基于零序CT載波信號注入的配電網單相接地故障定位研究

摘要：現代配電網不僅結構復雜，而且地下電纜和架空線混合，故障巡視困難，因此迫切需要研究出快速、準確的單相接地故障定位方法。鑒于此，提出一種基于零序CT載波信號注入的中性點不接地配電網單相接地故障定位方法，即對饋線零序電流互感器的二次負載電阻電壓通過電子開關進行高頻調制，所調制的高頻載波信號再通過該互感器回饋到一次線路側，經電纜和（或）架空線傳輸到變電站接收、解調，還原出二次負載電阻電壓幅值、相位等信息。現分析該方法的原理和應用，并通過仿真驗證其正確性和可行性：該方法能夠快速獲得線路零序電流的分布信息，并據此對接地故障點進行準確定位。

關鍵詞：配電網；故障定位；零序電流；高頻載波

中圖分類號：TM864" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0022-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.006

0" " 引言

配電網運行的安全性和穩定性對提高全網經濟效益和保障人民生活水平意義重大。配電網大多數故障為單相接地故障，快速準確定位故障點，可及時處理、排除接地故障，盡快恢復正常供電[1]。現代配電系統不僅結構復雜，而且地下電纜和架空線路混合，加上分支線路，使得接地故障定位更為困難。

傳統的接地故障定位方法主要有阻抗測距法[2]、S注入法[3-4]和行波法[5-7]。阻抗測距法利用阻抗與線路長度的關系確定故障距離，由于接地過渡電阻的存在，定位精度受到影響。S注入法通過向故障饋線注入低頻信號實現故障定位，但人工手持探測器進行巡檢定位耗時長。行波法需要高采樣率的錄波裝置，配電網拓撲結構復雜使得波頭提取困難，配電網故障定位效果不理想。

本文提出一種基于零序CT載波信號注入的中性點不接地配電網單相接地故障定位方法，它直接通過電力線傳輸載波信號，無須計算，不用人工巡檢，直接觀察監測點就能確定故障點位置。該方法是在配電網中每隔一段距離安裝零序電流互感器，對每個互感器二次側的零序電流用不同的高頻進行調制，高頻載波信號通過電力線傳輸到監測端，將信號進行放大濾波處理，得到零序電流載波信號，利用波形的特殊性對各監測點的零序電流進行相位識別，實現快速準確定位。

1" " 基于零序電流載波的故障定位原理

1.1" " 故障定位原理

以中性點不接地系統為例，在沒有故障時，線路中的零序電流為0，在發生單相接地故障時，各線路的零序電流幅值和相位會發生有規律的變化。因此，提取各監測點零序電流的幅值、相位信息，就能確定故障點的位置。如圖1所示，在配電網各出線每隔一段距離安裝傳統的零序電流互感器，將每個互感器分別注入不同頻率的載波信號，其頻段為5～100 kHz。

1.2" " 故障定位判據

假定電網三相線路對地電容參數相等，則系統每相線路對地總電容為CA0=CB0=CC0=C0；故障饋線每相對地電容為CA0g=CB0g=CC0g=C0g；非故障饋線共有N條，每相對地電容為CA0k=CB0k=CC0k=C0k（k=1，2，3，…，N）。則有CA0=CA0g+CA0k，CB0=CB0g+CB0k，CC0=CC0g+CC0k。

若某條饋線C相線路發生金屬性單相接地故障，故障點接地電流Ig*為：

Ig*=jωCA0UAC*+jωCB0UBC*=-3jωC0UC*" " " " "（1）

式中：ω為角頻率；UAC*、UBC*為健全相線電壓相量；UC*為故障相相電壓相量。

假設第k條饋線總長度為Sk，則非故障饋線距離母線出口x km處的零序電流Ikx*為：

Ikx*=jω（UAC*+UBC*）

=-j3ωUC*" （0≤x≤Sk）" " " " "（2）

假定故障饋線總長度為Sg km，距離母線出口Y km處發生單相接地故障，則故障點前（變電站側）饋線長度為Y km，故障點后（負荷側）饋線長度為（Sg-Y）km。此時，故障點前距離母線出口x km處的零序電流Igx*為：

