朱秀香，劉肖驄，姚敏東，崔彥波，劉克顯

（1. 南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106；2. 北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司,北京市 100192；3. 國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,黑龍江省哈爾濱市 150090）

0 引言

隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展,在提升供電可靠性的同時(shí),還應(yīng)重視人身安全、減少電氣火災(zāi)。小電流接地系統(tǒng)帶故障長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,除了可能引發(fā)相間短路故障、電纜溝著火等,還可能導(dǎo)致人身觸電與火災(zāi)事故［1-3］。《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》［4］中規(guī)定,在躲過(guò)瞬時(shí)性接地故障后,要快速就近隔離故障。同時(shí),分布式電源（DG）的大量部署改變了配電網(wǎng)的饋線結(jié)構(gòu),發(fā)生故障后如不能及時(shí)隔離DG,可能帶來(lái)二次故障引發(fā)停電等事故。因此,對(duì)單相接地故障的快速診斷提出了更高要求［5-7］。

目前,小電流接地故障選線定位技術(shù)已有大量研究。文獻(xiàn)［8］提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合多個(gè)特征量提高接地故障識(shí)別準(zhǔn)確率,具有容錯(cuò)性高的優(yōu)點(diǎn),但訓(xùn)練后的模型依賴于歷史訓(xùn)練庫(kù)和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［9-11］提出利用區(qū)段兩側(cè)零序電流的差異性或線路兩端的故障暫態(tài)波形確定故障區(qū)段,由于要比較不同檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流信號(hào),需要精確的時(shí)鐘同步及可靠的通信條件。文獻(xiàn)［12］提出利用暫態(tài)無(wú)功功率的方向確定故障區(qū)段,通過(guò)測(cè)量架空線路下方垂直地面方向電場(chǎng)獲取暫態(tài)電壓信息。但電場(chǎng)的測(cè)量容易受安裝高度、環(huán)境等因素的影響。文獻(xiàn)［13］提出在特征頻帶內(nèi)利用故障相與健全相電流故障分量比值大小進(jìn)行選線,該方法具有自具性,可實(shí)現(xiàn)故障的就地判別,但未給出故障定位方案。文獻(xiàn)［14-15］提出在特征頻帶內(nèi)利用相電流與相電壓突變量的導(dǎo)數(shù)相關(guān)性判斷線路狀態(tài),但需要測(cè)量電壓信號(hào),用于配電線路時(shí)有限制。文獻(xiàn)［16］分析了故障點(diǎn)上游健全相、故障相暫態(tài)電流分量與暫態(tài)零模電流的關(guān)系,提出利用故障暫態(tài)電流分量的方向確定故障點(diǎn)位置,但未對(duì)故障點(diǎn)下游相暫態(tài)電流分量與暫態(tài)零模電流關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析。

已有針對(duì)單相接地故障暫態(tài)特性的分析主要集中在暫態(tài)零模特性及其分布規(guī)律方面,對(duì)暫態(tài)相分量的分析證明相對(duì)較少。本文分析了單相接地故障后相電流變化量的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性,建立了包含故障點(diǎn)上游、下游線路的復(fù)合模網(wǎng)等效電路。分別對(duì)故障區(qū)段（故障點(diǎn)至母線段）、健全區(qū)段（非故障線路、故障點(diǎn)下游）故障相和健全相暫態(tài)電流變化量的幅值及方向進(jìn)行了理論分析,計(jì)算了故障相與健全相有效值的比值。在此基礎(chǔ)上,利用相暫態(tài)電流變化量的比值及方向,提出了一種故障定位的新方法,可實(shí)現(xiàn)接地故障的就地判別。PSCAD 仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了多種故障情況下所提算法的有效性。

1 單相接地故障相電流變化量特征分析

1.1 基于相電流變化量的穩(wěn)態(tài)分析

故障線路J在故障點(diǎn)之前對(duì)應(yīng)故障相電流的變化量［17］ΔI?JP為:

