李洪濤 唐先武 劉日亮 史 永

1.國(guó)網(wǎng)北京市電科院 北京 100075

2.北京映翰通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)股份有限公司 北京 100015

3.國(guó)家電網(wǎng)公司 北京 100033

0 引言

中性點(diǎn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障判斷一直是困擾10kV線路運(yùn)行的大問題。小電流接地配電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)中只產(chǎn)生很小的接地電流，三相線電壓依然對(duì)稱，并不影響系統(tǒng)的正常工作。按照我國(guó)電力操作規(guī)程，小電流接地配電網(wǎng)可以帶故障運(yùn)行2小時(shí)，在此期間瞬時(shí)和短時(shí)間單相接地故障會(huì)自行消失，配電網(wǎng)無需跳閘停電，提高了供電可靠性，這也是小電流接地在我國(guó)配電網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用的原因。單相接地故障是小電流接地配電網(wǎng)所有故障中發(fā)生最頻繁的一種，約占所有故障的50~80%。在發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間單相接地故障后，必須盡快找到單相接地故障點(diǎn)，排除故障。否則接地故障產(chǎn)生的過電壓和接地電流，可以導(dǎo)致電纜燒損、電壓互感器燒毀、開關(guān)柜損壞等電力系統(tǒng)事故。同時(shí)接地線路如果當(dāng)作正常線路長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)給當(dāng)?shù)鼐用?、家畜安全帶來極大的隱患。近年來，多起人身觸電、開關(guān)柜燒損、電纜起火等惡性事故時(shí)有發(fā)生，極大地威脅了電網(wǎng)安全生產(chǎn)。［1－2］

我們已不能用傳統(tǒng)的思路來看待小電流接地系統(tǒng)單相接地的問題，國(guó)家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)：中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的變電站比例為28.2%，不接地系統(tǒng)的變電站的比例是68.5%，比例巨大。中國(guó)廣大的郊區(qū)和農(nóng)村普遍采用架空線路，絕大部分采用小電流接地方式，由于線路總長(zhǎng)度大、分支多、地理環(huán)節(jié)復(fù)雜，單相接地故障查找困難，有效地故障判斷技術(shù)收效大。

在饋線自動(dòng)化方面，線路開關(guān)FTU集成選線模塊，與選線技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)了單相接地判斷從選線到選段的進(jìn)步［3－4］。但由于城郊和農(nóng)村配網(wǎng)長(zhǎng)線路比例很高，還需要進(jìn)一步的進(jìn)行單相接地故障定位。

1 高精度檢測(cè)終端采用的技術(shù)

1.1 采用電子式電流互感器拾取電流信號(hào)

傳統(tǒng)電磁式互感器由于采用電磁感應(yīng)原理，利用鐵磁性材料作為測(cè)量磁路，在測(cè)量的線性度、帶寬、暫態(tài)響應(yīng)上性能稍差，特別是在大電流時(shí)鐵磁性材料會(huì)飽和。為了更好地拾取配電網(wǎng)線路電流信號(hào)，高精度檢測(cè)錄波終端在三相線路上安裝的采集單元采用電子式電流互感器測(cè)量電流，電子式電流互感器具有低噪聲、高線性度、高精度和高帶寬的特點(diǎn)。

1.2 采用高采樣率采集暫態(tài)電流信號(hào)

為了能準(zhǔn)確記錄小電流接地配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)線路上的暫態(tài)電流信號(hào)，采集單元采用4kHz采樣率對(duì)線路電流信號(hào)進(jìn)行采集，可以記錄帶寬在1000Hz以內(nèi)的小電流接地故障暫態(tài)電流信號(hào)。

1.3 采用電流突變和電場(chǎng)突變觸發(fā)錄波

為了能記錄下故障發(fā)生瞬時(shí)前后的線路電流和線路對(duì)地電場(chǎng)波形，采集單元采用電流突變和電場(chǎng)突變作為觸發(fā)條件，啟動(dòng)錄波。

1.4 采用三相高精度無線同步對(duì)時(shí)疊加生成零序電流

為了能在架空線上獲得零序電流，三相采集單元通過三相之間進(jìn)行高精度無線同步對(duì)時(shí)，通過時(shí)間精確同步的三相電流信號(hào)直接疊加來生成零序電流，時(shí)間同步誤差可以控制在±100us以內(nèi)，三相相角誤差在±1.8°。

2 高精度檢測(cè)終端性能指標(biāo)實(shí)測(cè)

2.1 電子式電流互感器線性度與測(cè)量誤差

使用采集單元的電子式電流互感器，測(cè)量如下電流值交流電流：20A，25A，30A，200A，300A，400A，500A，600A，700A，一個(gè)典型的測(cè)量值和真實(shí)值之間的關(guān)系如圖1所示，相應(yīng)的測(cè)量誤差如圖2所示。

