一种用于消弧线圈接地系统中的故障定位方法

盐城供电公司设计院 沙建华

盐城供电公司 郭兴农

1.引言

随着配电网的复杂化，系统电容电流逐渐增加，对于消弧线圈系统，当发生单相接地故障时，消弧线圈提供的电感电流和原系统中的电容电流相抵消，这样就可以减少流经故障点的电流，使电弧易于熄灭。然而，由于单相接地故障电流小，经过消弧线圈补偿后，故障线路电流再次降低，这给消弧线圈接地故障选线、定位带来了很大的困难。

本文在分析总结现有故障选线方法以及故障定位技术存在问题的基础上，提出了一种同时投切并联中电阻和谐波信号的故障定位方法。通过验证证实了此种方法具有很高的准确率，与故障指示器的结合，大大减少了接地故障的查找和排除时间，提高了配电网运行的可靠性。

2.故障选线、定位技术

2.1 故障选线技术

目前接地故障选线技术应用较多的主要有：零序电流比幅、比相法；五次谐波分量法[7，8]。零序电流比幅、比相法原理是基于单相接地故障时流过故障线路的零序电流幅值比非故障线路零序电流的幅值大且电流方向相反进行选线，但这种方法只适用于中性点不接地系统，且不能排除CT不平衡及过渡电阻大小的影响。

五次谐波分量法是利用五次谐波的群体比幅比相法解决故障选线的问题。由于消弧线圈的补偿只是针对基波而言的，对于五次谐波而言5ωL＞＞1/5ωC，此时可忽略对其补偿效果，再利用零序电流比幅、比相法的原理，故障线路的五次谐波电流比非故障线路的幅值大且方向相反，即可解决系统的选线问题。但系统中五次谐波含量较少，检测灵敏度低，负荷中的五次谐波源、CT不平衡电流和过渡电阻大小，均会影响选线精度。

2.2 故障定位技术

目前应用较多的故障定位技术主要有：故障测距法；信号注入法；故障点探测法等[9]。

故障测距法包括阻抗法和行波法。阻抗法是假定线路为均匀线，利用在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，计算测量点到故障点的距离，进行故障定位。行波法根据线路发生故障时，会产生向线路两端传播的行波信号的理论，利用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可以实现故障定位。这两种方法只适合于网络分支较少线路，而配电网出线分支较多，用行波法进行故障定位比较困难[10]。

信号注入法需要借助外部信号设备，提供故障检测信号，当系统发生接地故障时，安装在变电站的信号源主动向母线注入一个特殊的信号，这个特殊的信号在接地点和信号源构成的回路上流过，即只在故障线路上流过，检测装置通过检测、跟踪这个特殊信号，进而确定故障点。

故障点探测法就是在配电线路的主要节点安装故障探测器，将探测信息加以汇总分析，得到故障区段。目前常用的户外故障探测器有线路故障指示器。它是利用线路自身的故障信号进行故障判定，一般用在人工沿线查找，工作效率低。

3.并联中电阻选线技术

并联中电阻选线方法是信号注入法的一种，它借助投切并联中电阻装置，当系统发生接地故障时，通过投切并联中电阻，向系统注入工频信号，该信号仅在故障线路中流通，因此可对该信号进行检测从而选出故障线路。

并联中电阻系统接线图如图1所示。

图1中：Ea、Eb、Ec分别为A、B、C三相的电压；Ca、Cb、Cc分别为A、B、C三相的对地电容；R1为并联中电阻；R2为单相接地故障时的接地电阻；L为消弧线圈；K为真空开关。

系统正常运行时，真空开关K断开，并联中电阻不投入运行。当系统发生单相接地故障后，经过一段时间延时，真空开关K闭合，投入中电阻，监测各线路零序电流数值。由于投入中电阻所产生的有功电流只在故障线路中流通，且有功分量不会被消弧线圈的感性电流所补偿，因此在并联电阻投入的时间内，仅故障线路零序电流增加，非故障线路电流变化很小。中电阻投入0.5s后，开关K断开，切除中电阻，再次监测各线路零序电流数值。在并联电阻投入的时间内（几个周期即可），故障线路的零序电流信号与非故障线路相比差异显著，且有功分量不会被消弧线圈的感性电流所补偿，因此可以选出故障线路。

并联中电阻的选线过程为：系统单相接地→经过设定的延时时间投入并联中电阻→采样线路零序电流→切除并联电阻→采样线路零序电流→选线装置准确判断接地线路。

为验证并联中电阻选线效果，假设系统中有5条出线，模拟1号出线发生接地故障，并在短时间内投入并联中电阻。通过仿真分析得到投切并联中电阻选线的各线路零序电流波形如图2所示。

由图2可见，并联中值电阻投切前后，故障线路1号出线零序电流幅值发生跳变，而非故障相线路的零序电流在并联电阻投切前后变化不明显，因此可以根据这一变化判定故障线路。并联中电阻选线方式就是根据这一原理发展而来的，为解决消弧线圈系统的故障选线难题提供了一个良好的解决办法。

4.故障定位方法的分析研究

故障选线仅仅对变电站的出线进行故障选线，而配电网线路分支较多，当线路发生接地故障时，检修人员需要从变电站出线开始，沿着故障线路，找到下一级分支点，然后通过人工试拉的方式确定具体的故障线路区段。该查找方法人力投入较大，故障排查时间较长，给系统的安全带来隐患[11]。