式 中:Z0J=1/(jωCJ),其 中CJ為 線 路J每 相 對(duì) 地 電容；U?P為故障前的P相電壓（P=A,B,C）；U?'P為故障后的P相電壓；U?0為故障前后的相電壓突變量；I?f為故障點(diǎn)的接地電流,方向由線路指向大地。

故障區(qū)段健全相及健全區(qū)段對(duì)應(yīng)相電流的變化量ΔI?KP為:

式中:Z0K=1/(jωCK),其中,CK為線路K每相對(duì)地電容。

由式（1）、式（2）可知,健全區(qū)段產(chǎn)生的相電流變化量均為相電壓突變量作用于線路對(duì)地電容的電流,其三相電流變化量的波形相似。但故障區(qū)段故障相電流變化量還包括了接地點(diǎn)電流,三相電流變化量波形不一致。通過(guò)以上分析,利用健全區(qū)段三相電流變化量波形一致、故障區(qū)段三相電流變化量波形差異大的特點(diǎn),可進(jìn)行故障選線及區(qū)段定位。

但諧振接地系統(tǒng)通常采用過(guò)補(bǔ)償方式,由于消弧線圈電感電流補(bǔ)償了總的接地電容電流,使I?f顯著減小為殘余電流,且故障線路故障相電流變化量的方向與健全相相同,存在故障區(qū)段故障相與健全相電流變化量波形差異較小的情況。同時(shí),在間歇性電弧接地故障中較難捕捉穩(wěn)態(tài)信號(hào)。只利用三相電流穩(wěn)態(tài)變化量進(jìn)行故障定位易出現(xiàn)動(dòng)作死區(qū)。

1.2 基于相電流變化量的暫態(tài)分析

1.2.1 諧振接地系統(tǒng)暫態(tài)特性分析

對(duì)于三相系統(tǒng),由于各相線路間存在電磁耦合,利用Karenbauer 轉(zhuǎn)換為沒(méi)有耦合的模量系統(tǒng)。故障暫態(tài)特性的計(jì)算只考慮故障附加分量,在諧振接地系統(tǒng)中,根據(jù)故障點(diǎn)邊界條件建立基于分布參數(shù)的故障分量復(fù)合模網(wǎng)結(jié)構(gòu),如圖1 所示。0、1、2 模阻抗分別由故障點(diǎn)上游和下游的模阻抗并聯(lián)而成。由于接地故障的暫態(tài)頻率較高,變壓器、負(fù)荷等設(shè)備可采用集中參數(shù)模型,線路采用∏型分布參數(shù)模型,uf為故障點(diǎn)虛擬電源,其數(shù)值為故障前故障相的電壓值；Rg為接地點(diǎn)的過(guò)渡電阻；L0（L1、L2）、R0（R1、R2）、C0（C1、C2）分別為單位長(zhǎng)度線路等效的零模（線模）電感、零模（線模）電阻及零模（線模）電容；Ls1（Rs1）、Ls2（Rs2）為變壓器線模電感（電阻）；LK為消弧線圈等 效 電 感；Zd11（Zd12）,Zd21（Zd22）,…,Zdn1（Zdn2）和ZdJ1(ZdJ2)分別為健全線路1,2,…,n及故障線路J的負(fù)荷線模阻抗。

圖1 基于分布參數(shù)的故障分量復(fù)合模網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of fault-component-compositemode network based on distributed parameters

由圖1 可以看出,故障點(diǎn)上游的1 模阻抗為健全線路的線模阻抗與變壓器并聯(lián)后再與故障點(diǎn)到母線線模阻抗串聯(lián)；故障點(diǎn)下游1 模阻抗等效為故障點(diǎn)到末端線路的線模阻抗與負(fù)荷線模阻抗串聯(lián)；線模等效電路如圖2（a）所示,考慮變壓器的線模阻抗遠(yuǎn)小于線路分布電容容抗,圖中忽略了線模分布電容的影響。圖2 中,ZL11(i11),ZL21(i12),…,ZLn1(i1n)為健全線路1,2,…,n的線模阻抗（電流）；Zfb1（Zfa1）為故障點(diǎn)至母線段（線路末端）的線模阻抗；if1b（if1a）為故障點(diǎn)前（后）的線模電流,Zs1=Rs1+jωLs1為變壓器的線模阻抗；u1f為虛擬電源的線模分量。

