基于直流注入法的新型小电流接地故障隔离和定位解决方案研究

2016-03-21刘红伟郭上华珠海许继电气有限公司广东珠海519060

电气技术 2016年1期

刘红伟　郭上华（珠海许继电气有限公司，广东珠海　519060）

刘红伟郭上华
（珠海许继电气有限公司，广东珠海519060）

摘要10kV配电网小电流接地系统馈电线路单相接地故障隔离和定位解决方案，是近30年来国内外行业专家研究的重点，特别是消弧线圈接地系统单相接地故障隔离和定位解决方案一直是国内外研究的焦点。本文结合国内10kV配电网建设的特色要求，提出了一种基于直流注入法的新型小电流接地故障隔离和定位的解决方案，方案研究结果表明该方案能够自动隔离和定位故障点，能够可靠解决10kV全馈电线路小电流接地故障隔离和定位问题，能够提高配电网接地故障处理的可靠性、快速自愈性，也能够满足我国配电网建设的实用化要求。

关键词：直流注入法；配电变压器；接地故障；故障处理

Research on New Type of Small Current Grounding Fault Isolation and Location based on DC Injection Method

Liu HongweiGuo Shanghua
（Zhuhai XJ Electric Co.， Ltd， Zhuhai， Guangdong519060））

Abstract 10kV distribution network in small current ground systematically feed line single-phase grounding fault isolation and location solution is nearly 30 years the focus of domestic and international industry experts to study， especially the grounding system single-phase grounding fault isolation and location solution is always the focus of the research at home and abroad arc suppression coil extinction. Combined with the characteristics of domestic 10kV distribution network construction， put forward a based on DC injection method of a new type of small current grounding fault isolation and location of online solutions and scheme research results show that the scheme can automatic isolation and locate the fault point， can reliably solve 10kV complete feed line in small current grounding fault isolation and location problem， can improve the distribution network earthing fault processing reliability， fast healing，is also able to meet the practical requirements of the distribution network construction of our country.

Keywords：DC injection method; distribution transformer; ground fault; fault treatment

目前，国内10kV配电网小电流接地系统单相接地故障处理方法已取得了大量研究成果。研究成果主要有信号注入法和故障信号暂稳态法两大类[1]。信号注入法主要有交流注入法、中电阻增流法、直流注入法。故障信号暂稳态法主要有零序电流定值比较法、首半波法、功率方向法、谐波分量法、行波法、暂态特征频段法、参数识别法、相电流突变法。各种接地故障隔离和定位方法分析对比如下：

1）交流注入法[2]：交流注入法是指通过变电站接地系统中性点或通过接地变压器中性点向馈电线路注入特定频率的交流电流信号，利用故障指示器或故障探测器来定位接地故障点。交流注入法在一定条件下能够很好的判别线路故障，但是仍然受线路分布电容影响，当非故障线路分支较长、接地电阻较大时，电容分流过大，仍然会造成故障误判。

2）中电阻增流法[3]：由于小电流接地系统，发生单相接地故障时，电流较小，很难判别界、内外接地故障。对于不接地系统，中电阻增流法是在线路发生接地故障时，在变电站接地系统中性点并入小电阻，增大接地电流，继电保护装置或故障指示器通过故障电流判别界内外接地故障；对于消弧线圈接地系统，发生接地故障时，自动切换为小电阻接地系统，便于继电保护装置定位接地故障点，但这种办法增加了故障电流对线路的冲击，甚至可能扩大故障范围。

3）零序电流定值比较法[4]：对于小电阻接地系统，通过零序电流幅值与零序电流整定值比较，较为容易判别接地故障，但是对于小电流接地系统，较难判别；对于小电流接地系统，该方法只适用于用户分支架空线路接地故障判别，分支线路容性电流远小于非故障线路容性电流或消弧线圈补偿后电流远大于分支线路容性电流，可以可靠定位接地故障点。

