基于暂态零序电流算法的配网故障快速定位

陈小乔 邓国明 阳细斌

（广东电网有限责任公司阳江供电局，广东 阳江 529500）

0 引言

我国配电网多采用中性点非直接接地方式，单相接地故障快速定位一直是供电企业的难点之一。本文从理论上对中性点非直接接地电网的零序网络进行相频特性分析，根据暂态零序电流的特征，提出一种利用相邻FTU检测的暂态零序电流做出快速故障定位的方法。这种方法能够准确定位出中性点非直接接地电网中故障区域，减少了故障时过渡电阻对故障定位造成的影响，具有较高的灵敏度。

1 零序网络的相频特性

1.1 单条无故障线路的零序阻抗相频特性

设单条10 k V架空线路每千米的零序电阻为R0，零序电感为L0，零序电容为C0，其线路长度为M，角频率为ω，则根据典型分布参数模型，这条线路的输入阻抗Z0如下：

根据式（1），该条10 k V架空线路的零序阻抗相频特性如图1所示。

分析图1可以发现，单条10 k V架空线路零序阻抗的相频特性是从＋90°～－90°呈周期变换的曲线。随着频率加大，该架空线路的零序阻抗在容性频带以及感性频带之间相互转换。第一次频带转换的频率在2 k Hz左右。

1.2 中性点不接地电网的零序阻抗相频特性

假设在多条10 k V架空线路构成的系统中，有一条线路发生了单相接地故障。对于没有发生故障的线路，其零序阻抗的相频特性只和本条线路相关，即与图1所示的相频特性相同。而对于故障线路，其检测到的阻抗与其余所有线路构成的网络有关，由于该网络内的线路同时存在自身的串联谐振以及相互之间的并联谐振，零序阻抗具有不规则的感性或容性。即故障线路的相频特性与其他正常线路相关，故障线路发生串联谐振时，其频率等于其余线路发生串联谐振的最小值。设有4条线路，1～3条为正常线路，第4条线路为故障线路，则这4条线路的相频特性如图2所示。

图2 线路故障时零序阻抗的相频特性

由图2可见，在ω′之前，所有线路的阻抗都为容性。

2 暂态零序电流的特点

在图2中，0～ω′频段内各线路的阻抗都为容性，用电容等效，这个频段内暂态零序电流为容性电流。对于故障线路，其出口点监测到的零序电流，为其余正常线路对地零序电容电流之和，电流方向为由线路流向母线。在线路发生接地故障时，在故障点相当于出现了一个虚拟电源，从该点流出的零序电流向线路上游和下游流去，故障区段两端检测到的暂态零序电流方向相反，在幅值上上游电流更大。

因此0～ω′频段内的暂态零序电流具有以下特点：（1）故障线路的暂态零序电流幅值大于或等于正常线路；（2）故障线路的暂态零序电流由线路流向母线，而正常线路的暂态零序电流由母线流向线路；（3）故障线路的正常段两端电流幅值基本相等，且电流流向相同，而故障线路的故障区段两端电流方向相反，且故障区段流向上游的电流幅值会远大于流向下游的电流幅值。

3 基于暂态零序电流幅值的故障快速定位方法

3.1 建立馈线自动化系统

建立典型的环网馈线自动化系统，配置FTU、通信网络及FA控制主站。其工作方式为：在线路发生接地故障后，FTU能够检测到过电流，利用通信网络将故障信息发送给控制主站后，控制主站对该信息进行分析，找出故障区段。根据馈线自动化系统给出的结论，操作分段开关将故障区段隔离，恢复其余正常线路的供电。

3.2 基于暂态零序电流幅值的故障快速定位算法

设第k条线路在0～ω′频段内暂态零序电流分量为i0k，其第i个数据有i0ki，则暂态零序电流的有效值I0k计算公式如下：

式中，n为数据的总个数。

设线路上游的暂态零序电流为I01，线路下游的暂态零序电流为I02，则上下游暂态零序电流的比值η如下：

从上文可知，对于线路正常区段，η约等于1；而对于故障区段，η远大于1。所以，利用线路各区段两端的FTU检测到的上下游暂态零序电流的比值η，即可判断故障区段。

当η＜ζ（ζ可整定）时，则判断该区段两端暂态零序电流幅值相差不大，为正常区段；当η＞ζ（ζ可整定）时，则判断该区段两端暂态零序电流幅值相差过大，为故障区段。

3.3 算法特点

采用上述算法，由于FTU发送的只是暂态零序电流幅值，而不是全部暂态零序电流数据，故传输数据量小，对通讯网络的压力较小。同时，这种算法在采集暂态零序电流幅值时不需要时间同步，即时间不同步也不影响对故障区段的判断。从相频分析可以看出，暂态零序电流幅值远大于工频分量，保证了故障发生后监测结果的准确性。

4 结语

线路的零序阻抗相频特性呈周期性变化，第一次线路零序阻抗从容性频带转换为感性频带时的频率远大于工频，在0～ω′频段内暂态零序电流为容性电流。而线路正常区段和故障区段两端的电流具有明显的不同，采用基于暂态零序电流幅值的故障快速定位算法，其传输的数据较少，对故障的定位具有较高的灵敏性和可靠性。

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