嚴(yán) 鳳,郭增為

（華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003）

0 引言

電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)分布最廣、結(jié)構(gòu)最龐大復(fù)雜。與高壓輸電線路相比，配電線路的故障頻繁；尤其是發(fā)生單相接地故障的概率最大。我國l0 kV配電網(wǎng)大部分屬于小電流接地系統(tǒng)[1]，故障特征量小，故障定位困難。如果能快速準(zhǔn)確地確定單相接地故障位置，不但可以節(jié)省用于巡線的人力和物力，而且能夠大大縮短故障停電時間,提高運行的可靠性,減少因事故停電造成的損失。目前，國內(nèi)外故障定位的研究成果很多，一般是針對110 kV及以上的高壓輸電線路[2-4]；而中低壓配電線路故障定位的研究目前仍處于研究階段。

1 配電網(wǎng)定位的難點與定位方法

1.1 配電網(wǎng)定位的難點

配電網(wǎng)故障定位主要有2大難點：一是故障接地電阻比較大。這時的故障信號微弱，加上現(xiàn)場的噪聲干擾，很多定位方法會失效，這使得許多方法不能用于配電網(wǎng)故障定位。二是線路分支多。分支點對暫態(tài)信號有衰減和畸變作用，返回接收端的暫態(tài)信號已經(jīng)衰減得相當(dāng)微弱，可能無法檢測到故障信號，定位失效。

故障定位方法只有解決以上難題，才可能徹底解決配電網(wǎng)故障定位問題。

1.2 傳統(tǒng)定位方法分析

故障定位方法按原理可以分為阻抗法、注入法、故障指示器法和行波法[4-10]。

阻抗法假定線路為均勻線，利用故障時測量到的電壓、電流來計算故障回路的阻抗；根據(jù)線路長度與阻抗成正比的關(guān)系來估算故障距離。

注入法的原理是：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，通過母線PT向接地相注入電流信號，然后根據(jù)該電流信號僅在接地線路的接地相中流動的特點，利用專用的信號探測器檢測該電流信號的路徑，從而判斷出故障分支和故障點。

故障指示器方法是將故障指示器固定安裝于配電線路上，通過檢測配電線路故障電流，指示故障所在的出線、區(qū)段和分支。

行波法在輸電線路的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。行波定位方法一般分為A型、B型和C型3種。A型定位原理利用故障點產(chǎn)生的行波,根據(jù)測量點到故障點往返一次的時間和行波波速確定故障點距離。B型定位原理利用故障點產(chǎn)生的行波到達(dá)線路2端的時間差來實現(xiàn)定位。A、B型2種定位方法都需要檢測線路故障瞬間產(chǎn)生的行波信號，需要在變電站的母線上線路的出線處加設(shè)檢測裝置，投資較大，檢測的準(zhǔn)確性與故障時間、線路狀況等因素有關(guān)。C型定位原理與A型定位原理一樣，不同的是，它利用的是人工注入的行波信號。如圖1所示，線路故障后，人工向故障線路發(fā)射脈沖信號，然后檢測發(fā)射脈沖信號的時刻和來自故障點的反射波到達(dá)檢測點的時刻。設(shè)故障點到信號檢測點M的距離為XL，則故障點的計算公式為

C型定位法屬于離線定位方法，是在線路因故障退出運行后，再對線路進(jìn)行故障定位。

圖1 C型行波定位示意圖

2 行波-直流綜合定位方法

提出的綜合故障定位方法是將C型行波法和直流法結(jié)合起來的行波-直流綜合故障定位方法，利用2種方法的互補性來提高故障定位的準(zhǔn)確性。

2.1 特征波C型行波定位方法

2.1.1 確定故障特征波

線路發(fā)生故障后，如果在線路首端向線路發(fā)射行波信號，那么，信號將會在線路首端與接地故障點之間往復(fù)傳播，直至衰減為0。在線路首端檢測時，這些往復(fù)傳播的行波信號可以分為2大類：一類是由波阻抗不連續(xù)點產(chǎn)生的到達(dá)檢測點的第一個反射波，另一類是在線路的節(jié)點之間經(jīng)多次折射、反射后的波。波阻抗不連續(xù)點包括線路上的分支點、分支末端點和接地故障點。C型行波法利用第一類波，即行波在波阻抗不連續(xù)點產(chǎn)生的第一個反射波來進(jìn)行故障定位，該波稱為節(jié)點的特征波。

