配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中接地故障區(qū)段定位方法研究

夏 旺

(國網(wǎng)甘肅省電力公司平?jīng)龉╇姽?，甘肅 平?jīng)?744000)

0 引言

目前，我國應(yīng)用的中壓配電網(wǎng)多采用架空線的建設(shè)模式，其中包含數(shù)量較多的小電流系統(tǒng)，其產(chǎn)生的單向接地故障占電網(wǎng)故障總比的60%以上，但由于目前配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中缺乏針對接地故障區(qū)段的定位功能，致使配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運行受到影響。因此對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中接地故障區(qū)段的定位方法進行研究和應(yīng)用具有重要意義。

1 接地故障區(qū)段定位原理

1.1 輻射性接線方式

通常情況下，配電網(wǎng)會采取閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行的建設(shè)模式，不同系統(tǒng)線路在雙電源的連接下與開關(guān)相連并形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。在配電網(wǎng)正常運行使用過程中，雙電源處的連接開關(guān)斷開，配電線路自變電站引出開始進行開環(huán)運行，此時輻射型連線方式呈現(xiàn)樹狀結(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)階段我國配電網(wǎng)系統(tǒng)較為普遍的一種接線模式[1]。

1.2 故障選線與定位

非有效接地系統(tǒng)中若出現(xiàn)接地故障，非故障會從原本的地電壓變?yōu)榫€電壓，尤其是當(dāng)間接性弧光接地出現(xiàn)的情況下，受到電荷的限制，中性點無法有效釋放通路，從而導(dǎo)致弧光接地過電壓威脅線路絕緣，持續(xù)情況下會進一步發(fā)展成為相間短路，此時就需要及時快速地定位故障線路，并排除故障。

故障選線具體是指從同一母線下連的多條線路中，識別選擇產(chǎn)生接地故障線路并進行進一步判斷的過程。故障定位具體是指繼續(xù)依據(jù)故障信息特征對故障區(qū)間進行定位，并準(zhǔn)確找到發(fā)生故障支路的過程，其描述示意圖(見圖1)。在配網(wǎng)線路上合理設(shè)置故障檢測點，將相鄰的多個檢測點相連形成的邊界線可進一步準(zhǔn)確定位線路區(qū)間，提升故障接線和故障定位的效率。

圖1 故障定位描述示意圖

不同類型的配電網(wǎng)上設(shè)置的檢測點作用也存在差異性，變電站配網(wǎng)母線上的檢測點應(yīng)用于零序電壓向量的獲取，這類功能的檢測點若僅應(yīng)用于故障定位則將其稱之為普通線路檢測點，若這類功能檢測點同時應(yīng)用于饋線控制則將其稱之為特殊線路檢測點[2]。當(dāng)相鄰的檢測點中包括普通線路檢測點，那么以之為邊界線所確定的線路區(qū)間是段，相鄰檢測點均為特殊線路檢測點，那么以之為邊界線確定的線路區(qū)間是區(qū)。

1.3 獲取接地故障特征信息

1.3.1 中性點不接地系統(tǒng)故障特征

當(dāng)輻射型接線結(jié)構(gòu)線路中產(chǎn)生小電流接地故障時，其不穩(wěn)定的零序電流相量受到線路端點母線位置的影響，無法明確其具體分布，且基于配網(wǎng)線路支路繁雜、距離較遠的特點，進行人工巡線故障定位具有一定的難度，這時選擇固定檢測點進行故障零序電流的監(jiān)測受到信號衰減的影響較少。當(dāng)中性點不接地系統(tǒng)中某定點出現(xiàn)了單相接地故障，就如同在這一定點處增加了零序電壓源，線路感抗較低且經(jīng)過的零序電流偏小，整個線路上承受的零序電壓基本相等。

從理論角度分析，當(dāng)未出現(xiàn)故障現(xiàn)象時零序電壓應(yīng)為0，但零序電壓同時還受到不對稱線路等其他因素的干擾，因此將線路零序電壓故障閥值設(shè)為α，當(dāng)流經(jīng)零序電壓超過這一規(guī)定值則視為小電流接地故障的發(fā)生并運行故障定位功能。

1.3.2 消弧線圈接地系統(tǒng)故障特征

消弧線圈接地故障是接地故障的又一重要表現(xiàn)形式，在整個電力運行系統(tǒng)中，因消弧線圈帶有補償性能(過補償)，在其影響下故障處線路流經(jīng)的零序電流相位，相比于未出現(xiàn)故障部位的線路相位并未呈現(xiàn)出明顯差異。但若將兩處的電流幅值進行測試對比，則可顯示出故障處零序電流幅值比較低的問題。

在配網(wǎng)線路產(chǎn)生故障后，其電網(wǎng)仍可在一定時間范圍內(nèi)繼續(xù)使用，電網(wǎng)將針對消弧線圈的運行模式加以持續(xù)干預(yù)控制，線圈在此期間不斷呈現(xiàn)過度補償和缺乏補償?shù)臓顟B(tài)，此時通過觀察零序電流相量即可察覺其變化。

