齐 郑, 庄舒仪, 刘自发, 姚志璋, 张羽翘

(1. 华北电力大学电气与电子工程学院, 北京市 102206; 2. 国网北京市电力公司, 北京市 100071)

0 引言

中国6～35 kV中压配电网一般采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的方式,系统在运行过程中常发生单相接地故障,由于单相接地故障电流较小、故障特征复杂,使得故障点的查找非常困难。目前已提出很多原理方法,并且投入运行许多实用化装置[1-5]。

现有的方法可以分为两大类：利用故障信息进行故障定位[6-9]和通过外加诊断信号进行故障定位[10-14]。在第二类方法中,目前提出的方法多数为从中性点注入信号,但是对于没有明显中性点的系统无法应用。文献[11]提出了一种基于并联电阻扰动信号的故障定位装置,得到了较为广泛的应用。其基本原理是在母线处并联电阻作为扰动信号,扰动信号的注入通过向除故障相外的其他两个非故障相交替接入电阻实现,故障点上游检测点可检测到相应的扰动信号。但在实际运行过程中,施加交替的扰动信号后,故障点上游检测点的故障相电流同未施加扰动信号相比可能出现变大、不变以及减小的情况,使得检测点无法得到预期的扰动信号,导致故障定位错误。

因此,本文通过建立扰动信号的等值电路、对故障相电流变化等进行分析推导,对扰动信号注入故障定位方法的有效域进行分析,找出现有方法中存在的问题,并提出如下优化意见：改进扰动信号的注入方式,结合中性点的接地情况,仅向故障相的超前相或滞后相注入扰动信号。

1 基于并联电阻扰动信号的配电网故障定位原理分析

基于并联电阻扰动信号的配电网故障定位方法,需在变电站内母线处装设接地信号源,接地信号源主要由断路器(或负荷开关)、电阻器及相关附件构成,图1为A相发生单相接地故障的系统简化示意图[2-3,10]。

当线路上任何一点发生永久性单相接地故障时,装在变电站内的接地信号源检测到故障信息后,首先判断出系统的故障相,然后向非故障相注入特定的扰动信号,位于故障点上游的检测点可检测到扰动信号。其工作原理在于向非故障相注入扰动信号后,系统两相同时经电阻接地,改变了系统中性点的电压,流经故障相的电流也将随着电压的变化而变化,呈现单一增大的变化趋势,从而通过检测线路上检测点处的故障相电流信息可以判断检测点是否位于故障点上游,结合线路拓扑结构即可实现有效故障定位。

现有方法扰动信号交替通过非故障相施加,但对于某些情况检测点故障相电流往往并非一致的单一增大[11]。这是因为两个非故障相与故障相之间的相位关系相差±120°,施加不同的扰动信号量,会使系统检测点的故障相电流增大、不变或减小,因此需要从理论上对特定接地信号施加在不同非故障相时,线路中性点电压变化及各相电流分布变化作进一步研究,从而确定扰动信号注入式故障定位的有效性。

图1 并联电阻扰动信号原理示意图Fig.1 Schematic diagram of disturbed parallel resistance injection

2 基于并联电阻扰动信号的配电网故障定位方法有效性分析

2.1 中性点不接地系统

图2为中性点不接地扰动信号注入式小电流接地系统等效电路。根据基尔霍夫电流定律,分别求得等值电路的中性点电压,进而求解单相接地故障电流及其有效值和故障电流变化量。

图2 中性点不接地系统等效电路Fig.2 Equivalent circuit of neutral point ungrounded system

由图2(a)可得：

(1)

(2)

(3)

由图2(b)可得：

(4)

(5)

(6)

由图2(c)可得：

(7)

(8)

(9)

对施加扰动信号前后单相接地故障电流有效值IdA,RMS与IdAB,RMS以及IdA,RMS与IdAC,RMS进行比较,经化简得到如下关系：

IdAB,RMS-IdA,RMS=

(10)

IdAC,RMS-IdA,RMS=

(11)

式中：EA,RMS/(kAkB)与EA,RMS/(kAkC)恒大于0。

以Rd∈(0,+∞)为自变量,对式(10)、式(11)进行二次曲线分析可知,无论RB取何值,IdAB,RMS-IdA,RMS的值恒大于0,而IdAC,RMS-IdA,RMS的值可能为任意值,与1/RC和ωC的取值有关。

检测点测量的故障相电流为单相接地故障电流和负荷相电流之和,本文考虑负荷相电流对干扰信号注入的有效性的影响。由图4可知,扰动信号通过B相注入,单相接地故障电流叠加负荷电流后,故障上游检测点的故障相电流可能会增加,不会影响故障定位的准确性。向C相注入干扰信号后,在单相接地故障电流减小的情况下,由于负荷电流的叠加,使得故障上游检测点的故障相电流可以进一步增大,但仍可能出现减小或者不变的情况,造成定位失败。

图4 考虑负荷电流的中性点不接地系统 故障相电流相量图Fig.4 Phasor diagram of single-phase grounding fault current considering the load current in neutral point ungrounded system

由以上分析可知,对于中性点不接地系统扰动信号的有效注入相应为故障相的滞后相。

2.2 中性点经消弧线圈接地系统

对于中性点经消弧线圈接地系统,可能存在过补偿或欠补偿的状态,欠补偿状态下的定位方法同中性点不接地系统一致,对于过补偿状态下的定位方法,建立了如附录A图A1所示的中性点经过补偿消弧线圈接地系统等效电路,图A1(a)、图A1(b)、图A1(c)分别代表A相接地、向B相施加扰动信号、向C相施加扰动信号的等值电路。参照中性点不接地系统中的计算方法,分别求得等值电路的中性点电压,进而求解单相接地故障电流。

