中性点经小电阻接地配网系统的故障定位

于盛楠,冯蓓艳,张嘉旻,谢海宁

(1.上海市电力公司浦东供电公司,上海 201205;2.华东电力试验研究院有限公司,上海 200437)

1 配电网故障定位法

配电网故障定位一直是电力系统中亟待解决的难题。这是由配电网络自身的特点决定的。配电网络与输电网络相比,有以下三大特点:

1)供电半径小 较短的线路使得在输电网故障定位中应用广泛的经典阻抗法在配电网络中误差明显加大。

2)末端随机负荷多 这一特点使得配电网线路的负载电流变化较大,同时,线路也无法轻易地使用集中参数进行等效。

3)线路分支多 从结构上来说,分支多给精确定位某个分支带来困难,同时,分支多带来信息多,真伪信息混杂在一起,难于理清。

目前,常用的配电网故障定位方法,主要有基于配电网自动化的方法、行波方法和使用故障指示器等方法。

1.1 基于配电网自动化的方法

随着配电网自动化技术的日益成熟,大量基于SCADA系统的故障区域判定方法相继出现。他们大多基于配电网的馈线继电保护,依照断路器关系对整个网络进行拓扑分解,从而构成线路网络的关系矩阵,以此构成判别算法[1-4]。

基于配电网自动化的方法可以将故障区域定位至两个断路器之间,在一定程度上缩短了巡线范围和巡线时间,但是无法做到对线路的故障点进行精确定位。

1.2 行波法

行波法利用故障距离与行波从故障点传输到检测点的时间成正比的原理进行故障定位,应用较多的有双端法、单端法和注入法等[5-7],分为A—E五种。

行波法中的A,B,E三型,都要根据检测到的故障自身产生的行波进行故障定位,需要在变电站的各条母线出线处加设检测装置,如用于配电网络,投资较大;D型方法即双端测距法,需要在线路两端进行检测,对多分支的配电网络难以适用;C型方法,即单端行波法,是在线路始端注入检测信号,通过注入信号与故障点返回信号的时差来确定故障位置,这种方法从理论上讲是可行的,但由于配电网络分支对信号的衰减和外界噪声干扰的影响,使得数据处理存在很大困难,所以一直没有得到实际应用。

1.3 使用故障指示器

目前,很多地区的架空线、电缆故障判断,大多采用故障指示器进行判断。这种装置是安装在10 kV或35 kV配电线路或电缆上,通过测量线路上流过的电流和感应电压,并通过一定的逻辑来指示故障。目前,国内对故障指示器缺乏统一标准,导致市面上的故障指示器存在质量参差、判断原理单一等问题,降低了故障指示的准确率。若能通过原理开发和逻辑设计,使故障指示器达到较高的判断正确率,就可通过故障指示器的检测,达到对配电网故障的精确定位。

2 配电网故障指示器的动作分析

上海市某地区配电网采用中性点经小电阻接地系统。从该地区2003年至2009年的配电网故障统计数据来看,由于电缆故障大多为直接接地故障,故障电流较大,因而电缆型故障指示器具有较高的动作正确率,超过90%。而在一般的架空线路中35 kV线路故障指示器总动作准确率约为51%。10 kV线路故障指示器的总动作准确率为73.71%,尤其是单相接地故障(特别是带过渡电阻接地故障)正确动作率不高,仅为58%。

为了找出故障指示器动作正确率低的原因,先对该地区配电网系统的故障特点进行了研究。由于电缆故障指示器动作正确率较高,因而从架空线网络着手进行分析。

3 中性点经小电阻接地配网系统故障特点

3.1 中性点经小电阻配电系统故障特点

通过对所述地区近年来的配电网故障抢修统计数据分析,该地区10 kV架空线路发生故障有以下特点:

1)单相故障多 从2008年至今,该地区的10 kV架空线路单相调换熔丝的工作量占总抢修工作量的62.4%,抢修时间为1.21～5.06 h。

2)断线和避雷器故障大多发生在夏季 例如,2010年6～8月,该地区10 kV线路共发生断线故障34次,远大于2010年1～5月份共11次的断线故障记录。

3)部分区域负荷具有较为明显的季节性和时间性区别,负荷增长较快 每年6～8月份,用户电压低和调换杆变工作量明显增多,因此线路负荷电流变化较大。

4)三相故障大多为外力破坏造成。

3.2 中性点经小电阻接地系统相间故障特点

根据对所述地区典型故障录波的分析及系统模拟计算,中性点经小电阻接地的10 kV供电系统两相故障短路电流在3～6.5 kA内变化,考虑到过渡电阻等多种因素,两相故障电流超过1 kA,故障电流较大。大电流会引起继电保护装置快速动作,开关跳闸,从而造成故障线路三相电压迅速跌落。