圖2 線模網(wǎng)絡(luò)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of line-mode network

根據(jù)圖2（a）的線模等效電路可知,故障點(diǎn)上游的1 模阻抗為:

故障點(diǎn)下游的1 模阻抗為:

簡(jiǎn)化后的線模等效電路如圖2（b）所示。其中,故障點(diǎn)上、下游的2 模阻抗Z2b、Z2a分別滿足Z1b=Z2b,Z1a=Z2a。

由圖1 可以看出,諧振接地系統(tǒng)中,故障點(diǎn)上游的零模阻抗由各非故障線路零模阻抗與消弧線圈阻抗相互并聯(lián)后再與故障點(diǎn)至母線段零模阻抗串聯(lián)；故障點(diǎn)下游零模阻抗只有故障點(diǎn)到末端線路的零模阻抗。根據(jù)文獻(xiàn)［18］提出的模型簡(jiǎn)化原則,可將各線路的分布參數(shù)模型簡(jiǎn)化為∏型集中參數(shù)模型,如圖3（a）所示,再將故障點(diǎn)上游的集中參數(shù)模型合并為∏模型,最后分別將故障點(diǎn)上、下游等效的∏模型簡(jiǎn)化為Γ 模型,如圖3（b）所示。

圖3 零模網(wǎng)絡(luò)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of zero-mode network

在圖3（a）中,u0f為虛擬電源的零模分量；Zfb0(Zfa0)、Cfb0(Cfa0)、C'fb0(C'fa0)分別為故障點(diǎn)至母線段（線路末端）∏型集中參數(shù)模型的等效阻抗及兩側(cè)電容；長(zhǎng)度為lk的第k條健全線路的∏型集中參數(shù)模型的阻抗Z0k=R0k+jωL0k,k=1,2,…,n,其中,R0k≈0.500 5R0lk,L0k≈0.500 5L0lk,兩 側(cè) 的 電 容 為C0k≈0.189 4C0lk,C'0k≈0.810 6C0lk。

通過(guò)對(duì)線模和零模等效電路的分析,可以得出故障分量復(fù)合模網(wǎng)等效電路如圖4（a）所示,圖4（a）可進(jìn)一步等效為圖4（b）。圖中,i0為系統(tǒng)零模電流。由 于 線 模1、2 的 阻 抗Z1、Z2相 同,總 的 線 模 阻 抗2Z1=2(Z1b//Z1a)。

圖4 接地故障暫態(tài)等值電路Fig.4 Transient equivalent circuit of grounding fault

1.2.2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)暫態(tài)特性分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的線模網(wǎng)絡(luò)等效電路與諧振接地系統(tǒng)相同,不再贅述。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)零模等效電路未涉及圖3 中消弧線圈的感抗,其余相關(guān)線路參數(shù)的計(jì)算與諧振接地系統(tǒng)相同。

1.3 故障點(diǎn)上游相暫態(tài)電流變化量分析

1.3.1 故障點(diǎn)至母線段相暫態(tài)電流變化量分析

根據(jù)圖4 所示等效電路可知,從故障點(diǎn)到母線段的暫態(tài)故障電流包含了0、1、2 模的暫態(tài)分量。因此,故障相暫態(tài)電流變化量ΔiJA的表達(dá)式為:

其方向由故障點(diǎn)流向母線。

由于變壓器的線模阻抗Zs1相對(duì)于健全線路與負(fù)荷線模阻抗之和較小,滿足Zs1?ZLk1+Zdk1,忽略健全線路線模阻抗,故障點(diǎn)上游線模阻抗的表達(dá)式（3）可簡(jiǎn)化為:

