高精度检测录波终端在配网运维中的应用

李洪涛 唐先武 刘日亮 史 永

1.国网北京市电科院 北京 100075

2.北京映翰通网络技术股份有限公司 北京 100015

3.国家电网公司 北京 100033

0 引言

中性点小电流接地系统单相接地故障判断一直是困扰10kV线路运行的大问题。小电流接地配电网在发生单相接地故障时，系统中只产生很小的接地电流，三相线电压依然对称，并不影响系统的正常工作。按照我国电力操作规程，小电流接地配电网可以带故障运行2小时，在此期间瞬时和短时间单相接地故障会自行消失，配电网无需跳闸停电，提高了供电可靠性，这也是小电流接地在我国配电网得到广泛应用的原因。单相接地故障是小电流接地配电网所有故障中发生最频繁的一种，约占所有故障的50~80%。在发生长时间单相接地故障后，必须尽快找到单相接地故障点，排除故障。否则接地故障产生的过电压和接地电流，可以导致电缆烧损、电压互感器烧毁、开关柜损坏等电力系统事故。同时接地线路如果当作正常线路长期运行，会给当地居民、家畜安全带来极大的隐患。近年来，多起人身触电、开关柜烧损、电缆起火等恶性事故时有发生，极大地威胁了电网安全生产。［1－2］

我们已不能用传统的思路来看待小电流接地系统单相接地的问题，国家电网公司数据：中性点经消弧线圈接地系统的变电站比例为28.2%，不接地系统的变电站的比例是68.5%，比例巨大。中国广大的郊区和农村普遍采用架空线路，绝大部分采用小电流接地方式，由于线路总长度大、分支多、地理环节复杂，单相接地故障查找困难，有效地故障判断技术收效大。

在馈线自动化方面，线路开关FTU集成选线模块，与选线技术相配合，实现了单相接地判断从选线到选段的进步［3－4］。但由于城郊和农村配网长线路比例很高，还需要进一步的进行单相接地故障定位。

1 高精度检测终端采用的技术

1.1 采用电子式电流互感器拾取电流信号

传统电磁式互感器由于采用电磁感应原理，利用铁磁性材料作为测量磁路，在测量的线性度、带宽、暂态响应上性能稍差，特别是在大电流时铁磁性材料会饱和。为了更好地拾取配电网线路电流信号，高精度检测录波终端在三相线路上安装的采集单元采用电子式电流互感器测量电流，电子式电流互感器具有低噪声、高线性度、高精度和高带宽的特点。

1.2 采用高采样率采集暂态电流信号

为了能准确记录小电流接地配电网发生单相接地故障时线路上的暂态电流信号，采集单元采用4kHz采样率对线路电流信号进行采集，可以记录带宽在1000Hz以内的小电流接地故障暂态电流信号。

1.3 采用电流突变和电场突变触发录波

为了能记录下故障发生瞬时前后的线路电流和线路对地电场波形，采集单元采用电流突变和电场突变作为触发条件，启动录波。

1.4 采用三相高精度无线同步对时叠加生成零序电流

为了能在架空线上获得零序电流，三相采集单元通过三相之间进行高精度无线同步对时，通过时间精确同步的三相电流信号直接叠加来生成零序电流，时间同步误差可以控制在±100us以内，三相相角误差在±1.8°。

2 高精度检测终端性能指标实测

2.1 电子式电流互感器线性度与测量误差

使用采集单元的电子式电流互感器，测量如下电流值交流电流：20A，25A，30A，200A，300A，400A，500A，600A，700A，一个典型的测量值和真实值之间的关系如图1所示，相应的测量误差如图2所示。

通过图1和图2，可以发现采集单元的电子式电流互感器具有较高的测量线性度，而且精度等级可以达到1级。

图1 电子式电流互感器测量线性度

图2 电子式电流互感器典型测量误差

2.2 现场测试

为了进一步检验电子式电流互感器的性能，还对其进行了现场测试，将线路状态监测器安装在架空线柱上开关附近，用电子式电流互感器线路电流有效值测量结果和柱上开关内电流互感器测量结果比对，在甲供电公司A路2号杆前安装的线路状态监测器和A路215开关的负荷电流测量值比对结果如图3所示。

图3 线路最大负荷电流100A～200A比对结果

从图3可以看出，A路2号杆前线路状态监测器和开关电流测量结果基本趋势保持同步，误差分布为正态分布，平均误差为1.1A。

2.3 三相合成零序电流性能测试结果

零序电流由三相合成，这要求三只TA精度高、性能一致、对时误差非常小，线路投运通过励磁涌流时是一个判断典型情况，我们可以考察其零序电流合成结果。

如图4所示，图中黄、绿、红分别代表U、V、W三相电流，黑色为3倍零序电流3I0，横轴为采样点序号，采样率4kHz，纵轴为电流，单位为A。可以发现尽管线路上出现了波形严重畸变的励磁涌流，但是由于是不接地配电网，零序电流应该仍然近似为0。