相间发生短路故障,由于故障电流较大,对故障指示器而言,最容易进行判断,故障指示器动作正确率也相对较高。

3.3 中性点经小电阻接地系统单相接地故障特点

单相接地故障根据线路所流经过渡电阻的不同,分为金属性故障和非金属性故障。

3.3.1 金属性故障

系统发生金属性故障时,会产生较大的故障电流,为正常负荷电流的好几倍。根据对所述地区典型故障录波分析,以及系统模拟计算,中性点经小电阻接地的10 kV供电系统单相金属性接地故障电流在800～1200 A内变化,并且接地故障时故障相电压下降一般在50%以上。此时,故障指示器根据线路所流经的电流大小就能正确判别出故障与否。

3.3.2 非金属性故障(高阻接地)

研究所在地区的10 kV架空线大多是绝缘导线,当线路断线掉落地面时可能会形成高阻接地,此时由于接地电阻很大,故障电流的变化量可能不足以引起故障指示器动作。单个故障指示器如仅依据电流信息很难判别出故障。针对这种情况,可综合分析各分支线路上故障指示器信息,根据多个故障指示器采集到的电流信息而不是单个的电流信息来判断故障与否。

如图1所示,当线路中F点处发生高阻接地时,故障指示器S1处电流增大,而S2、S3处电流减小,即使S1处电流增幅过小,小于故障指示器的报警动作值,但是,仍然可以根据S1处电流增大,而S2、S3处电流减小这一特点,判断出故障指示器S1所在线路发生故障,或结合线路零序电流情况进行判断。

3.4 中性点经小电阻接地系统断线故障特点

3.4.1 电源侧断线后接地

如图1所示,若F点处发生故障,则巡线人员发现故障指示器S1动作,而故障指示器S2和S3不动作,判断出故障位置在故障指示器S1之后,故障指示器S2和S3之前。这时伴随接地故障的是较大的接地电流,类似于单相接地故障,但应保证断点后侧的故障指示器正确不动作。

图1 电源侧断线后接地故障

3.4.2 负荷侧断线后接地

如图2所示,此时电源侧没有发生接地故障,因此没有故障电流,而负荷侧也没有故障电流。此时如果线路上健全相有一定的负荷电流,则零序电流保护会动作,开关跳开。此时,电源侧和负荷侧均有电压跌落。

图2 负荷侧断线后接地故障

3.4.3 杆塔的跨接线断开两侧不接地

如图3所示,杆塔的跨接导线断开,两侧均不接地,这种情况下故障导线上没有电流,如果线路上健全相有一定的负荷电流,则零序电流保护会动作,开关跳开。电源侧和负荷侧电流均为0,电源侧和负荷侧均有电压跌落。

图3 杆塔跨接线断开后不接地故障

3.4.4 小结

对于后两种情况,由于没有故障电流,很难通过电气量进行判断。这是因为线路无电流很可能是用户侧负荷切除或者继电保护装置动作所致。通过对市面上各种故障指示器的性能及功能调研,大多数厂家对中性点经小电阻接地系统断线故障指示,目前还没有可提供解决的技术方案。

4 故障指示器常用判断逻辑

4.1 电流定值法

电流定值法是目前故障指示器中最常用的一种故障判断逻辑。与继电保护中的过流保护类似,在故障指示器中设定,当线路电流超过设定电流时故障指示器动作。电流定值法原理简单,因而故障指示器中一般配置为可选定值,供使用者根据线路情况设置不同的电流定值。

电流定值法可以用于判别配电线路的接地和短路故障,但是,由于配电线路差异较大,同一条分支前后负荷电流也大为不同,而且常常发生负荷割接等变动,因此,若选用单纯电流定值原理的故障指示器,为保证故障指示器的动作正确率,需要对其进行大量的整定工作。