由于負(fù)荷的多樣性,故障點(diǎn)下游線路的線模阻抗特性不易確定。一般條件下,故障點(diǎn)下游的負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)上游的線模阻抗,因此可忽略故障點(diǎn)下游的線模阻抗［19-20］,即在暫態(tài)過(guò)程的主諧振頻率范圍內(nèi)滿足Zfb1+Zs1?Zfa1+ZdJ1時(shí),圖4（a）的線模電流滿足if1b=if2b≈i0。因此,式（5）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:

根據(jù)上述分析,由Karenbauer 相模變換的關(guān)系可知,故障區(qū)段健全相暫態(tài)電流變化量為:

其方向由母線流向故障點(diǎn)。

2）特殊情況下（當(dāng)配電網(wǎng)僅有一條饋線或故障饋線長(zhǎng)度大于其他健全饋線長(zhǎng)度之和,且故障點(diǎn)的位置靠近母線時(shí)）,即CΣ0

通過(guò)上述分析可以看出,一般情況下,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)及諧振接地系統(tǒng)均滿足故障區(qū)段健全相暫態(tài)電流變化量波形一致；當(dāng)CΣ0≥CJ時(shí),故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值大于等于3,當(dāng)CΣ0

1.3.2 非故障線路相暫態(tài)電流變化量的分析

由圖2（a）所示等效電路可知,if1b=is1+i11+…+i1n。上文已分析受變壓器線模阻抗較小的影響,故障點(diǎn)上游的線模阻抗為Z1b≈Zfb1+Zs1,因此故障點(diǎn)上游線模電流主要流經(jīng)故障線路至母線段,而非故障線路的線模電流i11,i12,…,i1n相對(duì)很小。

由圖3（a）所示的等效電路可知,與線模電流不同,非故障線路零模電流不受變壓器模阻抗的影響,故障點(diǎn)上游零模電流主要流經(jīng)故障點(diǎn)至母線段及各非故障線路。因此,一般情況下滿足非故障線路的零模電流大于線模電流,在忽略其線模電流的情況下,非故障線路k的三相暫態(tài)電流變化量的表達(dá)式為:

式中:i0k、i1k、i2k分別為線路k的零模和線模電流。

因此,暫態(tài)電流變化量有效值的比值KR≈1。

通過(guò)以上分析可知,一般情況下,諧振接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)均滿足非故障線路三相暫態(tài)電流的變化量基本相同,故障相與健全相暫態(tài)電流變化量有效值的比值約等于1,且三相暫態(tài)電流方向相同。

1.4 故障點(diǎn)下游相暫態(tài)電流變化量的分析

根據(jù)圖4 等效電路可知,故障點(diǎn)下游故障相暫態(tài)電流變化量為:

由Karenbauer 相模變換的關(guān)系可知,故障點(diǎn)下游健全相暫態(tài)電流變化量為:

故障點(diǎn)下游線路健全相暫態(tài)電流變化量相似。由上述分析可知,一般條件下,故障點(diǎn)下游的負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)上游的線模阻抗,因此故障點(diǎn)下游的線模電流if1a相對(duì)較小。通過(guò)圖4（b）所示等效電路可知［21-22］,if0a的大小受故障線路長(zhǎng)度、故障位置及接地點(diǎn)過(guò)渡電阻等影響。當(dāng)if0a≈i0時(shí),考慮到線模電流主要流經(jīng)故障點(diǎn)至母線段,即i0?if1a,可忽略if1a的影響,故障相與健全相暫態(tài)電流變化量有效值的比值KR約為1；當(dāng)系統(tǒng)零模電流主要流經(jīng)故障點(diǎn)上游時(shí),if0a較小,不能忽略if1a的影響,其有效值的比值KR不能確定。

通過(guò)上述分析可知,在故障點(diǎn)下游僅根據(jù)故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值難以確定故障線路故障點(diǎn)位置。由于故障點(diǎn)下游三相暫態(tài)電流變化量的方向相同,都是由母線流向線路,而故障區(qū)段故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的方向相反,可利用相暫態(tài)電流變化量的方向作為輔助判斷。依次計(jì)算ΔiJAf、ΔiJBf、ΔiJCf中每?jī)上鄷簯B(tài)電流變化量點(diǎn)積積分平均值,利用平均值的正負(fù)判斷每?jī)上嚯娏鞣较?有