图4 线路出现励磁涌流时的零序电流合成结果

3 应用于小电流接地系统单相接地故障定位的可行性和实践

3.1 总体布置

总体布置如图5所示，在小电流接地系统线路上的一些关键监测点，安装高精度检测录波终端，每一套终端包括安装在三相线路上的采集单元和安装在杆塔上的太阳供电汇集单元。

图5 总体布置

3.2 基本原理

小电流接地配电网单相接地故障过程中的零序电压和零序电流信号如图6所示。具体过程如下：

2）在故障发生瞬间，由于接地相的相地电压跌落和非接地相的相地电压上升，会产生一个幅度不为0的工频零序电压，同时还会产生一个幅度为It的暂态高频零序电流，持续时间很短，一般不超过20ms；

3）经过大约20ms的暂态过程之后，系统进入稳态过程，相对于暂态高频零序电流幅度It，稳态工频零序电流幅度Is很小。

图6 小电流接地配电网单相接地故障过程

通过上述单相接地故障具体过程，可以知道为了准确检测定位小电流接地配电网单相接地故障，最好是利用暂态高频零序电流信号。同时根据理论分析和现场录波结果发现，小电流接地配电网单相接地过程中产生的高频暂态零序电流信号，具有如图7所示的分布规律：

图7 小电流接地配电网单相接地故障高频暂态零序电流信号分布规律［4］

1）非故障线路和故障线路的高频暂态零序电流信号不同。一般情况下暂态电流方向相反；

2）故障线路上故障点前和故障点后的高频暂态零序电流信号不同。

智能化配电网架空线路状态监测系统就是依据上述规律进行单相接地故障检测定位，具体过程如下：

1）监测点线路采集单元触发录波

单相接地故障发生时，接地相的相地电压跌落，导致相地电场也会跌落，非接地相的相地电压升高，导致相地电场也会升高，同时接地相和非接地相上会产生高频暂态电流，这些异常变化可以触发采集单元录波。

李老黑就是李老黑，他根本不管这个那个的，布置完任务，李老黑丢下我转身就走。走出几步又折回身来说，我纳闷了半天，你黑板上那几个字啥意思啊四眼儿张。

2）获取各个监测点高频暂态零序电流信号

每个监测点的三相采集单元时间是同步的，这样可以通过处理得到各个监测点的零序电流信号，进一步还可以得到高频暂态零序电流信号。

3）网络化分析高频暂态零序电流信号

根据图7所示的高频暂态零序电流信号在配电网线路上的分布规律，就可以进行单相接地故障的检测定位，定位出故障点位于哪两个监测点之间的区段。

3.3 实践情况

为了探索高精度检测录波终端在配网运维上的应用，北京市供电公司分别在甲供电公司和乙供电公司进行了试点工作，其中甲供电公司总计在6个变电站30套线路上安装了113套终端，变电站接地方式为经消弧线圈接地方式，乙供电公司总计在1个变电站5条线路上安装了16套终端，变电站接地方式为经消弧线圈接地。

乙供电公司试点工作开始于2015年6月10日，在此之前B路已经发生了多起接地故障，因而在B路上安装了10套设备用于故障区段定位，同时在C路和D路出线1号杆处各安装了1套，用于定位接地线路。在2015年7月28日凌晨3时44分，乙供电公司B路发生一起接地故障，在B路、C路、D路上安装的高精度检测录波终端记录下了故障瞬间的电流和对地电场波形。由于接地故障发生在线路末端，现给出B路故障点前两个终端和C路出线处终端的录波波形，说明故障判断原理以及波形反映的故障信息。如图8所示：

根据小电流接地系统单相接地故障的基本原理，从图8的波形中可以发现如下信息：

图8 2015年7月28日凌晨3时44分乙供电公司B路接地故障录波波形

本次接地故障的故障相为W相。W相对地电场幅值显著下降，而另外两相幅值显著升高，符合小电流接地系统单相接地故障接地相对地电压下降、非接地相对地电压升高的一般规律。

本次接地故障为弧光接地故障。通过故障线路零序电流波形可以明显地看到在非接地相对地电场幅度升高时刻产生的放电尖峰电流，这是由于非接地相对地电压升高导致绝缘击穿发生弧光放电产生的。