4）首半波法、功率方向法、谐波分量法、行波法、暂态特征频段法、参数识别法、相电流突变法[5-9]这几种方法主要是捕捉故障时刻的暂态故障特征与稳态特征结合实现接地故障定位，但受接地故障暂态特性的不确定性、间歇性、不稳定性及过渡电阻大小等影响，应用于配电网单相接地故障定位，只能一定的适用范围内准确判别接地故障，不能解决全馈电线路单相接地故障定位。

5）直流注入法[10]：直流注入法是一种离线故障定位方法，线路失电后，通过直流源向线路注入直流电流信号，接地点与注入源形成回路，即可判定线路存在接地故障。该方法目前主要应用于便携式离线接地故障查找方案，线路故障后通过直流源向被测线路注入直流信号，通过人工手持信号探测器的方式探测故障点，该方法不受线路参数影响、不受接地系统影响，且受过渡电阻影响较小，能可靠定位故障点，但是不能自动定位故障点，人工查找较为麻烦。

综上所述，比较各种故障隔离和定位方法，直流注入法是一种较为可靠的接地故障定位方法，但是基于直流注入法的离线接地故障查找方案不能自动进行接地故障隔离和定位，不满足配电自动化自动隔离和自动定位接地故障的智能化要求。本文针对现有基于直流注入法的离线接地故障查找方案的不足，提出一种基于直流注入法的新型小电流接地故障隔离和定位的解决方案，可以自动隔离接地故障分段、分支区域，恢复非故障区域线路供电，自动定位接地故障点。

1　直流注入法接地故障定位基本原理介绍

直流注入法单相接地故障定位的基本原理：在线路失电情况下，采用直流信号源从变电站出口断路器或分段断路器（负荷开关）负荷侧向线路与大地间注入直流信号，电源的输出电压为DC 0V～DC 6000V，通过调整直流电源的电压控制注入电流的大小，一般将电流信号控制在100mA左右。如果线路无故障则直流信号源输出开路，输出电流为零；如果线路有故障，则直流信号源输出100mA电流，通过接地点故障前后的相线直流电流的大小、方向等可判别、定位线路故障点。

图1为直流注入法单相接地故障查找定位法的示意图，注入直流电流通过1-3-4-f路径流入大地，并由大地返回直流电源点。电流注入后，节点1处测量12支路和13支路电流，12支路无电流流过，13支路电流为100mA，则判定支路13是故障路径的一部分，继续向前测量，节点3处测量支路34，支路34有电流流过，支路34也是故障路径的一部分，节点4处测量支路45和支路46，支路45无电流流过，支路46有电流流过，则判定故障在支路46或其下游，在节点6处测量支路46电流，支路46无电流流过，则判定故障点位于支路46的某一点。对支路46可以继续进行等分电流测试，不断缩小故障区域，最后可以定位故障点。

图1　直流注入法示意图

2　配电网中配电变压器对直流法的影响分析

2.1无分支线路配电变压器对直流注入法影响分析

理论上讲，直流注入法注入的直流电流信号只能在故障路径上故障点前检测到，但实际上由于配电变压器的存在，使得直流信号流动变得较为复杂。假设线路总长20km，线路C相中点f点发生接地故障，接地电阻为1000Ω，线路首、末端各有一台三相变压器，线路阻抗按照0.1Ω/km计算，其他线路参数忽略，变压器等效为0Ω通路，则线路仿真电路如图2所示。由仿真结果可知，故障点前A、B、C三相电流之和约为100mA（16.67mA＋16.67mA ＋66.68mA），C相电流最大；故障点之后A、B、C三相电流之约为0（16.66mA＋16.66mA－33.34mA），故障点前后C相电流方向相反，C相电流绝对值等于B、C相电流之和。由仿真结果可见，虽然配电变对注入直流电流有分流，故障点后电流反向流动，但电流主要通路仍然是故障线路，因为注入直流只有通过故障点才能形成回路，此外从截平面角度来看，故障点前三相电流之和等于注入电流，故障点之后三相电流之和为0，这些均可以作为单相接地故障隔离和定位的判据。