式中:ρAB為A、B 兩相暫態(tài)電流變化量方向的判斷量；T為積分時(shí)間,為故障后一個(gè)工頻周期。當(dāng)ρAB為正時(shí),表明被測(cè)量信號(hào)ΔiJAf、ΔiJBf同向；當(dāng)ρAB為負(fù)時(shí),表明被測(cè)量信號(hào)ΔiJAf、ΔiJBf反向,同理可計(jì)算出ρBC、ρCA的值。若ρAB、ρBC、ρCA中有2 個(gè) 小于0、1 個(gè)大于0,表示三相暫態(tài)電流變化量方向不一致,確定為故障區(qū)段,否則確定為健全區(qū)段。

1.5 影響相電流變化量的因素

1.5.1 負(fù)載電流變化的影響

1）低壓?jiǎn)蜗嘭?fù)載變化

當(dāng)配電變壓器采用Dyn11 接線方式,低壓側(cè)A相負(fù)載變化時(shí),反映到中壓側(cè)的電流變化特征為:A、B 兩相電流變化量在數(shù)值上相等、相位相反,C 相電流變化量為0。

當(dāng)配電變壓器采用Yyn0 接線方式,低壓側(cè)A相負(fù)載變化時(shí),反映到中壓側(cè)的電流變化特征為:A相電流變化量為B、C 相的2 倍,且與B、C 相的相位相反。

2）低壓側(cè)三相負(fù)載變化

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)的三相負(fù)載發(fā)生變化時(shí),反映到中壓側(cè)的電流特征為［23］:三相電流變化量的大小一致,相位相差120°。

通過(guò)上述分析可以看出,低壓側(cè)負(fù)載電流變化引起的線路電流變化特征區(qū)別于故障區(qū)段暫態(tài)電流變化量的特征,不會(huì)引起線路的誤判。由于特殊情況下,故障區(qū)段故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值大于等于2,當(dāng)?shù)蛪簡(jiǎn)蜗嘭?fù)載變化且變壓器為Yyn0 接線方式時(shí),會(huì)對(duì)故障區(qū)段定位造成一定影響?？紤]到負(fù)載電流的變化不會(huì)影響中壓側(cè)的零序電流,特殊情況下可利用零序電流作為故障啟動(dòng)條件之一。

1.5.2 三相參數(shù)不平衡的影響

三相參數(shù)不平衡是由三相對(duì)地電容不平衡等引起的,配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后,有可能導(dǎo)致健全線路三相電流變化量不一致。正常運(yùn)行時(shí)三相電流不平衡度不超過(guò)15%。考慮極端情況,假定A 相的 電 流 變 化 量 ΔikA=(1+0.15)ΔikB=(1+0.15)ΔikC?？梢运愠鼋∪€路k的A 相與B（C）相暫態(tài)電流變化量的比值約為1.15,與故障區(qū)段的比值（一般情況下該比值大于等于3,特殊情況下大于等于2）相差較大,不會(huì)引起健全區(qū)段的誤判。

2 基于相暫態(tài)電流變化量的區(qū)段定位算法

2.1 故障的區(qū)段定位算法

基于以上分析,利用相暫態(tài)電流變化量的幅值和方向確定故障區(qū)段的流程如圖5 所示。

圖5 故障區(qū)段定位流程圖Fig.5 Flow chart of fault section location

1）對(duì)三相電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并合成零序電流,為了準(zhǔn)確捕捉暫態(tài)信號(hào),采樣頻率選為12.8 kHz。配電終端設(shè)計(jì)時(shí)需考慮信號(hào)的高速采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和CPU 的處理能力等。

2）對(duì)于無(wú)法獲取三相/零序電壓的配電終端,根據(jù)零序電流/相電流暫態(tài)量的變化啟動(dòng),并保存帶有時(shí)間標(biāo)簽的故障波形,將故障前一周期電流采樣值記憶下來(lái),再與故障后的電流采樣值相減得到電流變化量Δif,如式（15）所示。

