小电流接地系统单相接地故障定位方法的研究

滕浩,郑红霞

(东北电力大学，吉林 吉林 132012)

小电流接地系统单相接地故障定位方法的研究

滕浩,郑红霞

(东北电力大学，吉林 吉林 132012)

针对现有方法受对地电容影响大，检测信号不易提取，定位成本高等问题，提出了一种新的针对小电流接地系统单相接地故障的故障定位方法-特定频率注入法。在满足系统脱谐度和中性点对地电压标准的前提下，在消弧线圈两侧并联高频电源，向系统内注入高频信号，在高频电源支路、线路、接地点、大地之间形成故障电流回路，通过回路电流、电压与回路阻抗的关系，结合均匀线路的性质，确定故障距离测量点的位置。最后使用电力系统仿真软件PSCAD对系统进行了仿真和验证，仿真结果证明，该系统对小电流接地系统进行定位误差小，灵敏度高，适合小电流接地系统的故障定位。

小电流接地系统；单相接地故障；特定频率注入法；高频电源

1 引言

小电流接地系统发生单相接地故障时，对地电流小，信号不容易提取，并且发生弧光接地时，接地电流不稳定，加之配电网分支众多，纷繁复杂，因此，小电流接地系统的故障选线和故障测距都比较困难。经过国内外研究人员的不懈努力，现在配电网故障选线的准确程度已经基本满足社会生活的需求，但是还没有自动化程度高，定位准确的故障定位方法得到认可。目前常用的方法依旧是人工巡线，即在发生故障后工人手持信号探测器延线路检测信号，故障信号消失的地方即为故障点，这样的方法自动化程度低，需要时间长，无法满足现代社会对供电可靠性的要求[4]。目前有很对针对小电流接地系统的自动定位技术，但是由于建模试验难度大，大多技术还是处于理论研究阶段，距离现场应用还有很长一段距离。

针对定位装置故障诊断精度低，自动化程度低等问题，本课题提出了一种自动化程度高、对电能质量影响小的小电流接地系统单相接地故障定位方法-特定频率注入法。特定频率注入法在消弧线圈两端并联高频电源支路，根据频率与线路阻抗的关系确定高频电源的频率，进而确定保护谐振支路参数。利用电力系统仿真软件PSCAD验证其正确性和准确性。

2 特定频率注入法的基本原理

特定频率注入法，即系统发生接地故障后，通过在消弧线圈两侧并联高频电源，向系统内注入高频信号，在高频电源支路、线路、接地点、大地之间形成故障电流回路，通过回路电流、电压与回路阻抗的关系，结合均匀线路的性质，确定故障距离测量点的位置。

2.1 对地电容和接地电阻的计算

图1 单相接地故障零序电流回路

如图1所示，U0为系统开口三角检测到的零序电压值，I0为消弧线圈处的零序电流互感器检测到的零序电流，C0为三相配电网总的对地分布电容值，忽略三相线路的不对称，其值为单相对地分布电容的3倍，Rtr为电网的对地电阻，则有：

(1)

整理方程(1)可得:

(2)

即

(3)

即得到系统的对地电阻值，其中ω1为工频时的角速度。

同样道理，通过各支路的馈线终端装置测量支路的零序电流和电压，确定第i条支路的对地电容C0i。由方程(1)可得：

(4)

即

(5)

其中，I0i为第i条支路的零序电流。因为每条支路上的线路所处的地理环境相同，老化程度相同，可以认为每一条支路的对地电容为相等的，所以第i条支路每相的对地电容为：

(6)

2.2 故障距离的计算

发生单相接地故障后通过中性点向系统注入高频信号，等效简化电路如图2所示。

图2 注入高频信号后的等效电路模型

其中CL、LL1、LL2组成通高频、阻工频电路，UL为高频信号源，L为消弧线圈等效电感，Rs、Ls为线路等效电阻、电感C1为故障支路对地电容。当注入信号频率达到150Hz以上时，消弧线圈阻抗是线路阻抗和对地电容阻抗的几十倍，此时消弧线圈对于注入信号的阻碍作用可以忽略，又因为工频滤波电路整体对注入信号呈串联谐振状态，所以线路阻抗、对地电容和接地电阻决定了UL、IL之间的关系，根据基尔霍夫定律，投切信号稳定后有：