通過圖1和圖2，可以發(fā)現(xiàn)采集單元的電子式電流互感器具有較高的測(cè)量線性度，而且精度等級(jí)可以達(dá)到1級(jí)。

圖1 電子式電流互感器測(cè)量線性度

圖2 電子式電流互感器典型測(cè)量誤差

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)電子式電流互感器的性能，還對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)器安裝在架空線柱上開關(guān)附近，用電子式電流互感器線路電流有效值測(cè)量結(jié)果和柱上開關(guān)內(nèi)電流互感器測(cè)量結(jié)果比對(duì)，在甲供電公司A路2號(hào)桿前安裝的線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)器和A路215開關(guān)的負(fù)荷電流測(cè)量值比對(duì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 線路最大負(fù)荷電流100A～200A比對(duì)結(jié)果

從圖3可以看出，A路2號(hào)桿前線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)器和開關(guān)電流測(cè)量結(jié)果基本趨勢(shì)保持同步，誤差分布為正態(tài)分布，平均誤差為1.1A。

2.3 三相合成零序電流性能測(cè)試結(jié)果

零序電流由三相合成，這要求三只TA精度高、性能一致、對(duì)時(shí)誤差非常小，線路投運(yùn)通過勵(lì)磁涌流時(shí)是一個(gè)判斷典型情況，我們可以考察其零序電流合成結(jié)果。

如圖4所示，圖中黃、綠、紅分別代表U、V、W三相電流，黑色為3倍零序電流3I0，橫軸為采樣點(diǎn)序號(hào)，采樣率4kHz，縱軸為電流，單位為A?？梢园l(fā)現(xiàn)盡管線路上出現(xiàn)了波形嚴(yán)重畸變的勵(lì)磁涌流，但是由于是不接地配電網(wǎng)，零序電流應(yīng)該仍然近似為0。

圖4 線路出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)的零序電流合成結(jié)果

3 應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的可行性和實(shí)踐

3.1 總體布置

總體布置如圖5所示，在小電流接地系統(tǒng)線路上的一些關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，安裝高精度檢測(cè)錄波終端，每一套終端包括安裝在三相線路上的采集單元和安裝在桿塔上的太陽(yáng)供電匯集單元。

圖5 總體布置

3.2 基本原理

小電流接地配電網(wǎng)單相接地故障過程中的零序電壓和零序電流信號(hào)如圖6所示。具體過程如下：

2）在故障發(fā)生瞬間，由于接地相的相地電壓跌落和非接地相的相地電壓上升，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度不為0的工頻零序電壓，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度為It的暫態(tài)高頻零序電流，持續(xù)時(shí)間很短，一般不超過20ms；

3）經(jīng)過大約20ms的暫態(tài)過程之后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程，相對(duì)于暫態(tài)高頻零序電流幅度It，穩(wěn)態(tài)工頻零序電流幅度Is很小。

圖6 小電流接地配電網(wǎng)單相接地故障過程

通過上述單相接地故障具體過程，可以知道為了準(zhǔn)確檢測(cè)定位小電流接地配電網(wǎng)單相接地故障，最好是利用暫態(tài)高頻零序電流信號(hào)。同時(shí)根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)錄波結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小電流接地配電網(wǎng)單相接地過程中產(chǎn)生的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)，具有如圖7所示的分布規(guī)律：

圖7 小電流接地配電網(wǎng)單相接地故障高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)分布規(guī)律［4］

1）非故障線路和故障線路的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)不同。一般情況下暫態(tài)電流方向相反；

2）故障線路上故障點(diǎn)前和故障點(diǎn)后的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)不同。

智能化配電網(wǎng)架空線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是依據(jù)上述規(guī)律進(jìn)行單相接地故障檢測(cè)定位，具體過程如下：

1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)線路采集單元觸發(fā)錄波

單相接地故障發(fā)生時(shí)，接地相的相地電壓跌落，導(dǎo)致相地電場(chǎng)也會(huì)跌落，非接地相的相地電壓升高，導(dǎo)致相地電場(chǎng)也會(huì)升高，同時(shí)接地相和非接地相上會(huì)產(chǎn)生高頻暫態(tài)電流，這些異常變化可以觸發(fā)采集單元錄波。

李老黑就是李老黑，他根本不管這個(gè)那個(gè)的，布置完任務(wù)，李老黑丟下我轉(zhuǎn)身就走。走出幾步又折回身來說，我納悶了半天，你黑板上那幾個(gè)字啥意思啊四眼兒張。

2）獲取各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)

每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三相采集單元時(shí)間是同步的，這樣可以通過處理得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的零序電流信號(hào)，進(jìn)一步還可以得到高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)。

3）網(wǎng)絡(luò)化分析高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)