图1 并联中电阻系统接线图

图2 系统单相接地后各线路零序电流波形

图3 单相接地系统仿真模型

图4 接地电阻为10Ω时的仿真曲线

图5 接地电阻为1000Ω时的仿真曲线

如果能够对变电站和开闭所同时进行故障选线，并借助一些选线方法，形成配电网故障定位系统，将缩小故障区域，减小故障排除时间，提高系统运行的可靠性。经调研，目前市场上已研制出一些故障定位产品，例如故障指示器。它是一种指示故障电流流通的装置。线路发生故障后，巡线人员可借助指示器的报警显示，迅速确定故障区段，进而找出故障点。

目前，市场上的故障指示器多利用零序电流比幅、比相法等线路自身故障信号进行判定，对复杂的接地故障来讲，故障类型多样，故障信号特征不明显，特别在消弧线圈接地系统中，该类故障更不易判定。针对这一现象，本文开发了一种同时投切并联中电阻和谐波信号源的故障定位方法，人为的向故障线路注入判定信号，故障指示器通过检测这一系列信号可以做出准确的故障判定。

仿真分析验证：

由图2所示，并联中电阻选线效果良好，为保证其选线效果，本文在中电阻旁并联一个谐波信号发生源，系统发生接地故障后，通过中性点的开关投切，不仅向故障点注入基波电流，而且同时注入二次谐波电流，此时故障指示器故障判定不仅可参考并联中电阻的投切信号，而且还可参考二次谐波增量的投切信号，这样不仅使注入信号的特征更加明显也避免了系统扰动的影响，可大大提高故障判定的准确性。

下面搭建一个模拟电网，在不同的接地方式下，同时对并联中电阻和二次谐波信号源进行投切，通过仿真验证该方法的可行性。

设系统电压10kV，并联中电阻为135Ω，消弧线圈为预调式，过补偿10%，系统对地电容为30uF。系统接地后，同时对并联中电阻与二次谐波信号源进行短时投切单相接地仿真框图如图3所示。

4.1 金属性接地情况模拟

取故障点的接地电阻为10Ω进行仿真，此时注入的总电流信号波形如图4(a)所示，通过仿真得到的波形分别如如图4(b)和4(c)所示。

由图4可见：

1）在系统发生单相接地故障后，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路的电流有效值立即减小至5A左右，验证了消弧线圈的有效性。

2）系统单相接地后经过约1s的延时同时投入并联中电阻和二次谐波信号，故障线路总电流有效值增加约92A，信号增量明显。

3）信号投入0.5s后，切断中电阻与二次谐波信号，各路信号恢复正常。

4）由图(c)所示，通过信号的投切，故障线路电流基波和二次谐波信号增量明显，二次谐波电流源的投切，在中电阻选线的基础上，为后续故障指示器的判定提供了更可靠的保证。

5）在系统金属接地情况下，通过中电阻和二次谐波电流信号的同时投切，明显增强了注入信号的变化特征，并且通过对两种信号增量的同时判断，可排除系统扰动的影响，准确地判断故障线路。

4.2 高阻接地情况模拟

利用图3仿真模型，取故障点的接地电阻为1000Ω进行仿真，得到的仿真曲线如图5所示。

通过对比分析图4、图5可得：

1）系统发生单相接地后，随着接地电阻的增加，故障线路总电流增量减弱，但增量大于5A，可容易地分辨出故障线路。

2）随着接地电阻的增加，故障线路基波电流信号增量减弱，但增量依然明显，说明在高阻接地的情况下利用投切中电阻依然可辨别故障线路。

3）由于二次谐波电流信号的同时投切，故障线路的二次谐波电流增量显著，利用其与中电阻投切相结合为定位提供了可靠的保障。

4）在高阻接地的情况下，通过中电阻与二次谐波信号的同时投切，故障线路电流增量明显，对两种信号增量的同时判断，可排除系统扰动的影响，验证了本文方法的有效性。

综上可得，本文提出的故障定位方法无论在消弧线圈系统金属性接地或高阻接地情况下，均能准确、有效地判定故障区段。

结合同时投切中电阻与谐波信号的选线方法将故障指示器安装于架空线路的主干线和各分支线上，共同构成消弧线圈接地系统故障定位系统。当消弧线圈接地系统发生永久性单相接地故障时，通过同时投切中电阻和谐波信号源向故障点注入信号，使故障线路的零序电流基波和谐波含量增加显著。该注入信号不但为变电站故障选线提供了选线信息也为配电网开闭所出线提供了选线信息。对于安装了故障指示器的线路来说，由于双信号同时注入，此时故障线路产生的特征信号触发故障线路上从变电站出口到故障点的所有故障指示器动作，而故障点后的故障指示器不动作，因此可以实现故障线路的自动定位，免除了人工查线的烦恼，提高了工作效率，具有很高的应用价值。

5.结语

本文根据消弧线圈接地系统故障定位不准确的问题，在分析现有故障选线方法以及故障定位技术存在困难的基础上，提出了一种基于并联中电阻选线和谐波注入的故障定位方法。通过理论分析和仿真验证，证实了此种故障定位方法无论在系统金属性接地或高阻接地的情况下均可准确定位故障，与故障指示器的结合，克服了传统选线、定位技术不能应用于复杂网络的缺点，双信号同时注入增强了故障线路特征的同时也避免了系统扰动造成的故障指示器误动作，为故障定位技术提供了有价值的参考。

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