张国英

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司 贺西煤矿， 山西 吕梁 033300)

0 引言

对于小电流接地系统来说，一旦系统出现单相接地故障，回路故障电路即会由电源内部的侧绕组同输电线路间的电容而产生，从而使得该点位处的电流值降低。但这并不改变三相之间线电压的对称关系。若符合供电且正常运行，则故障发生之后供电系统仍能在此条件下继续工作一段时间。在这种故障下持续供电会出现两相接地短路的状况，同时弧光接地能在一定程度上引起全系统过电压。因此，一旦供电网出现故障，就必须尽快找出接地线路，正确并及时诊断出有问题的范围，从而方便进一步处理。因自动化供电系统缺少故障定位功能，小电流接地故障一旦发生，就需要人工进行实地排查。现有配电网的支线多，巡查范围较大。若完全依赖人员方式查找问题点，则会带来极大的不便和浪费，从而产生经济损失且无法确保供电安全。本文利用在线计算线路参数的方法，可以得出故障发生的准确距离，在一定程度上提高了故障排查和处理效率。

1 引入分布化参数模型

图1 均匀传输线路的分布化参数模型

根据基尔霍夫电压和基尔霍夫电流两大定律能准确推算出每一个电路单元的电路方程式，进而得出均匀传输方程:

(1)

角频率ω变化时，将电压、电流的正弦函数取虚部得到顺势电流电压值，其中电流与电压分别是在正弦函数作用下，所生成的关于频率的变化值。关系可以表示为如下方程:

(2)

对式(1)可写成有关u和i的全导数，且转化为常微分方程组，即：

(3)

式(3)中所有的介质都是均匀模式下的传输线：Y0为该介质在单位长度中所测量的导纳，表达式为Y0=G0+jωC0；Z0为该介质在单位长度中所测量的阻抗，表达式为Z0=R0+jωL0。

传播系数的表达式为：

(4)

波阻抗的表达式为：

(5)

(6)

(7)

(8)

2 关于故障域的择取

在中性点中的不接地模式系统中，大部分单电源中的辐射接线方式都采用了树状类型，图2中所表示的零序等效网络，非常适合于该类型故障的择取。图2中的l3为该网络中目前所存在的故障线路，l1、l2支路为该网络中所存在的非故障线路；同时，其电流统一为零序模式，且都表现为容性电流。非故障线路电流比故障线路电流小，且电流方向相反。

l3首端零序电流为:

(9)

式中：C0∑为电网对地电容和，表达式为C0∑=C01+C02+C03；Uow为零序电压。

l1、l2首端零序电流分别为：

(10)

图2 中性点中不接地系统下的零序等效电路

(11)

在三相系统中，任意线路都具有参数平衡、换位处理均匀的优势，故可以根据首位置处的电流值进行对应故障的择取。然而，在该类型电网中，存在有不换位或换位不均匀的现象，同时这些线路还具有参数不平衡的特点，这些因素容易导致整个线路中形成不平衡电流。当这种电流达到上限时，零序电流互感器检测出的电流降维和幅值不能作为判断故障线路的理论依据。只有线路中不平衡电流较少或者不存在时，才能够准确地进行选线。对故障发生前和产生后的值分别测量，方能够生成此时状态下的零序电流大小。文中在线路的开关位置添加了馈线终端装置(Feeder Terminal Unit, FTU)。图3中对于故障位置处的查看以FTU反馈作为依据。在非故障线路中，其监测所得到的电流大小是此时对地电流值。图中的④号监测位，其所得的电流是电路中Ⅱ段位置的对地电流。故障点位置的前方和后方所测量生成的零序电流，依次表示监测位置部分此刻的对地电流和监测点后的对地电流。

图3 FTU配电网络拓扑

电路末端的零序电流数值很小，故电流的相位存在较大的误差值，在进行故障段选择时可选择单个线路中前面2个位置处的FTU点测量生成故障；同时，还要测量对故障产生后的零序矩阵，然后根据检测信息择取当前的故障范围。建立故障后，其零序电流矩阵为：

(12)

对线路首端监测处的零序电流相位差求其平均值：

(13)

式中：n为馈线支路数；φIi为第i条线路零序电流相位；φIj为第j条线路不包含在n-1条线路中，其所产生的零序电流值。φi最大点处，即表明该位置的线路是问题线路。于是，可分别对不同的FTU监测点中所测量出来的零序电流进行相位差处理，再根据结果择取问题区域段。如果差值超过90°，线路中的故障出现在Ⅰ区段；当相位差的绝对值小于90°，线路中的故障出现在Ⅱ区段。图3的差值处于180°附近，故此时的问题线路相位差相对较低，计算出的φ3为最大值，其结论是l3目前出现问题无法使用。另外，在运行状态下，③、⑥点处生成的电流数值一致，即相位位置差值比较小，可根据以上数值判断出l3线路中的故障区域位于Ⅱ区段。对比③、⑥两个点处当前的零序电流幅值，由于当前⑥位置处的幅值相对比较大，故能判断出l3线路中的故障区域位于Ⅱ区段。

3 测定故障距离

(14)

依据一维搜索法进而得出具体的故障距离。

4 仿真实验及分析

电流故障大多数发生在线路的杆塔处，在进行故障定位时可将定位精度缩短到两级杆塔之间即可，在两杆之间便能确定某一级杆塔发生故障。

基于所设计的PSCAD/EMTDC软件，对相应的模型参数进行了试验，实现了对35 kV的网络问题点进行定位的需求，设计过程见图4。

若当前中性点不接地系统处于单相接地所形成的故障中，此时问题点的状态是分散的，故生成的位置并不是稳定的。表1统计的是不同过滤电阻测得的故障点之间的距离。

由表1可知，利用中性点不接地系统测算故障点距离的方法能在低阻接地和金属性接地两种情况下准确计算出故障发生的具体区段，其误差能控制在1%以下，进而能准确测量出故障发生的距离。

图4 35 kV单端辐射装配电网的故障仿真

表1 中性点中的不接地中故障测距的结果

5 结论

1) 整个电网通过添加FTU装置来实现对现有线路运行状况的实时掌控。一旦线路出现单相接地的故障，系统能根据FTU装置监测的线路信息和数据计算出各个线路中的零序电压、电流，并能根据故障线路和非故障线路之间存在的电流相位差准确选择出故障线路，从而能实现故障区段的准确定位。

2) 通过分析对比分布参数模型中数据的分布特征，进而推算出线路参数，最终能准确计算出故障发生的距离。通过模型仿真效果显示，这种方法所测得的故障距离及选择的故障区段准确率都很高，同时对于问题故障点与过渡电阻间的相互作用比较低，应用价值比较高。