式中:iφ(ks)為故障后相電流采樣值；iφ(ks-N)為故障前相電流采樣值。

3）取故障后一周期相暫態(tài)電流的變化量,計(jì)算每?jī)上鄷簯B(tài)電流變化量有效值的比值Kxy,如式（16）所示。

式中:x、y=A,B,C,x≠y,表示取A,B,C 三相；Δix、Δiy分別為x、y相的暫態(tài)電流變化量。

4）根據(jù)Kxy的值進(jìn)行接地故障初判?？紤]一般情況下滿足CΣ0≥CJ,即故障區(qū)段故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值大于等于3。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算誤差,取判斷閾值Kset1=2.7（當(dāng)CΣ0

5）對(duì)于可能的故障區(qū)段,利用特征頻帶內(nèi)相暫態(tài)電流變化量的方向作為輔助判斷。對(duì)于一般配電系統(tǒng)工程應(yīng)用,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)可選0～1 250 Hz,諧振接地系統(tǒng)中可選156.25～1 250 Hz 作為相暫態(tài)電流變化量提取的特征頻段［24-25］。在特征頻段內(nèi)對(duì)應(yīng)線模網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性呈感性,零模網(wǎng)絡(luò)健全線路的阻抗特性呈容性,與圖4 建立的接地故障暫態(tài)等值電路是一致的,因此可按上述特征頻段提取相暫態(tài)電流變化量進(jìn)行方向判斷。對(duì)于特征提取后的數(shù)據(jù),根據(jù)式（14）依次計(jì)算ρAB、ρBC、ρCA的值,若ρAB、ρBC、ρCA中有2 個(gè)小于0、1 個(gè)大于0,表示三相暫態(tài)電流變化量方向不一致確定為故障區(qū)段,否則確定為健全區(qū)段。

2.2 與現(xiàn)有接地故障暫態(tài)檢測(cè)方法的對(duì)比

目前,基于暫態(tài)信號(hào)的小電流接地故障檢測(cè)方法取得了較為廣泛的應(yīng)用?；跁簯B(tài)零序電流群體比較的方法適用于變電站選線裝置,需要比較所有出線暫態(tài)零序電流的幅值和極性?；跁簯B(tài)接地故障方向的方法適用于線路終端裝置,在特征頻段內(nèi)故障線路暫態(tài)零模電壓的導(dǎo)數(shù)與零模電流的乘積為負(fù)值,非故障線路為正值。文獻(xiàn)［14］基于相電壓、相電流突變量特征的故障區(qū)段定位方法適用于線路終端裝置,在特征頻段內(nèi)故障區(qū)段故障相的電流突變量與相電壓突變量的導(dǎo)數(shù)滿足負(fù)相關(guān),健全區(qū)段滿足正相關(guān)。

與常用的基于暫態(tài)量的故障檢測(cè)方法（暫態(tài)零序電流群體比較法、暫態(tài)接地故障方向法、相電壓相電流突變量特征法）相比,本文所采用的相暫態(tài)電流變化量方法對(duì)通信的依賴較低,不需要電壓信號(hào)及相鄰檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間同步,可在配電饋線終端單元（FTU）、故障指示器等設(shè)備中實(shí)現(xiàn),可用于電纜分支箱和環(huán)網(wǎng)柜中難以獲取零序電壓或相電壓的場(chǎng)合。具體性能對(duì)比如表1 所示。

表1 配電線路常用暫態(tài)故障檢測(cè)方法比較Table 1 Comparison of transient fault detection methods for distribution lines

3 仿真驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于PSCAD 搭建一個(gè)10 kV 小電流接地系統(tǒng)仿真模型,如圖6 所示。系統(tǒng)有4 條主饋線,主饋線L1、L2、L4為 架 空 線,L3為 電 纜 線 路。開(kāi) 關(guān)S 打 開(kāi) 時(shí)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),閉合時(shí)為消弧線圈接地系統(tǒng),過(guò)補(bǔ)償度為5%。開(kāi)關(guān)Q 打開(kāi)時(shí)表示系統(tǒng)未接入DG,閉合時(shí)表示系統(tǒng)接入DG。其中,DG 的出線電壓為690 V,額定容量為1.5 MV·A,并網(wǎng)變壓器的容量為2 MV·A,電壓變比為0.69/10,接線方式為Dy 型,即并網(wǎng)DG 采用不接地方式。仿真采樣頻率為12.8 kHz。利用MATLAB 處理采樣數(shù)據(jù)。