4.2 电流突变量法

电流突变量法是通过检测一定时间内线路电流突变量是否达到一定值来判断故障点。由于配电线路负荷波动较大,电流突变量法常常需要配合时间判据,避免因负荷跃变造成故障指示器误动作。电流突变量法通常与电流定值法结合起来,运用于故障指示器的逻辑设计中,用于判别配电线路的接地和短路故障,但是突变量的整定依然需要较多的前期工作。

4.3 阶梯形电流整定法

为了避免负荷电流不同带来的复杂整定工作,阶梯形电流整定将自适应的整定值设计在故障指示器的逻辑当中,根据实时检测到的负荷电流,按一定倍率设置整定值。如图4所示,是一种2倍率的阶梯形整定示意图。

图4 阶梯型整定示意图

当检测到的负荷电流为0～50 A时,故障指示器动作定值自动整定为100 A;当检测到的负荷电流为50～100 A时,故障指示器动作定值自动整定为200 A;以此类推。采用方法提高了故障指示器对低负荷电流的线路故障的判别灵敏度和可靠度,但是对于高负荷电流的线路故障可能会降低灵敏度。

4.4 电压突降法

由于配电线路发生故障后,继电保护装置会使开关动作造成线路失电,因此,电压突降也成为部分故障指示器的判据之一。由于开关跳开后,整条线路电压均失压,所以电压突降之能作为故障判定的辅助判据。

5 故障指示器逻辑设计

通过上述分析,根据目前配电线路的实际情况,综合出较为理想的故障指示器的判断逻辑,其逻辑原理如图5所示。

图5 故障指示器逻辑设计

式中:I0为零序电流;Is为设置的动作电流值,当负荷电流较小时,可按阶梯型进行设定;当负荷电流较大时(超过400 A),可按线路情况设置整定;d i/d t为电流突变量;Uφ为相电压,设置为低电压触发;t为时间。

如图5所示,该逻辑表示:当零序电流存在或相电流超过设定值或电流突变量超过设定值时,若相电压跌落一定时间,则故障指示器进行指示。该逻辑通过对零序电流、电流最大值、电流突变量和低电压的综合判断,各整定值在《中性点经小电阻接地系统配网的架空线路故障指示器整定研究》一文中进行了分析讨论。该逻辑理论上能够实现短路、接地故障的判断,而且由于引入零流,对单相断线故障也可做出判断。

为了实现此逻辑,必须有效检测零序电流,通过调研,目前的线路故障指示器大多为单相指示,若要检测零序电流,可通过三相之间通信实现,亦可通过建立故障判断后台,对各个故障指示器在各个时刻检测的电气量进行逻辑判断。

6 结语

要做到对配电网精确进行线路故障定位,一直是个难题。通过分析现有的故障定位方法,提出改进现有故障指示器的故障判断逻辑来实现中性点经小电阻接地系统的故障定位。

新的逻辑判断,理论上能够实现短路、接地故障的判断,而且由于引入零流,对单相断线故障也可做出判断。对零流检测,建议通过三相通信或者后台判断方式加以实现,实现方式将在日后的研究中继续验证。

[1] 裴善鹏,连鸿波,李万彬,王 璐.快速调匝式消弧线圈及接地选线一体化装置研究[J].现代电力,2006,23(1),20-24.

[2] 齐 郑.小电流接地系统单相接地故障选线及定位技术的研究[D].华北电力大学电力系,2005.

[3] Johns A T W hittard.New technique for the accu rate location of earth fau lts on transm ission system[J].IEE Proc.-Gener.T ransm.Distrib.1999,142(2):73-79.

[4] 王 玮,蔡 伟,张元芳,樊大伟.基于阻抗法的电力电缆高阻故障定位理论及实验[J].电网技术,2001(11).

[5] Bo Z Q.Accu rate fault location technique for distribution system using fault-generated high-frequency transient voltage signals[J].IEE Proc.-Gener.Transm.Distrib.1999, 146(1):73-79.

[6] 陈 平,葛耀中,徐丙垠,李 京.现代行波故障测距原理及其在实测故障分析中的应用-A型原理[J].继电器,2004, 32(2):13-18.

[7] 陈 平,葛耀中,徐丙垠,李 京.现代行波故障测距原理及其在实测故障分析中的应用-D型原理[J].继电器,2004,32 (3):13-18.