可以利用比較法來確定故障點的特征波。為了比較，先在正常線路上注入脈沖信號，并檢測其反射波；線路發(fā)生接地故障后，在故障線路上注入脈沖信號，并檢測其反射波；對2個信號進(jìn)行比較。通過比較可以看出：在故障點第一個反射波到達(dá)之前，2個信號是完全一樣的，之后則不同。據(jù)此可知，2個波形的第一個差異點必然是來自故障點的反射波，這個波稱為故障特征波。

在線路上注入的脈沖信號，經(jīng)過線路上的波阻抗不連續(xù)點返回到檢測點時，在時域上為突變性的奇異點。突變點的檢測是個難題，小波變換[11-14]作為一個新興數(shù)學(xué)分支為解決這一難題提供了有力工具。作為一種時頻分析方法，小波變換具有良好的時頻局部特性。信號在時域上的突變奇異點包含豐富的高頻信息，信號在小波變換后的模極值對應(yīng)于突變點，所以，可以利用小波變換奇異性檢測理論來得到反射波的位置和時刻。

2.1.2 確定故障距離

雖然行波在分支線路中的折反射過程非常復(fù)雜，但是只要找到來自故障點的第一個特征反射波，就可以進(jìn)行故障定位。通過識別來自故障點的特征反射波，得到故障波到達(dá)時刻，根據(jù)公式（2），計算出故障點的電氣距離

式中，L表示故障距離；ν表示波速。

對于多分支的配電線路，與線路首端相距L的地方不止一個，其中只有一個是真正的故障點，其余的為偽故障點。只有找到真正的接地故障點，排除偽故障點，才能提高定位的準(zhǔn)確性。

2.1.3 確定故障位置

比較線路正常情況和故障情況的反射波時發(fā)現(xiàn)，某一分支發(fā)生故障，必然導(dǎo)致該分支及子分支的節(jié)點特征波發(fā)生變化，而其余節(jié)點的特征波不變。如圖2所示，F(xiàn)點故障時，節(jié)點A、D的特征波不變。如果是金屬接地，則節(jié)點B、C、E的特征波消失；如果經(jīng)電阻接地，則節(jié)點B、C、E特征波的幅值變??；因此，在金屬性單相接地時，各個波阻抗不連續(xù)點的特征波變化明顯，可以根據(jù)特征波的變化來確定故障發(fā)生的分支線路。

圖2 線路故障情況

實際上，由于線路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其通常是經(jīng)電阻接地的故障，各個波阻抗不連續(xù)點的特征波不明顯，有時根本檢測不到這些特征波，所以，一般情況下，對于帶有分支的配電線路，用C型行波法很難找出故障分支。

2.2 直流定位法

直流定位法的主要思路與注入法類似，首先在線路首端M向故障相MN注入直流信號。電源的輸出電壓可調(diào)，通過調(diào)整電源的電壓來控制注入電流的大小，一般將電流控制在100 mA左右；然后在故障線路上按區(qū)段檢測注入的直流信號，最后確定出故障分支。直流定位法的優(yōu)點是能夠很準(zhǔn)確地找到故障分支。

圖3 直流定位示意圖

如圖3所示的配電線路中，假設(shè)F點發(fā)生故障，在線路始端M點注入直流信號，則信號的流通路徑是M-A-B-C-F，然后由大地返回；其他分支沒有電流信號通過。在C點檢測1次便可確定EF支路為故障支路。正確地檢測出線路上注入的直流信號是直流注入法的關(guān)鍵。直流信號的檢測主要應(yīng)用霍爾效應(yīng)和傳感器技術(shù)?？梢詫⒒魻柶骷y得的電流信號數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙技術(shù)傳送至地面，地面人員用配套裝置接收數(shù)據(jù)并顯示。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以確定故障分支。

2.3 行波-直流綜合定位方法

針對配電網(wǎng)定位的難題，通過對現(xiàn)行的定位方法進(jìn)行分析，提出了利用多種信息來進(jìn)行綜合定位的方法，其目的是利用不同方法的互補性來提高故障定位的準(zhǔn)確性。

將特征波C型行波定位法和直流注入法結(jié)合起來的行波-直流綜合定位方法，分2步進(jìn)行故障定位：第一步是在故障線路首端注入高壓脈沖信號，利用C型行波法確定故障距離；第二步是在線路首端注入直流信號，利用直流法確定出故障分支。故障距離結(jié)合故障分支就可以對帶分支的配電線路進(jìn)行精確的故障定位。