圖6 仿真系統(tǒng)模型Fig.6 Simulation model of system

3.1 諧振接地系統(tǒng)故障區(qū)段定位算法仿真驗(yàn)證

諧振接地系統(tǒng)距母線16 km 的L4線路發(fā)生接地故障,故障發(fā)生在A 相電壓峰值時(shí)刻,故障后一周期各檢測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)電流變化量波形見(jiàn)附錄A 圖A1,所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均滿足健全相波形基本一致。檢測(cè)點(diǎn)1、2、3 的三相電流波形基本一致,對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)在非故障線路上；檢測(cè)點(diǎn)4 的故障相暫態(tài)電流變化量遠(yuǎn)大于健全相,對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)在故障區(qū)段上；檢測(cè)點(diǎn)5、6 故障相的振蕩頻率與健全相不一致,振蕩頻率受線路長(zhǎng)度的影響,長(zhǎng)度越短振蕩頻率越高,對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)在故障點(diǎn)下游。驗(yàn)證了本文分析的故障點(diǎn)至母線段、非故障線路及故障點(diǎn)下游的暫態(tài)特性。

在諧振接地系統(tǒng)下分別仿真驗(yàn)證了不同接地過(guò)渡電阻、故障發(fā)生時(shí)刻、故障位置以及接入DG 后基于相暫態(tài)電流變化量的故障區(qū)段定位算法的有效性。由于各檢測(cè)點(diǎn)健全相波形基本相似,滿足KBC≈1,表2 只記錄了KAB。其中,θ為故障發(fā)生時(shí)刻相電壓相位,θ=90°表示A 相電壓峰值時(shí)刻發(fā)生故障,θ=0°表示A 相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻發(fā)生故障；D表示故障點(diǎn)距母線的距離。

表2 的數(shù)據(jù)表明,故障區(qū)段（檢測(cè)點(diǎn)4）、故障點(diǎn)下游（檢測(cè)點(diǎn)5、6）部分KAB的值大于Kset1,判斷為可能的故障區(qū)段。對(duì)于可能的故障區(qū)段,利用相暫態(tài)電流變化量的方向進(jìn)行輔助判斷,根據(jù)式（14）,計(jì)算出的方向參數(shù)結(jié)果如表3 所示。

表2 諧振接地系統(tǒng)下故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值Table 2 Ratio of transient current change of faulty phase to that of healthy phase in resonant grounded system

表3 電流變化量方向判斷Table 3 Direction judgment of transient current change

3.2 不接地系統(tǒng)故障區(qū)段定位算法仿真驗(yàn)證

當(dāng)圖6 中開(kāi)關(guān)S、S1 打開(kāi)時(shí),仿真模型為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)3 沒(méi)有電流波形。同樣,距母線16 km 處F點(diǎn)發(fā)生接地故障,故障發(fā)生在A 相電壓峰值時(shí)刻,故障后一周期各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流變化量波形見(jiàn)附錄A 圖A2,通過(guò)分析各檢測(cè)點(diǎn)波形,可得出與諧振接地系統(tǒng)類似的結(jié)論。通過(guò)仿真波形可見(jiàn),相暫態(tài)電流變化量的特征不受接地方式的影響。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在不同故障條件下,各檢測(cè)點(diǎn)經(jīng)計(jì)算后的KAB如表4 所示。對(duì)于可能的故障區(qū)段,經(jīng)計(jì)算得到的方向參數(shù)結(jié)果同表3。

表4 不接地系統(tǒng)故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值Table 4 Ratio of transient current change of faulty phase to that of healthy phase in ungrounded system