根據(jù)圖7所示的高頻暫態(tài)零序電流信號(hào)在配電網(wǎng)線路上的分布規(guī)律，就可以進(jìn)行單相接地故障的檢測(cè)定位，定位出故障點(diǎn)位于哪兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的區(qū)段。

3.3 實(shí)踐情況

為了探索高精度檢測(cè)錄波終端在配網(wǎng)運(yùn)維上的應(yīng)用，北京市供電公司分別在甲供電公司和乙供電公司進(jìn)行了試點(diǎn)工作，其中甲供電公司總計(jì)在6個(gè)變電站30套線路上安裝了113套終端，變電站接地方式為經(jīng)消弧線圈接地方式，乙供電公司總計(jì)在1個(gè)變電站5條線路上安裝了16套終端，變電站接地方式為經(jīng)消弧線圈接地。

乙供電公司試點(diǎn)工作開始于2015年6月10日，在此之前B路已經(jīng)發(fā)生了多起接地故障，因而在B路上安裝了10套設(shè)備用于故障區(qū)段定位，同時(shí)在C路和D路出線1號(hào)桿處各安裝了1套，用于定位接地線路。在2015年7月28日凌晨3時(shí)44分，乙供電公司B路發(fā)生一起接地故障，在B路、C路、D路上安裝的高精度檢測(cè)錄波終端記錄下了故障瞬間的電流和對(duì)地電場(chǎng)波形。由于接地故障發(fā)生在線路末端，現(xiàn)給出B路故障點(diǎn)前兩個(gè)終端和C路出線處終端的錄波波形，說明故障判斷原理以及波形反映的故障信息。如圖8所示：

根據(jù)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的基本原理，從圖8的波形中可以發(fā)現(xiàn)如下信息：

圖8 2015年7月28日凌晨3時(shí)44分乙供電公司B路接地故障錄波波形

本次接地故障的故障相為W相。W相對(duì)地電場(chǎng)幅值顯著下降，而另外兩相幅值顯著升高，符合小電流接地系統(tǒng)單相接地故障接地相對(duì)地電壓下降、非接地相對(duì)地電壓升高的一般規(guī)律。

本次接地故障為弧光接地故障。通過故障線路零序電流波形可以明顯地看到在非接地相對(duì)地電場(chǎng)幅度升高時(shí)刻產(chǎn)生的放電尖峰電流，這是由于非接地相對(duì)地電壓升高導(dǎo)致絕緣擊穿發(fā)生弧光放電產(chǎn)生的。

故障線路故障點(diǎn)前的零序電流波形高度相似，暫態(tài)電流幅度很大；

非故障線路與故障線路故障點(diǎn)前的零序電流波形不相似，暫態(tài)電流幅度也很小。

4 短路和接地故障記錄和演化過程推斷

通過檢測(cè)錄波終端，可以推演故障發(fā)生的過程。對(duì)于多次雷擊造成的單相接地乃至發(fā)展到相間短路、單相接地發(fā)展到異相異地短路的過程。

案例1：雷擊導(dǎo)致的相間短路跳閘故障

該高精度檢測(cè)錄波終端于2013年在丙公司D路試點(diǎn)期間，成功地記錄下了一起由于多次雷擊直接導(dǎo)致線路發(fā)生短路跳閘的全過程。距離雷擊點(diǎn)最近的一套終端共記錄下了5次嚴(yán)重的雷擊事件和最終短路故障瞬間的波形，如圖9所示。

圖9 2013年5月19日丙公司D路記錄下的多次雷擊導(dǎo)致短路故障波形

通過圖9，可以發(fā)現(xiàn)如下信息：

雷擊線路瞬間，會(huì)對(duì)線路電流和對(duì)地電壓產(chǎn)生較大擾動(dòng)，此時(shí)三相對(duì)地電場(chǎng)將瞬間趨于同相。

多次雷擊線路會(huì)導(dǎo)致線路絕緣受損，最終導(dǎo)致相間短路，上述短路故障發(fā)生時(shí)，首先是雷擊導(dǎo)致V、W兩相發(fā)生兩相相間短路，隨后演變成三相短路。

上述例子也反映了通過高精度檢測(cè)錄波終端的錄波波形，可以更進(jìn)一步地了解短路故障的發(fā)生原因、演變過程，提供更為豐富的信息。

案例2：接地導(dǎo)致的兩點(diǎn)接地短路故障

該高精度檢測(cè)錄波終端于2015年在甲供電公司試點(diǎn)期間，成功地記錄下了多起兩點(diǎn)接地短路故障，現(xiàn)給出其中比較典型的1起故障錄波波形。

該故障發(fā)生于 2015年 6月 26日 09：57：56，通過E路 56支2號(hào)桿和56支40號(hào)桿在09：57：56記錄的波形，如圖10所示。

