配电网单相接地故障定位技术的应用

配电网单相接地故障定位技术的应用

杨永涛

海南电网有限责任公司临高供电局 海南省临高县571800

摘要：结合配电网单相接地故障存在的危害进行分析，深入探索配电网单相接地故障定位技术的具体应用，希望能够促进电网设备安全运行，延长其使用寿命。

关键词：配电网；单相接地；故障定位

1配电自动化系统单相接地故障的主要特点

系统发生单相接地故障时，根据滤波电阻的电阻值不同，可分为2种类型：低电阻接地故障和高电阻接地故障。低电阻接地故障主要以金属性的接地为主，在整个系统运行中所占的比例较低。高电阻接地故障在出现水泥、沙地、树枝等高阻值情况时，非故障相电压一般会变为之前的n倍，并且还会使整个系统的运作出现故障，严重威胁到系统安全性和稳定性。

1.1故障电流的稳态数值较小

电阻对配电系统单相接地故障影响较大，在不同介质下回路的电流一般在0～75A之间。一般用暂态电压、暂态电流、正负零序等电量值进行故障辨识和分析。但从实际发展来看，高电阻接地故障线上的接地电流相对较小，且往往无法有效识别暂态特征，因此传统的故障分析方法无法及时判断和排除这些故障类型。

1.2故障电流的出现具有较强随机性

从实际发展情况来看，配电网单相高电阻接地故障的原因与人密切相关。当故障发生时，有时会出现一些随机运动，这使得导电通路间歇性出现，无法在第一时间及时识别故障电流。

1.3故障相、零序电流波形的畸变

配电网发生单点的短路介质通常由雨、雪、沙等组成，这些介质通常不连续，产生的故障电流较少，也包含谐波值。当单相接地故障发生时，配电网的短路电路将产生大范围的瞬态电流，电流波形也将发生畸变。

2配电网单相接地故障定位系统的设计

2.1故障定位装置

该装置中包含的核心设备有变压器、检测器、高压信号源等，以3线路、2分支的简单电力系统为例。配电网的3条线路，每条线路中均设置了A、B、C、D、E五个测试点，线路1、2同线路3，图中不再赘述。在中压配电网运行过程中，假设在K点出出现了单相接地故障，则利用能量法、小波分析法等故障选线方法，确定发生故障的线路，即线路3。然后从线路3的端头注入一个高压直流信号，并且在五个测试点处依次使用移动式直流检测器进行信号检测。根据检测信号，在B点出正常，在C点出异常，则可以判定故障位于B、C之间，从而缩小了故障范围。换用感应电流检测器，在BC段内继续检测，直到最终确定故障点K。

2.2信号检测器

根据检测对象的不同，又可分为直流、交流两种信号检测器。以直流信号检测器为例，其核心元件包括：（1）霍尔直流检测器。钳形开口可用于连接线路，内部嵌入霍尔元件，基于霍尔效应实现对线路中直流信号的动态检测，测量误差≤5%。（2）采样处理电路。可对电路中的电流信号进行放大、滤波、降噪以及A/D转换等处理。在处理结束后，利用蓝牙无线发送器将信号传送到接收端。要求蓝牙无线收发器的直线距离在15m以内，以保证连接可靠、传输稳定。（3）蓝牙无线接收器。正常接收信号后，将电信号转化为数字信号，并通过显示器显示出来。

2.3多功能高压信号发生器

该装置的作用是向配电网中注入高压直流、交流、脉冲信号。从组成结构上来看，包括逆变器、调压器、升压变压器、整流器等。逆变器的作用是把车载直流电压逆变成交流电压。正常情况下，车载直流电源提供的是12V直流电，经过电压逆变器的转化后，输出220V、60HZ的交流电压。然后依次经过调压器、升压变压器的处理，得到2000-3000V的高压电，确保故障点可靠击穿。从升压变压器输出的交流电压经过不同的处理后得到3种信号：其一是未经任何处理、直接输出的高压交流信号，最高电压3000V，电流180mA，频率60Hz；其二是经过整流器处理后的高压直流信号，最高电压3000V；其三是经过高压脉冲信号发生器处理的高压脉冲信号，最高电压10000V，脉冲宽度200ms。