由表2、表4 可以看出,接地點(diǎn)過(guò)渡電阻越大,故障區(qū)段故障相與健全相電流的比值越?。辉摫戎凳芄收习l(fā)生時(shí)刻的影響較??；越靠近母線故障時(shí),比值越大。同時(shí)故障區(qū)段故障相與健全相暫態(tài)電流的比值與系統(tǒng)電容電流的大小有關(guān)。當(dāng)DG 并入配電系統(tǒng)且DG 采用不接地方式時(shí),單相接地故障相暫態(tài)波形受DG 的影響較小。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在某10 kV 真型試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了人工單相接地試驗(yàn),配電網(wǎng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),有4 條主饋線,用集中參數(shù)柜模擬實(shí)際線路。針對(duì)不同的系統(tǒng)電容電流、故障類型做了多次試驗(yàn)。其中,系統(tǒng)電容電流為8 A,C 相發(fā)生弧光接地故障時(shí)的波形見(jiàn)附錄A 圖A3；系統(tǒng)電容電流為9 A,C 相發(fā)生接地過(guò)渡電阻為1 000 Ω 時(shí)的波形見(jiàn)附錄A 圖A4。故障數(shù)據(jù)來(lái)自FTU。利用故障后一周期相暫態(tài)電流變化量的數(shù)據(jù)對(duì)本文算法進(jìn)行了驗(yàn)證,計(jì)算每?jī)上鄷簯B(tài)電流變化量的比值如表5 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,故障區(qū)段故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值不小于3,通過(guò)式（14）的計(jì)算結(jié)果表明兩者方向相反；健全區(qū)段的比值約為1。結(jié)果與理論分析一致,同時(shí)也驗(yàn)證了本文算法的準(zhǔn)確性。

表5 故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值Table 5 Ratio of transient current charge between faulty phase and healthy phase

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了配電網(wǎng)單相接地故障后相電流變化量的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性,在此基礎(chǔ)上了提出了接地故障定位的新方案。通過(guò)分析,可以得出以下結(jié)論:

1）諧振接地系統(tǒng)采用過(guò)補(bǔ)償方式下,由于故障區(qū)段故障相穩(wěn)態(tài)電流變化量的方向與健全相相同,其三相穩(wěn)態(tài)電流變化量差異較小,若只利用相電流變化量的穩(wěn)態(tài)特性定位故障區(qū)段,容易出現(xiàn)動(dòng)作死區(qū)。

2）分析相電流變化量的暫態(tài)特性可知,一般情況下,故障區(qū)段故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值大于等于3；同時(shí),在特征頻段內(nèi)故障區(qū)段故障相暫態(tài)電流變化量的方向與健全相相反。非故障線路故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值約等于1,且在特征頻段內(nèi)三相暫態(tài)電流變化量方向相同。故障點(diǎn)下游故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值難以確定,其大小受系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障點(diǎn)位置、接地點(diǎn)過(guò)渡電阻等影響。

3）文中提出一種綜合利用相暫態(tài)電流變化量比值及方向確定故障區(qū)段的定位算法,可以實(shí)現(xiàn)接地故障的就地研判。利用故障相與健全相暫態(tài)電流變化量的比值可以區(qū)分健全區(qū)段,利用暫態(tài)電流變化量的方向進(jìn)一步區(qū)分故障區(qū)段和故障點(diǎn)下游區(qū)段。

通過(guò)仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文方法不受接地方式及故障條件的影響,不需要電壓信號(hào)及相鄰檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間同步,只根據(jù)本檢測(cè)點(diǎn)的三相電流信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)故障定位,達(dá)到快速隔離故障的目的,具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

本文通過(guò)提取固定特征頻段內(nèi)的相暫態(tài)電流變化量信息進(jìn)行故障區(qū)段定位,然而最能反映故障信息的特征頻段隨線路參數(shù)、故障位置等不同而變化,后續(xù)將研究可在終端實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)捕捉特征頻段算法。

本文研究得到南瑞集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目“基于國(guó)產(chǎn)化的新型配用電端設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備研制”的資助，謹(jǐn)此致謝！

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