图2　无分支线路配电变影响分析仿真电路图

2.2有分支线路配电变压器对直流注入法影响分析

假设在图2网架基础上增加10km分支线，分支线后端有变压器，仿真电路如图3所示，由仿真结果可见，输入电流总和仍约为100mA，A、B、C三相电流分别为22.23mA、22.23mA、55.56mA；故障分支线路故障点前A、B、C三相电流分别为11.11mA、11.11mA、77.79mA，故障点后A、B、C三相电流分别为11.11mA、11.11mA、－22.23mA；非故障分支线路A、B、C三相电流分别为11.11mA、11.11mA、－22.23mA。虽然线路非故障相也产生了分流，但是故障点前后截平面法仍成立，分支线截平面三相电流之和为0，故障相电流仍最大，分支线路配电变并不影响线路单相接地故障判别。

图3　分支线路配电变影响分析仿真电路图

3　基于直流注入法的新型单相接地故障解决方案

图4为单相接地故障解决方案设备及网架示意图，图中CB1—CB2为变电站出口断路器；S1—S2为直流注入信号源；FB1—FB4为智能分段断路器成套装置，包括开关本体、取电PT、直流注入信号源、配电终端三大部分，安装于主干线分段点、大分支线处；LB为智能联络断路器成套装置，包括开关本体、取电PT、直流注入信号源、配电终端三大部分，安装于主干线联络点处；YB1—YB4为智能断路器看门狗，包括开关本体、取电PT、直流传感器，安装于用户分支线处；F1—F20为交直流故障指示器（示意图中指的是安装于故障相线），安装于整条线路故障细分段定位点处。

直流信号源S1、S2用于配合CB1、CB2进行接地故障预查；智能分段断路器成套装置FB具备集中型、就地型两种短路故障处理功能，具备单相接地故障预查功能；LB具备联络点自动转供电功能，具备短路故障闭锁功能，具备单相接地故障预查功能；交直流故障指示器具备短路故障检出告警功能，具备直流注入法接地故障检出告警功能。

图4　单相接地故障解决方案设备及网架示意图

3.1故障处理过程

1）主干线F2与F3之间发生单相接地故障

（1）CB1经过一定延时（不同接地系统不同延时）自动跳闸或人工手动分闸、FB1、FB3失压分闸，如图5所示。

图5　故障处理过程示意图1

（2）S1向线路注入直流电流单相接地故障探测信号，检测到有直流电流输出，闭锁CB1重合闸（如果不能改变CB1，可以直接在CB1负荷侧安装智能分段断路器成套装置），S1退出。F1、F2、检测到直流信号满足单相接地故障判据条件，进行翻牌或LED指示，并上送故障信息；F3不满足单相接地故障条件，不变化，则定位故障点于F2与F3之间。最终接地故障处理结果如图6所示。

图6　故障处理过程示意图2

2）主干线F4与F5之间发生单相接地故障

（1）CB1经过一定延时（不同接地系统不同延时）自动跳闸或人工手动分闸、FB1、FB3失压分闸，如图7所示。

图7　故障处理过程示意图3

（2）S1向线路注入直流电流单相接地故障探测信号，未检测到有直流电流输出，退出注入信号，CB1重合闸。F1—F3未检测到注入直流信号，状态不变，如图8所示。

图8　故障处理过程示意图4

（3）FB1带电，通过自带直流注入信号源，向其负荷侧注入单相接地预查直流电流信号，检测到有直流电流信号输出，闭锁重合闸，信号源退出。F4检测到直流信号满足单相接地故障判据条件，进行翻牌或LED指示，并上送故障信息；F5、F6、F13不满足单相接地故障判据条件，不变化，则定位故障点于F4与F5之间。最终接地故障处理结果如图9所示。