行波-直流綜合故障定位方法融合了行波法和直流法的優(yōu)點,彌補了單一使用任意一種故障定位方法的不足，提高了故障定位的準(zhǔn)確性。特征波C型行波定位方法的優(yōu)點是不受故障時刻線路本身產(chǎn)生的行波信號強弱的影響；發(fā)射的行波波形和強度可以人為控制；能夠迅速地確定故障距離。直流法的優(yōu)點是不受線路分支的影響，分支和它的下游若沒有接地故障，就相當(dāng)于開路；也不受故障點接地電阻和對地電容電流的影響。通過調(diào)整電源輸出電壓的大小可以保證直流信號在指定數(shù)值范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確地確定故障分支。行波-直流綜合故障定位方法是2種方法的結(jié)合，能夠很好地解決前面提出的接地故障定位的2個難點問題。

3 仿真實驗及結(jié)果

對于行波-直流綜合故障定位方法,在帶分支的線路上進(jìn)行了ATP-EMTP仿真試驗，通過仿真試驗驗證了其正確性。

對于故障仿真得到的行波信號，利用小波包進(jìn)行了3層分解；通過分解系數(shù)重構(gòu)的信號由8個分頻帶組成。圖4所示是一條帶3個分支的10 kV仿真線路，分支的末端是配電變壓器。假設(shè)在F點發(fā)生了單相電阻接地故障，由于配電變壓器在高頻情況下只有入口電容起作用，可用電容C來替代變壓器。

圖4 仿真線路

假設(shè)故障發(fā)生在線路的CN段，距離線路首端M點13 km；分別設(shè)置金屬性接地與接地電阻為1000 Ω的接地2種故障。故障后，在首端注入脈沖信號，在母線首端進(jìn)行采樣，檢測反射行波信號。下面是該線路的仿真波形，其中，圖5是線路正常時的波形，圖6是F點發(fā)生金屬性接地故障時的波形，圖7是F點發(fā)生接地電阻為1000 Ω時的波形。

圖5 線路正常時的仿真波形

圖6 金屬性接地時的仿真波形

圖7 接地電阻1000 Ω時的仿真波形

圖8和圖9分別是正常線路與2種故障仿真波形的波形差。對圖8和圖9波形差信號用matlab小波包進(jìn)行分解和重構(gòu)，得到故障時刻均為t=86.74 μs，根行波速度，取ν=300 m/μs則實際的13 kM相差11 m。

圖8 線路正常與金屬性接地的仿真波形差

圖9 線路正常與接地電阻1000 Ω的仿真波形差

從圖8和圖9可以看出，圖形的第一個信號不為0的時刻，即故障特征時刻是相同的。

表1是接地電阻為1000 Ω，在不同點設(shè)置單相接地故障時的仿真測距距離與誤差。結(jié)果表明，在接地電阻為1000 Ω時，特征波C型行波方法的精度很高。

表1 仿真數(shù)據(jù)

當(dāng)線路CN段發(fā)生了故障，并利用特征波C型行波定位方法確定了故障距離之后，會發(fā)現(xiàn)在這個距離區(qū)段，有2個分支CG和CN，特征波C型行波方法不能確定故障發(fā)生在哪個分支。為了確定故障所在的分支，需要利用直流注入定位法。

在首端M點注入直流信號，通過調(diào)節(jié)電源，使注入電流為100 mA；檢測CG、CN 2個分支中的任意一個，有直流信號的為故障分支。最后的結(jié)論是：故障點在CN段，故障距離是13 km。

通過以上仿真可知，2種方法結(jié)合的行波-直流綜合故障定位方法可以迅速準(zhǔn)確地找到故障點。

5 結(jié)語

針對10 kV配電線路的特點和故障定位的難點，提出了行波-直流綜合故障定位方法。該方法結(jié)合了特征波行波定位法和直流注入定位法的優(yōu)點，利用2種方法的互補性提高了故障定位的準(zhǔn)確性。經(jīng)過理論分析和大量ATP仿真,結(jié)果表明行波-直流綜合故障定位方法不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分布電容和線路參數(shù)的影響，能夠解決離線狀態(tài)下配電網(wǎng)單相接地故障定位問題。在實際應(yīng)用中，由于測量設(shè)備的精度、氣象條件、線路運行狀況、數(shù)據(jù)誤差等因素的影響，定位精度會有所下降，這些需要在實際運行中加以檢驗和改進(jìn)。對于供電可靠性要求較高的地區(qū)，離線的故障定位不能滿足用戶的要求，以離線綜合故障定位方法為基礎(chǔ)的在線故障定位方法也有待深入研究。

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