配電網(wǎng)單相接地故障的電場(chǎng)檢測(cè)裝置研制

陳繼祥，張自偉，盛啟玉，牟憲民

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇連云港 223000；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116000）

我國配電網(wǎng)接地大多采用中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)過消弧線圈接地的方式。在實(shí)際中，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的情況占比很高[1]，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，輸電線路與大地沒有直接電路關(guān)系，線電壓幅值和相位不變，所以在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后短時(shí)間內(nèi)還可以運(yùn)行[2]。然而，由于線路接地，中性點(diǎn)的參考電位發(fā)生變化，輸電線各相對(duì)地電壓即相電壓發(fā)生了變化，故障相對(duì)地電壓下降，非故障相對(duì)地電壓增大，導(dǎo)致輸電線路各相周圍的空間電場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生了變化[3]，對(duì)處于電場(chǎng)增大區(qū)域的作業(yè)人員安全造成了一定威脅[4-6]。同時(shí),非故障相的電壓升高也可能導(dǎo)致線路絕緣遭到破壞，使故障進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，為帶電作業(yè)人員實(shí)時(shí)提供電場(chǎng)強(qiáng)度信息，保證第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)接地故障線路、進(jìn)行線選和搶修工作、避免發(fā)生電場(chǎng)危害非常有必要。

為解決上述問題，該文研發(fā)了配電網(wǎng)單相接地故障的電場(chǎng)檢測(cè)裝置，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 接地故障分析與傳感器設(shè)計(jì)

1.1 單相接地故障分析

當(dāng)不接地的三相輸電線路系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)電位為零，三相電源各相對(duì)地電壓的大小和相位都會(huì)發(fā)生變化[7-8]，線路各相電壓之間的聯(lián)系可以采用如圖1 所示的相量圖來表示。

圖1 單相接地故障電壓相量圖

正常運(yùn)行時(shí)，三相輸電線路的電壓對(duì)稱。若C相發(fā)生接地故障，為簡化分析，假定C 相金屬性接地，即C 相的相電壓為零，零電位參考點(diǎn)發(fā)生變化，變?yōu)閳D中點(diǎn)O1，三相對(duì)地電壓變?yōu)椋?/p>

由式（1）和電壓相量圖易知，非故障相電壓升高根號(hào)3 倍，相位同時(shí)也發(fā)生了改變。工頻50 Hz 交變電場(chǎng)的波長約為6 000 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所研究區(qū)域內(nèi)的最大距離，可將工頻電場(chǎng)視為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)[9]，靜電場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)梯度的關(guān)系為[10]：

式中,E是電場(chǎng)強(qiáng)度，φ是電勢(shì)，?是散度算子。因此，當(dāng)輸電線路發(fā)生單相接地故障后，由于零電位參考點(diǎn)轉(zhuǎn)移到接地點(diǎn)，空間電勢(shì)發(fā)生改變進(jìn)而輸電線周圍的空間電場(chǎng)強(qiáng)度較接地故障前也會(huì)發(fā)生變化。

1.2 平行半圓板電場(chǎng)傳感器等效電路模型

交變電場(chǎng)會(huì)使電場(chǎng)傳感器極板表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，利用電荷和電場(chǎng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以獲得電場(chǎng)測(cè)量信號(hào)[11-12]。輸電線路周圍的電場(chǎng)發(fā)散，為了增大極板感應(yīng)面積，設(shè)計(jì)了半圓形極板的電場(chǎng)傳感器，等效模型如圖2 所示。

圖2 平行半圓板電場(chǎng)傳感器等效模型

假設(shè)t時(shí)刻空間電場(chǎng)強(qiáng)度為E(t)，在傳感器傳感單元表面感應(yīng)出感應(yīng)電荷Q(t)。假定傳感單元表面積大小為s，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷面密度為σs，則極板的面電荷大小為：

式中,k為變換系數(shù)。

感應(yīng)電荷作用在極板間的耦合電容上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，大小為：

式中，Cp為極板間耦合電容[13]。

即通過測(cè)量電容上的電壓就可以計(jì)算出電場(chǎng)[14-15]。將低通調(diào)理電路進(jìn)行拉普拉斯變換，利用回路電流法得到：

聯(lián)立方程組求得傳遞函數(shù)為：

計(jì)算頻域增益，得到調(diào)理電路輸出電壓Uo與電場(chǎng)強(qiáng)度E(t)的關(guān)系式為：

式中,ω為角頻率。

因此，通過測(cè)量調(diào)理電路的輸出電壓即可以得到輸電線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度值[16]。

2 有限元與電路仿真結(jié)果

2.1 多物理場(chǎng)模擬

COMSOL MULTIPHYSICS 是一款多物理場(chǎng)仿真軟件，功能十分豐富。該文選取10 kV 電桿的單回輸電線路進(jìn)行分析。則A 相發(fā)生接地故障前后的電壓仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 A相接地故障電壓仿真結(jié)果

