與區段3 的零序電流均為正，且其絕對值超過0.9。不管發生了什么情況，每一次零序電流之間的關聯度都會減小[7]。通過對各種接地電阻和各種故障觸發角的模擬計算可以看出，在小電流接地系統發生單相接地故障的情況下，其大小會隨接地電阻或故障觸發角而增大；在每一次短路時，其零序電流的絕對值都遞減[8]。在無短路情況下，零序電流具有較高相似性，其相關性為正，近似于1；短路情況下，零序電流的相似度較低，其相關性為負，近似于-0.5。基于該特征，與實際的線路參數以及運行狀況相結合，對區間兩端的零序電流進行了相應的設定，當相關系數比ρH小時，屬于故障區段，若大于ρH，則為非故障區段。

3 結 論

總而言之，經消弧線圈接地的中性點存在非常明顯的暫態特征，系統產生接地故障后，暫態電流會大于正常電流十幾倍。本文基于暫態零序電流波形的相似程度，視為小電流接地系統的單向故障區段的定位判據，仿真結果顯示，故障區域兩端零序電流系數是接近-0.5 的負數，非故障區零序電流系數是接近1的正數，由此在-0.5 ～1 的區間中選取適當值當作判據閾值，若系數比閾值小，則表示為故障區段，若比閾值區段大，則屬于非故障區段。此外，需要與運行數據及配網參數相結合，對該閾值進行設置，以保證單相接地故障定位的可行性。