Igx*=-jω（UAC*+UBC*）-jω（C0-C0g）（UAC*+UBC*）

=j3ωC0-

C0gUC*" （0≤x≤Y）" （3）

接地故障點后距離母線出口x km處的零序電流Igx*′為：

Igx*′=jω（UAC*+UBC*）

=-j3ωUC* （Y≤x≤Sg）" " （4）

根據式（1）～（4）可以推導出發生單相接地時零序電流分布圖如圖2所示，故障饋線單相接地點前（變電站側）的自然零序電流幅值幾乎與整個電網單相接地（零序）電流相等，幅值最高，且隨著距離的增加，零序電流逐漸線性增大。相比之下，非故障饋線和故障饋線接地點后端（負載側）零序電流幅值則要小得多。同時，故障饋線單相接地點前（變電站側）的自然零序電流相位與非故障饋線、故障饋線接地點后端（負載側）饋線的零序電流相位相反。

2" " 高頻載波信號的調制與處理

2.1" " 零序電流信號的高頻調制

三相地下電纜上零序電流互感器的安裝及其配置如圖3所示。

圖中高頻mos管T1與二極管D1反向并聯，mos管T2與二極管D2反向并聯，將它們串聯后并至電阻R兩端。在T1和T2控制柵極施加頻率為f的高頻方波信號P（ t" ）來控制mos管的導通和關斷，對電阻R上的電壓進行高頻調制。當P（ t" ）為高電平，流入正半周零序電流時，T1和D2導通，電阻兩端被短路；當P（ t" ）為低電平時，開關不導通，此時電阻R兩端電壓被提取。同理，當流入負半周零序電流時，是T2和D1工作。調制過程圖如圖4所示。

2.2" " 零序電流信號的處理

載波調制后的信號耦合回互感器一次側后，通過電力線傳輸到母線接收端，此時接收到的信號是各個頻率的載波信號和工頻信號的混合信號，所以首先采用高通濾波器來濾除工頻信號，再經過帶通濾波器選頻，就可以得到各個頻率所對應的載波波形。

將設置好的電路用MATLAB軟件進行仿真，濾波后的載波信號波形如圖5所示。圖中分別對5、10、15、20 kHz的頻率進行了放大濾波處理，可以看出濾波后的載波信號是一個包絡波形，根據前面的故障判據可知，故障點前后兩端零序電流的相位相反且幅值變小。

對圖1所示的每個監測點進行零序電流載波信號的實時監測，在發生單相接地故障時，故障點前后的零序電流相位發生了180°偏移，且幅值變小。找出這兩個頻率對應的互感器的位置，即可確定故障區段。

3" " 系統仿真

3.1" " 輻射型電纜配電網故障定位的仿真

基于MATLAB建立如圖6所示的仿真模型。配電網單相接地電流為IJ=80.0 A，故障饋線3總長l3=

11 km，饋線3發生單相接地點在距離變電站出口7 km處。各饋線沿線1、3、5、7、9 km處分別裝設載波頻率為f1=25 kHz、f2=20 kHz、f3=15 kHz、f4=10 kHz、f5=5 kHz的零序電流互感器。

當故障發生在7 km和9 km之間時，可以看到圖7所示的仿真結果顯示，故障點前后對應的互感器零序電流信號相反，且f4=10 kHz、f5=5 kHz零序電流信號幅值突然變得很小。由此可以斷定接地故障發生在7 km和9 km之間。

3.2" " 輻射型架空線配電網故障定位的仿真

架空線模型采用型號為LGJ-185的線路，建立如圖8所示仿真模型。

假設故障饋線3總長l3=10 km，沿線1、3、5、7、9 km處分別裝設載波頻率為f1=25 kHz、f2=20 kHz、f3=15 kHz、f4=10 kHz、f5=5 kHz的零序電流互感器。

假設單相接地故障發生在9.0 km饋線處，故障線路各零序電流載波檢測信號波形如圖9所示。當故障發生在7 km和9 km之間時，可以看到仿真結果顯示，故障點前后對應的互感器零序電流信號相反，且幅值突然變得很小，可以判斷故障發生在7 km和9 km之間。

4" " 結束語

本文提出了一種基于零序CT載波信號注入的配電網故障定位新方法，用于地下電纜和架空線配電網單相接地故障定位。本文首先討論了零序電流的分布情況，推導出了故障定位的判據；然后分析了零序電流高頻調制的原理以及如何實現相位識別功能；接著介紹了接收端的處理和濾波性能；最后通過仿真和實驗驗證了理論的可行性。

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收稿日期：2024-07-03

作者簡介：余娜（1992—），女，湖北武漢人，博士，講師，研究方向：配電網故障定位、機械臂控制。