1.3.3 獲取故障特征信息

為有效獲取故障特征信息，工作人員須充分利用配網(wǎng)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)對零序電壓、零序電流等相關(guān)參數(shù)的采集和整理，在自動化終端的智能運行下將相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)分類整理并錄入數(shù)據(jù)庫內(nèi)儲存，使后續(xù)的故障分析有據(jù)可循。

完成高效數(shù)據(jù)參數(shù)采集工作后，工作人員可以利用GPS或GPRS技術(shù)確保相量數(shù)據(jù)采集的同步性和實時傳輸性，開展各檢測點相位差實際數(shù)值的計算，計算公式為：Δφi=φi-φ。公式中i表示測試點編號，φ表示絕對相位，其中φo表示變電站相位，運用這一公式進行具體計算可最終得到各檢測點間的相位差，同時與采集整理的零序電壓數(shù)據(jù)進行結(jié)合即可獲取故障特征信息。

1.4 故障分段定位法

故障分段定位法可以實現(xiàn)各檢測點零序電流相量參數(shù)的自動采集和收集，并及時判斷出產(chǎn)生故障的線路段位得出分析結(jié)論。在單電源輻射結(jié)構(gòu)線路中，包含普通線路檢測點的相連檢測點將其劃分為不同的段，一個段內(nèi)可能同時存在2個或多個檢測點對其進行界定和判斷。

其中，單電源輻射線路故障段流經(jīng)的零序電流具有一定的方向，在進行故障段的定位處理過程中變電站根測點只負責(zé)零序電壓相量參數(shù)的采集工作，其中故障點一定位于這一根測點的下游；而將葉節(jié)點作為假設(shè)檢測點時，故障點一定位于葉節(jié)點的上游。

2 故障定位物理模擬實驗與掛網(wǎng)測試

2.1 故障定位物理模擬實驗

為進一步將故障定點具體到某一區(qū)域內(nèi)，工作人員需要充分了解配電線路系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)參數(shù)，立足于線路實際情況構(gòu)建對應(yīng)故障分區(qū)的定位模型，接地故障分區(qū)定位模型(見圖2)。為保證故障定位區(qū)域的準(zhǔn)確性，首先應(yīng)在負荷開關(guān)相關(guān)區(qū)域內(nèi)設(shè)置檢測點，并用D代表一區(qū)域的相鄰矩陣，用t代表標(biāo)識相量，用A代表開關(guān)部分檢測點的總數(shù)，用B代表其余部分的檢測點總數(shù)，因此配電網(wǎng)系統(tǒng)中全部檢測點的數(shù)量就等于A+B+1。在上述設(shè)定的基礎(chǔ)上開展故障邊界線節(jié)點計算，從而明確故障分區(qū)的對應(yīng)邊界位置[3]。

圖2 接地故障分區(qū)定位模型

進行故障定位物理模擬實驗時可借助10 kV配電網(wǎng)的新能源電力系統(tǒng)物理模擬平臺，利用先進技術(shù)實現(xiàn)單相接地故障模擬實驗的構(gòu)建，得到的數(shù)據(jù)詳情如表1所示。

表1 物理模擬實驗數(shù)據(jù)表

不同檢測點相位差數(shù)據(jù)、差異提示和故障段邊界節(jié)點在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)接地故障中具有重要意義，以上述參數(shù)為基礎(chǔ)可有效提升故障定位的準(zhǔn)確性。

2.2 掛網(wǎng)實驗

在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象后工作人員可以利用配電自動化技術(shù)，并通過AFFABN算法的輔助明確故障邊界節(jié)點的具體范圍，從而使故障及時有序地解決。為進一步確認接地故障是否排除成功，工作人員會采用掛網(wǎng)實驗的方式對配電系統(tǒng)運行情況做出全面檢測和分析。以某電力企業(yè)小電流接地故障處理方案為例，經(jīng)過掛網(wǎng)實驗測試結(jié)果可知，在排除接地故障前1號檢測點的零序電流處于滯后狀態(tài)，零序電壓達到90°，再對2號和3號檢測點開展實驗測試可發(fā)現(xiàn)其零序電流狀態(tài)與1號相同，當(dāng)接地故障排除解決后各檢測點則無明顯異常，因此掛網(wǎng)實驗的應(yīng)用對精準(zhǔn)定位配電自動化系統(tǒng)故障具有極高的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

實現(xiàn)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)接地故障定位的高效化和精準(zhǔn)化可為維修檢測人員帶來極大的便利，并為饋電線路的控制和保護提供了極富價值的理論參考。因此在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中提升接地故障定位技術(shù)可以有效推動配電系統(tǒng)自動化和智能化建設(shè)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定良好運行。