(7)

解方程(7)，得到：

(8)

由于线路是均匀的，即单位长度线路的阻抗相等，结合输电线的规格，可得故障点到测试点的距离为：

(9)

其中Xs是故障支路线路单位长度的等效电抗。

2.3 特定频率信号源的选取

高频信号源的选取首先要不影响系统的正常运行，但基于方法本身的要求，需要信号易于获得和提取。基于不影响系统稳态运行的方面考虑，高频信号的能量要远小于系统的固有信号。基于信号易于提取，不被系统固有信号所湮没，投切信号应该有自己与众不同的特征，本方法采用频率与基波频率和基波倍频均不同的投切信号，即投切信号的频率不能是工频频率的整数倍。

信号采集频率的选择则主要考虑装置的采集能力和信号的处理。对于信号的采集和后期处理而言，工频信号和各倍频信号均为干扰信号，为了方便高频信号的分离和获取，减少系统的计算量，使滤波过程简单，滤波成本低，采样频率应为工频信号的整数倍，即采样频率满足

fs=P·f1

(10)

或者

T1=P·Ts

(11)

其中fs、Ts为采样的频率和周期；f1、T1为工频频率和周期；P为正整数。

为了方便信号的处理，减少运算量，尽量满足每个采样周期内采集到的点数为整数，即采样点数满足：

fs=Q·fsig

(12)

或者

Tsig=Q·Ts

(13)

其中fs、Ts为采样周期和采样频率；fsig、Tsig为投切信号源的频率和周期；Q为正整数。

综合以上各个条件，注入信号的的频率应满足以下方程：

(14)

以10kV配电网、支路线路为LJ-50型架空线、距离出线端10km的位置发生故障为例进行分析。在实际的10kV配电系统中，对地电容电流大于20A时才需要安装消弧线圈，而就目前我国电力网规模而言，对地电容电流一般不会超过80A。根据

Ic1=3ω1C1Uφ

(15)

(16)

得到L=3.04H。线路发生单相接地故障时，接地点为金属性接地时接地电阻为0Ω，接地点为弧光接地时，则接地电阻不确定，接地点为绝缘老化时，对地电阻则可能是几十到几千欧姆，所以，等效接地电阻从金属性接地到几千欧都有可能。经查阅资料得，在工频下，LJ-50型架空线路单位电抗值为0.368Ω/km。

发生单相接地故障时，等效故障电流回路如图3所示。

图3 等效故障电流回路

其中Rs、Ls分别为线路的等效电阻和电感，R1为故障点等效对地电阻，工频条件下正常运行时，线路阻抗对故障电流的影响非常小，传统的故障定位分析中通常将故障线路的阻抗忽略，而特定频率注入法从Ls入手，等效检测电路如图4所示。

图4 等效检测电路

如图所示，在消弧线圈两侧并联高频电源，由

Xs=ωLs

(17)

(18)

可知注入信号的频率越高，线路电抗对信号的阻碍能力越强，对于有10条支路的配电网，假设分布电容在每条出线上平均分配，等效电路中各部分的阻抗随频率的变化如表1所示。

分析表1中数据可以得到，当注入信号频率在150～200Hz时，线路阻抗 和对地电容的阻抗对信号的影响相当，注入信号频率应在线路阻抗和对地电容阻抗达到同一量级的范围内，同时为了注入信号不被电力系统的固有信号淹没，宜采用频率介于工频第N次与第N+1次谐波之间的信号。综上所述，采用频率为180Hz的电压源。

表1 电路各部分阻抗值与频率的关系

从电能质量方面考虑，注入信号的幅值越小越好，但是信号幅值过小则使测量信号特征不明显。DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定：消弧线圈在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不应超过系统标称相电压的15%，即在10kV配电线路中，中性点位移电压不能超过0.866kV，注入信号峰值也应小于这个值，基于此，电压信号幅值取0.1kV，远小于极限值0.866kV。

3 特定频率注入法的PSCAD仿真

3.1 系统仿真接线

如图5所示对10kV配电网进行仿真，电源中性点经消弧线圈接地，三条输电线为架空线的支路，在距离母线10km和15km处设置单相接地故障。为了便于观察，设置单相接地故障发生在1.0s，持续时间1.0s，仿真总时长2.0s。母线线电压：10kV，高频信号源幅值：0.1kV，消弧线圈等效电感：1.0H。