仿真結(jié)果可以看出當(dāng)輸電線路A 相在發(fā)生接地故障后電壓迅速減小，非故障相電壓升高，其大小接近線電壓，會(huì)導(dǎo)致輸電線路周圍電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化。

在A 相和B 相正下方距電纜中心0.15 m 處設(shè)置電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)，分析當(dāng)A 相和B 相發(fā)生接地故障前后電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況，仿真結(jié)果如圖4-5 所示。

圖4 A相接地故障前后電場(chǎng)仿真圖

圖5 B相接地故障前后電場(chǎng)仿真圖

從仿真結(jié)果中可以看出，A 相在發(fā)生接地故障后電場(chǎng)強(qiáng)度急劇減小，而其余兩相電場(chǎng)強(qiáng)度增大。由于B 相為中間相受到A、B 兩相的耦合影響，電場(chǎng)強(qiáng)度在接地故障前后都要高于其余兩相。B 相在發(fā)生接地故障后電場(chǎng)強(qiáng)度也急劇減小，而其余兩相電場(chǎng)強(qiáng)度增大，且其余兩相在接地故障前后的電場(chǎng)強(qiáng)度值基本一致。輸電線路發(fā)生接地故障后，電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)與電壓大小變化趨勢(shì)相同。

2.2 電路模擬

使用MUTISIM 繪制了電場(chǎng)傳感器的調(diào)理電路并進(jìn)行仿真分析，電路仿真模型如圖6 所示。

圖6 MUTISIM電路仿真模型

設(shè)輸入的交流電壓信號(hào)Up幅值為200 mV，頻率為50 Hz，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 調(diào)理電路仿真圖

仿真結(jié)果表明，電場(chǎng)傳感器的調(diào)理電路可以同比例獲得電場(chǎng)傳感器極板上感應(yīng)的交流電壓信號(hào)。

3 輸電線路模擬實(shí)驗(yàn)

為了模擬實(shí)際輸電線路和其單相接地故障情況，在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)簡單的拉線門型桿輸電線路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀］旊娋€路長3 000 mm、距地面1 000 mm、相間距270 mm，采用隔離變壓器和自耦變壓器連接模式，可實(shí)現(xiàn)輸電線路變壓式單相接地故障電場(chǎng)測(cè)量，電場(chǎng)傳感器設(shè)備A、B、C 分別對(duì)應(yīng)線路三相水平放置。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8 所示。

圖8 拉線門型桿實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

參考傳感器位置，將校正后的PCB 傳感單元放置在距輸電線正下方15 mm 處，測(cè)量輸電線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度，繪制測(cè)量數(shù)據(jù)曲線與COMSOL 仿真數(shù)據(jù)曲線，曲線關(guān)系如圖9 所示。

圖9 PCB傳感單元測(cè)量曲線與COMSOL仿真曲線

從圖9 中曲線可以看出，在輸電線的絕緣皮、平整度以及環(huán)境因素的影響下，電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)際測(cè)量值要略小于COMSOL 仿真值。但從曲線分布可以看出，兩者趨勢(shì)相同，均具有參考性，因此，使用COMSOL 仿真數(shù)據(jù)校正平行半圓板電場(chǎng)傳感器具有合理性。校正后的平行半圓板電場(chǎng)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)曲線如圖10 所示。

圖10 平行半圓板傳感單元測(cè)量曲線與COMSOL仿真曲線

可以看出經(jīng)過校正后的平行半圓板傳感單元測(cè)量線性度明顯優(yōu)于PCB 傳感單元測(cè)量，與COMSOL電場(chǎng)強(qiáng)度仿真值基本重合。

為驗(yàn)證上述輸電線路發(fā)生單相接地故障后的電場(chǎng)強(qiáng)度變化情況，利用圖8 搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行單線接地實(shí)驗(yàn)，輸電線電壓為0.26 kV，線路A 相接地，并通過折現(xiàn)圖顯示記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

圖11 電場(chǎng)強(qiáng)度折線圖顯示

從實(shí)驗(yàn)測(cè)量效果中可以看出，當(dāng)線路A 相發(fā)生接地故障時(shí)，其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度迅速減小，而B、C 兩相周圍電場(chǎng)強(qiáng)度增大，與COMSOL 單相接地故障仿真結(jié)果一致，說明研制的電場(chǎng)檢測(cè)裝置能夠通過監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷接地故障，電場(chǎng)檢測(cè)精度較高，實(shí)際應(yīng)用效果好。

4 結(jié)論

該文通過對(duì)配網(wǎng)單相接地故障前后的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真分析，搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)故障狀態(tài)的電場(chǎng)分布進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，利用平行板型電場(chǎng)傳感器和分布式通信功能可以快速捕捉到接地故障發(fā)生后的電場(chǎng)變化情況以及故障線路信息。文中方法在單相接地故障的檢測(cè)中具有較好的有效性和實(shí)時(shí)性。在后續(xù)研究中，希望通過增加傳感器平行半圓板傳感單元數(shù)量，進(jìn)一步提高分布電場(chǎng)的檢測(cè)質(zhì)量。