3）大分支线F14与F15之间发生单相接地故障

（1）CB1经过一定延时（不同接地系统不同延时）自动跳闸或人工手动分闸、FB1、FB3失压分闸，如图10所示。

图9　故障处理过程示意图5

图10　故障处理过程示意图6

（2）S1向线路注入直流电流单相接地故障探测信号，未检测到有直流电流输出，退出注入信号，CB1重合闸。F1—F3未检测到注入直流电流信号，状态不变，如图11所示。

图11　故障处理过程示意图7

（3）FB1带电，通过自带直流注入信号源，向其负荷侧注入单相接地预查直流电流信号，未检测到有直流电流输出，退出注入信号，FB1重合闸。F4—F6、F13未检测到注入直流信号，状态不变，如图12所示。

图12　故障处理过程示意图8

（4）FB3带电，通过自带直流注入信号源，向其负荷侧注入单相接地预查直流电流信号，检测到有直流电流信号输出，闭锁重合闸，信号源退出。F4检测到直流信号满足单相接地故障判据条件，进行翻牌或LED指示，并上送故障信息；F15、F16、YB1、YB2不满足单相接地故障判据条件，不变化，则定位故障点于F14与F15之间。最终接地故障处理结果如图13所示。

图13　故障处理过程示意图9

4）用户分支线YB2界内发生单相接地故障

（1）CB1经过一定延时（不同接地系统不同延时）自动跳闸或人工手动分闸、FB1、FB3失压分闸，如图14所示。

图14　故障处理过程示意图10

（2）故障处理过程同3.1中1），逐级预查，FB3带电后，通过自带直流注入信号源，向其负荷侧注入单相接地预查直流信号，检测到有直流电流信号输出，闭锁重合闸，信号源退出。YB2检测到直流信号满足单相接地故障判据条件，分闸，并上送故障信息；F14—F16、YB1不满足单相接地故障判据条件，不变化，则定位故障点于YB2界内，如图15所示。

图15　故障处理过程示意图11

（3）主站系统收到YB2故障分闸信息后，可远程遥控FB3恢复线路供电，故障处理结果如图16所示。

5）CB1负荷侧线路故障，联络点自动转供电功能

CB1负荷侧某段线路发生故障，LB失压延时转供电，LB转供电合闸之前，先进行单相接地故障预查，预查无故障后，再进行合闸。方法同上述1）至3）故障处理过程。

图16　故障处理过程示意图12

3.2基于直流注入法的新型单相接地故障解决方案优缺点

1）方案优点

（1）相比线路交流注入法或者特殊信号注入法，直流注入法不受线路分布电容、线路电感影响，信号无衰减、稳定可靠。

（2）适用于架空、电缆线路，线路允许长度不受限制，不受线路分支影响。

（3）停电进行信号注入故障探测，干扰较小，可靠性较高。

（4）采用DC 6000V、100mA电流源，接地故障过渡电阻可达60K，线路长度不受限制。

（5）故障指示器无需采集线路零序电流，通过相电流即可判别接地故障，现场可通过故障指示器信号定位故障点。

2）方案缺点

（1）线路对地直流电阻需要大于1MΩ，零序PT等接地设备会影响故障判别。

（2）线路需要进行停电故障预查，变电站出口断路器需要进行一次重合闸。

4　结论

本文通过配电网馈电线路主干线加装分段断路器实现主干线接地故障分段隔离故障、用户侧加装断路器看门狗实现用户接地故障直接隔离，通过在全线路加装故障指示器进行接地故障细分段定位，断路器成本较高，实现分段和分界故障隔离满足实用化要求；故障指示器成本低廉，实现接地故障定位作用，满足配电网建设经济性、实用性要求。此外，该方案加入相电流定值比较法，可以准确定位短路故障。因此，基于直流注入法的新型小电流接地故障和定位解决方案是一种全馈电线路故障隔离和定位的实用化解决方案，推广应用具有较大意义。

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