图5 实际系统仿真接线图

3.2 PSCAD仿真结果

改变故障距离和接地电阻，采集的数据及计算结果的对比如表2所示，从检测误差上来看，特定频率注入法对于小电流接地系统的单相接地故障定位较为准确。

从验证数据来看，测距误差控制在10%以内，该方法能够有效的进行小电流接地系统单相接地故障时的定位。

表2 采集的数据及计算结果的对比

4 结论

小电流接地系统在国内外的配电网中有着至关重要的地位，其运行的稳定性是配电网乃至整个电力系统的稳定运行的基础。由于我国配电网飞速发展，分支众多，涉及地域广阔，线路老化严重，一旦发生接地故障，如果不及时采取措施，很可能发生相间故障，造成重大社会损失。因此，小电流接地系统的故障诊断显得尤其重要。目前，故障定位方法和装置的只要问题有：自动化程度低，检测信号不易提取，检测成本高，抗干扰能力差。目前应用最广泛的故障定位方法仍旧是人工巡线，该方法需要工人手持信号探测器巡线，自动化程度低，费时费力，不能满足配网自动化的要求。针对以上存在问题，本课题提出了一种新的小电流接地系统单相接地故障定位方法-特定频率注入法，该方法自动化程度高，检测信号易提取，投资成本小。

[1] 李孟秋，王耀南，王辉,等.小电流接地故障探测方法的研究[J].中国电机工程学报，2001(10)：6-9.

[2] 邝冶,雷鸣.一种配电网故障类型及相别的判别方法[J].低压电器，2009，17:13-15+52.

[3] 朱建宝，刘建平.10kV线路故障指示器单相接地故障检测原理分析[J].电气应用，2015，4：93-96.

[4] 揣振国，刘耀年.小电流接地系统故障仿真分析与研究[J].东北电力大学学报，2008.

[5] 王伟,焦彦军.暂态信号特征分量在配网小电流接地选线中的应用[J].电网技术,2008,32(4):96-100.

[6] 康忠健,李丹丹,刘晓林.配电网故障测距方法研究现状[J].电气应用,2010,29(22):20-23.

[7] 梁睿.基于故障类型的单相接地故障综合选线研究[D].江苏:中国矿业大学,2010.

[8] 苑博，邱湘可.基于PSCAD/EMTDC的小电流接地系统单相接地故障的仿真研究[J].电子设计工程，2015，4：36-39.

[9] 王一宇.城市配电网中性点接地方式讲座,第三讲:配电网中性点接地方式的应用[J].供用电，1997，14(1)：53-56.

[10] 陈少华，叶杰宏，郑帅.中性点经消弧线圈并联中值电阻接地方式的研究[J].继电器，2006，34(11)：17-20.

[11] 梁华为，刘万顺.一种考虑对各种误差综合修正的线路双端测距算法[J].继电器，2005，33(17).

[12] 陈平.输电线路现代行波故障测距及其应用研究[D].西安：西安交通大学，2003.

Single Phase-to-Ground Fault Location Method for Small Current Grounding System

TENGHao,ZHENGHong-xia

(Northeast Power University,Jilin 132012,China)

In view of large capacitance to ground,the detection signal is not easy to extract and the high position cost the paper proposes a new fault location for the small current grounding system of single-phase ground fault-special frequency injection method.Under the premise of meet the requirement of off tuning degree and the neutral voltage to ground,a high-frequency power is paralleled with the arc suppression coil.Infuse high frequency signal to the system,and the high frequency power supply branch,lines,ground and the earth formed fault current circuit,through the relationship of the loop current,voltage and impedance,and the properties of uniform line to locate the fault distance measurement point.Finally,the method is simulated and verified with power system simulation software PSCAD.Simulation results show that the method is with small error high sensitivity and suit for fault location.

small current grounding system；special frequency injection method；single-phase ground fault；high-frequency power supply

1004-289X(2016)05-0021-05

TM71

B

2015-07-02

滕浩(1990-)，男，汉，辽宁省大连市金州新区，在读研究生，研究方向为小电流接地系统单相接地故障定位方法的研究。