圖10 2015年6月26日09∶57∶56甲供電公司兩點(diǎn)接地短路故障錄波波形

通過圖10，可以發(fā)現(xiàn)如下信息：

E路存在兩處接地點(diǎn)，一處位于56支2號(hào)桿和56支40號(hào)桿之間，接地相為W相，另一處位于56支40號(hào)桿后，接地相為V相。因?yàn)?6支2號(hào)桿記錄下V、W相出現(xiàn)短路電流，而56支40號(hào)桿只記錄下V相出現(xiàn)短路電流，且該短路電流只在400A左右。

E路56支87號(hào)桿分段開關(guān)檢測(cè)到短路電流，分閘，切除了56支40號(hào)桿的接地故障點(diǎn)，56支2號(hào)桿到56支40號(hào)桿之間的接地點(diǎn)也隨后消失，這是峪口站接地故障在09∶58∶04消失的原因。

2014年至2015年在國(guó)家電網(wǎng)甲供電公司和乙供電公司試點(diǎn)期間發(fā)現(xiàn)，配網(wǎng)線路故障高發(fā)季節(jié)往往是當(dāng)?shù)乩子旮甙l(fā)季節(jié)，同時(shí)雷雨天是故障高發(fā)時(shí)段，一些線路往往是在故障發(fā)生前一次或前幾次雷雨天氣下遭受多次雷擊。

2014年至2015年在國(guó)家電網(wǎng)甲供電公司和丙公司試點(diǎn)期間發(fā)現(xiàn)，一些配網(wǎng)線路永久接地故障或永久短路故障發(fā)生前，往往會(huì)發(fā)生多次瞬時(shí)接地故障。

5 結(jié)論

對(duì)于小電流接地架空配電網(wǎng)來說，存在著大量由于絕緣子或設(shè)備外絕緣閃絡(luò)破損、避雷器擊穿等造成的持續(xù)或瞬時(shí)接地故障，這些接地故障盡管在發(fā)生時(shí)不會(huì)出現(xiàn)跳閘停電，不會(huì)影響供電連續(xù)性。但是對(duì)這些故障不及時(shí)加以處理，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重停電事故發(fā)生，如劣化的絕緣子避雷器不加以更換，在雷擊發(fā)生時(shí)，就有可能被擊穿，導(dǎo)致短路跳閘。對(duì)于配電網(wǎng)來說，故障高發(fā)季節(jié)一般就是雷雨季節(jié)，雷雨天氣也是故障高發(fā)時(shí)間段，通過高精度檢測(cè)錄波終端發(fā)現(xiàn)，多次雷擊后可能發(fā)生單相接地，單相接地不及時(shí)處理可能會(huì)發(fā)展成為兩相短路接地或異相異地接地。對(duì)配電網(wǎng)發(fā)生的持續(xù)或瞬時(shí)接地故障，進(jìn)行檢測(cè)定位，統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)頻率，分析其出現(xiàn)規(guī)律，就可以指導(dǎo)配電網(wǎng)運(yùn)維人員進(jìn)行提前預(yù)安排，消除故障隱患，避免嚴(yán)重停電事故發(fā)生。

眾所周知，設(shè)備檢修經(jīng)歷了故障檢修、定時(shí)檢修，最終發(fā)展到狀態(tài)檢修（只在設(shè)備出現(xiàn)要壞的征兆才檢修）。引入高精度檢測(cè)錄波終端，不僅僅可以檢測(cè)定位接地故障，還可以為配電網(wǎng)運(yùn)維人員提供一種強(qiáng)大的工具，使得配電網(wǎng)運(yùn)維人員可以更好地掌握配網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從故障發(fā)生時(shí)的被動(dòng)處理，轉(zhuǎn)向可以提前計(jì)劃、更有目的性的狀態(tài)檢修。

［1］廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院.配電網(wǎng)非直接接地系統(tǒng)故障選線技術(shù)綜合評(píng)價(jià)體系研究及應(yīng)用材料匯編［G］.2012.

［2］劉健，董新洲，陳星鶯等.配電網(wǎng)故障定位與供電恢復(fù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［3］何瑞文，陳少華.關(guān)于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)課程教學(xué)改革與建設(shè)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（3）：20-21.

［4］馬士聰，徐丙垠，高厚磊，薛永端，王敬華.檢測(cè)暫態(tài)零模電流相關(guān)性的小電流接地故障定位方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（7）.

［5］ Tianyou Li，Yongduan Xue，Juanjuan Li，A New Single Phase Fault Location Method Of Noneffectively Grounded Networks for DA systems，CIRED 22nd International Conference on Electricity Distribution Stockholm，10-13 June 2013.

［6］ Tang，Xianwu;Zhang，Jianliang;Li，Jin’ao， “A practical on-line condition monitoring and fault location system for overhead power lines distribution networks，” T&D Conference and Exposition，2014 IEEE PES，14-17 April 2014.