由附录A图A1(a)可得：

(12)

由附录A图A1(b)可得：

(13)

(14)

由附录A图A1(c)可得：

(15)

(16)

同理易知,对于中性点经过补偿消弧线圈接地系统,通过向C相施加接地信号,能够有效增加单相接地故障电流,向B相施加接地信号,单相接地故障电流变化存在不变、变大、变小三种可能性。因此,对于中性点经过补偿消弧线圈接地系统,只能向超前于故障相的非故障相施加扰动信号,才能实现故障定位的正确性。

3 基于并联电阻扰动信号的配电网故障定位方法优化

根据上述分析,本文设计优化了基于并联电阻扰动信号的配电网故障定位方法。其具体实现流程如附录A图A3所示。系统分为两个部分,安装在变电站的信号注入装置和安装在线路上的检测装置(例如故障指示器)。在正常运行中,信号注入装置监测系统三相电压和零序电压,检测装置实时监测配电网各个检测点处三相电流。当配电网发生单相接地故障后,信号注入装置快速确定发生单相接地故障的相,然后根据中性点接地方式,向故障相的滞后相或超前相施加接地信号,持续0.5 s后断开接地信号,等待1 s,重复此步骤n次。开关处于闭合状态时以“1”表示,反之以“0”表示。反复投切时,形成“100100…”序列,该序列即为扰动信号序列。分布在线路上的检测装置如果能够检测到扰动信号,说明该检测装置位于故障点上游。每一个能够检测到扰动信号序列的检测装置既可以就地报警,指导运行人员巡线定位,也可以将判断信息上传至主站,在主站结合线路的拓扑图显示故障区段。

4 仿真验证

为了验证文章分析结果的正确性,本文选取了中性点不接地系统,通过ATP仿真软件搭建了仿真网络模型,如附录A图A4所示。对于中性点经消弧线圈接地系统验证步骤完全相同,故不重复验证。该仿真模型共有4条出线,参数和现场实际情况一致。假设第4条出线的分支线路发生A相接地故障,过渡电阻阻值分别为250,450,650 Ω,扰动信号通过非故障相经500 Ω电阻并联注入,扰动信号在0.3 s时向B相、C相注入。

图5为发生单相接地故障后,分别向B,C两相注入信号,X0001检测点为A相电流变化量的情况,从该结果中可以看出：当扰动信号通过C相注入时,检测点的故障相电流变化是不确定的;当扰动信号通过B相注入时,检测点的故障相电流明显增加,验证了前文的理论分析。

为进一步验证扰动信号注入的有效性,选取0～1 000 Ω不同的接地过渡电阻情况下,对X0001检测点A相电流变化量进行测算,得到附录A图A5所示曲线。该曲线表明对于中性点不接地系统,通过向B相注入适当的扰动信号可以保证在不同接地电阻情况下故障相电流的增大,实现准确的故障定位,充分验证了上文理论可应用于实践之中。

此外,附录A图A6中各检测点A相电流变化曲线表明：除X0001为故障点上游检测点可检测到扰动信号外,其他检测点均未检测到扰动信号,进一步验证了扰动信号对非故障线路和非故障支路检测点的A相电流无明显影响。

图5 施加扰动信号前后检测点故障相电流变化情况Fig.5 Faulty phase current variation at the detection point before and after the disturbed signal injection

本次仿真结果表明对于中性点不接地系统及经欠补偿消弧线圈接地系统,向故障相的滞后相施加接地信号,检测点的故障相电流明显增大,且非故障线路不受扰动信号注入的影响,而向故障相的超前相施加接地信号,检测点的故障相电流可能出现变大、不变或变小三种情况,导致定位失败。中性点经消弧线圈系统具有类似的结论。仿真结果证明本文所提优化方法正确有效。

5 结语

本文通过理论分析和仿真实验证明传统的通过并联电阻向任意非故障相注入扰动信号的配电网故障定位方法存在不足,一旦注入相选择错误,则会出现定位失败的问题。因此,提出了一种改进方法,该方法能够适用于中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式,确保故障定位正确。该方法和同类故障定位方法相比具有如下优点。

1)通过注入扰动信号使得故障信号特征明显,适用于低电阻接地和高电阻接地情况,提高了单相接地故障定位准确性。

2)通过合适的非故障相注入扰动信号,确保了注入信号可以被检测装置准确地识别。

3)线路上的检测装置既可以实现就地判断,也可以将采集到的数据传送到主站统一分析,对通信和同步测量的要求不高。本文所提方法可以直接应用于现场运行的装置,升级改造工作量小,具有很好的实用价值。

目前该方法利用单相接地后的稳态信号,重点解决经电阻接地的单相接地故障定位问题。但对于单相间歇性电弧接地故障由于稳态特征不明显,有待进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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齐 郑(1977—),男,博士,副教授,主要研究方向：电力系统分析与控制。E-mail： qizheng319@126.com

庄舒仪(1993—),女,通信作者,硕士研究生,主要研究方向：电力系统分析与控制。E-mail： zhuangshuyi2014@126.com

刘自发(1973—),男,博士,副教授,主要研究方向：电力系统规划与优化运行。E-mail： tjubluesky@163.com