故障线路故障点前的零序电流波形高度相似，暂态电流幅度很大；

非故障线路与故障线路故障点前的零序电流波形不相似，暂态电流幅度也很小。

4 短路和接地故障记录和演化过程推断

通过检测录波终端，可以推演故障发生的过程。对于多次雷击造成的单相接地乃至发展到相间短路、单相接地发展到异相异地短路的过程。

案例1：雷击导致的相间短路跳闸故障

该高精度检测录波终端于2013年在丙公司D路试点期间，成功地记录下了一起由于多次雷击直接导致线路发生短路跳闸的全过程。距离雷击点最近的一套终端共记录下了5次严重的雷击事件和最终短路故障瞬间的波形，如图9所示。

图9 2013年5月19日丙公司D路记录下的多次雷击导致短路故障波形

通过图9，可以发现如下信息：

雷击线路瞬间，会对线路电流和对地电压产生较大扰动，此时三相对地电场将瞬间趋于同相。

多次雷击线路会导致线路绝缘受损，最终导致相间短路，上述短路故障发生时，首先是雷击导致V、W两相发生两相相间短路，随后演变成三相短路。

上述例子也反映了通过高精度检测录波终端的录波波形，可以更进一步地了解短路故障的发生原因、演变过程，提供更为丰富的信息。

案例2：接地导致的两点接地短路故障

该高精度检测录波终端于2015年在甲供电公司试点期间，成功地记录下了多起两点接地短路故障，现给出其中比较典型的1起故障录波波形。

该故障发生于 2015年 6月 26日 09：57：56，通过E路 56支2号杆和56支40号杆在09：57：56记录的波形，如图10所示。

图10 2015年6月26日09∶57∶56甲供电公司两点接地短路故障录波波形

通过图10，可以发现如下信息：

E路存在两处接地点，一处位于56支2号杆和56支40号杆之间，接地相为W相，另一处位于56支40号杆后，接地相为V相。因为56支2号杆记录下V、W相出现短路电流，而56支40号杆只记录下V相出现短路电流，且该短路电流只在400A左右。

E路56支87号杆分段开关检测到短路电流，分闸，切除了56支40号杆的接地故障点，56支2号杆到56支40号杆之间的接地点也随后消失，这是峪口站接地故障在09∶58∶04消失的原因。

2014年至2015年在国家电网甲供电公司和乙供电公司试点期间发现，配网线路故障高发季节往往是当地雷雨高发季节，同时雷雨天是故障高发时段，一些线路往往是在故障发生前一次或前几次雷雨天气下遭受多次雷击。

2014年至2015年在国家电网甲供电公司和丙公司试点期间发现，一些配网线路永久接地故障或永久短路故障发生前，往往会发生多次瞬时接地故障。

5 结论

对于小电流接地架空配电网来说，存在着大量由于绝缘子或设备外绝缘闪络破损、避雷器击穿等造成的持续或瞬时接地故障，这些接地故障尽管在发生时不会出现跳闸停电，不会影响供电连续性。但是对这些故障不及时加以处理，可能会导致严重停电事故发生，如劣化的绝缘子避雷器不加以更换，在雷击发生时，就有可能被击穿，导致短路跳闸。对于配电网来说，故障高发季节一般就是雷雨季节，雷雨天气也是故障高发时间段，通过高精度检测录波终端发现，多次雷击后可能发生单相接地，单相接地不及时处理可能会发展成为两相短路接地或异相异地接地。对配电网发生的持续或瞬时接地故障，进行检测定位，统计其出现频率，分析其出现规律，就可以指导配电网运维人员进行提前预安排，消除故障隐患，避免严重停电事故发生。

众所周知，设备检修经历了故障检修、定时检修，最终发展到状态检修（只在设备出现要坏的征兆才检修）。引入高精度检测录波终端，不仅仅可以检测定位接地故障，还可以为配电网运维人员提供一种强大的工具，使得配电网运维人员可以更好地掌握配网的运行状态，从故障发生时的被动处理，转向可以提前计划、更有目的性的状态检修。

［1］广西电网公司电力科学研究院.配电网非直接接地系统故障选线技术综合评价体系研究及应用材料汇编［G］.2012.

［2］刘健，董新洲，陈星莺等.配电网故障定位与供电恢复［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［3］何瑞文，陈少华.关于现代电力系统的继电保护课程教学改革与建设［J］.电气电子教学学报，2004，26（3）：20-21.

［4］马士聪，徐丙垠，高厚磊，薛永端，王敬华.检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法［J］.电力系统自动化，2008，32（7）.

［5］ Tianyou Li，Yongduan Xue，Juanjuan Li，A New Single Phase Fault Location Method Of Noneffectively Grounded Networks for DA systems，CIRED 22nd International Conference on Electricity Distribution Stockholm，10-13 June 2013.

［6］ Tang，Xianwu;Zhang，Jianliang;Li，Jin’ao， “A practical on-line condition monitoring and fault location system for overhead power lines distribution networks，” T&D Conference and Exposition，2014 IEEE PES，14-17 April 2014.