3基于同步相量测量的在线定位技术

3.1故障在线定位原理

以简单配电网为例，假设一条线路上共有3个节点，分别是母线节点A，以及分支节点B和C。在进行故障定位时，由于不确定故障点的位置，因此只能按照电流方向寻找，即从母线节点A开始，沿着主线路寻检到达分支节点B，进行支线寻检。如果未发现故障点，继续回到主线路上沿着B→C的方向寻检。在到达分支节点C后，进行支线寻检，未发现故障点继续回到主线路寻检。在寻检时，主要获取线路中零序电流的相位信息。并且将该信息与变电站传送来的零序电压的相位信息进行对比，如果零序电流滞后于零序电压90°，继续沿着电流方向往下游追踪。如果零序电流超前零序电压90°，则向上游追踪。通过不断缩小检测范围，最终锁定故障点的位置。

3.2同步相量测量技术

在线同步测量零序电压相量和零序电流相量，是实现单相接地故障精准判定的关键技术。在同一配电网中，线路中任意点出的零序电压相量是一致的。因此，可以将变压站处测量得到的零序电压相量，等同于线路中任意一点的零序电压相量。当发生单相接地故障后，线路中的零序电流会发生变化。只要同步采集零序电压、零序电流的相量并进行对比，即可进行故障追溯。由于两者之间属于异地检测，因此如何做到异地检测中同步获取相量信息就成为关键问题。一种解决方案是将零序电压采样的时标信息附加在幅值和相位信息上，一起传递到零序电流检测装置中。该装置在接收幅值信息、相位信息后，存储到缓冲区内。利用时标信息在缓冲区内准确获得同一个采样时间点的零序电流测量数据，这样就能保证两个不同的相量具有统一的时标，从而实现了同步。

3.3在线定位装置设计

在线定位装置主要由上位机、下位机组成，其中下位机又包括定位器、相电流测量器。上位机位于变电站内，内置GPS模块，保证能够在接收到时标信息后同步发出脉冲信号。同时，上位机每隔1s触发A/D完成一次零序电压采样。使用FFT算法对采集到的数值进行计算，从而分别得到零序电压信号的幅值和相位参数。最后使用内置的无线通信模块，将幅值、相位、时标信息一同发送给下位机。下位机是一台便携式设备，可用于在配电线路中进行移动检测。设备上有一个钳形表头，可以夹在线路上，并利用相电流检测器读取线路中相电流的数值。定位器的GPS模块在接收上位机发送过来的时标信息后，同步响应并发出脉冲信号。相邻的蓝牙无线接收模块会向相电流测量器发出指令，由该测量装置获取相电流的瞬时值，并将采集到的数值反馈至定位器。下位机将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，进而使用FFT算法获得该电流的幅值、相位参数。根据同一时刻测量得到的零序电流信号的幅值和相位，可以求得零序分量的有功功率值（P）。如果P＞0，故障点位于检测点的上游，寻检人员逆着电流方向往上查寻；如果P＜0，故障点位于监测点的下游，寻检人员顺着电流方向往下查寻。通过不断缩小范围，最终确定故障点的位置。

3.4在线定位装置的仿真实验

在实验室环境下搭建一个10kV配电网模型，接入电压为市电380V，利用变压器将其升高至10kV。有2条配电线路和1条保护线路，以及熔断器、电压互感器、电容器等装置。其中，电压互感器3台，6#互感器位于主干线上，5#和7#互感器分别在支线上，并且5#互感器所在的支线发生单相接地故障。结合上图可知，5#互感器测量的零序电流滞后零序电压91.3°，6#互感器测量零序电流滞后零序电压90.8°，7#互感器测量零序电流超过零序电压91.0°，说明故障点位于5#互感器所在的支线上，与理论结果一致。

结束语

从当前发展应用实际情况来看，配电自动化系统不可避免地会遇到单相接地故障问题，为此，需要相关人员结合配电自动化系统单相接地故障的主要特点，通过单相接地故障基本判断、故障点的定位等方面减少单相接地故障的发生，为电力系统的稳定运行提供支持。

参考文献

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