配电系统多重故障辨识及恢复策略研究

霍 健，尹茂林

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

配电网多重故障对系统稳定性有极为不利的影响［1］，在中性点非直接接地的配电系统中，单相接地、断线、电压互感器高压熔丝熔断及铁磁谐振均会造成零序电压升高及相电压异常，故障判别辨识困难［2］。且单相接地、断线均易引发铁磁谐振过电压，造成多重故障的叠加，增加了故障辨识、隔离与恢复的难度。因此，对此类多重故障的机理及特征进行分析并研究其最优的辨识与恢复策略，对提高配电系统故障处理效率，提升供电可靠性具有重要的意义。

对复杂多重故障的辨识与分析是提高调控运行效率的重要手段［3］，文献［1］提出了多重故障对配电网可靠性的量化评估方法，文献［3-5］对断线及单相接地激发铁磁谐振的机理进行了分析，文献［2，6］提出了接地、谐振等故障的辨识方法。但以上研究均未涉及多重故障处理流程及恢复策略的优化。

在介绍配电系统接地、断线激发铁磁谐振原理的基础上，结合单相接地、断线、电压互感器高压熔丝熔断及铁磁谐振的故障特征，分析单相接地及铁磁谐振、电压互感器高压熔丝熔断的多重故障辨识及恢复策略。在每次试断开配电线路前，根据电压幅值及实时波动情况，首先排除谐振及电压互感器高压侧熔断的干扰；利用综合故障测度确定并隔离接地线路。实际案例分析说明所述策略的故障处理过程。

1 接地、断线激发铁磁谐振过电压机理分析

1.1 单相接地激发铁磁谐振过电压

小电流接地的配电系统中，单相接地故障发生及消除瞬间，电压互感器均会严重饱和，导致铁磁谐振［7］。发生单相接地时，瞬时电弧过电压导致电压震荡；单相接地消除时，非故障两相由线电压突变为相电压，在故障期间由于过电压被充电的对地电容通过电压互感器一次侧释放电荷，造成电压互感器饱和。

图1 中性点不接地系统电压互感器等值电路

中性点不接地系统电压互感器等值电路如图1所示， 图中，EA、EB、EC分别为 A、B、C 三相电源电动势，U0为中性点电压，LA、LB、LC为电压互感器的三相励磁电感，CA、CB、CC为系统三相对地电容，由图1可知，系统中性点电压可以由式（1）表示。

式中：YA、YB、YC为三相等值电纳。

单相接地故障表现为接地相电压降低，非接地两相电压升高，因此，故障发生瞬间一般会出现电压互感器非接地两相饱和。对图1所示的等值电路，若A相接地激发铁磁谐振，则A相未饱和，等效电容CA=C0，B、C 相饱和，等效电感 LB=LC=L，则式（1）可表示为

对式（2）作向量图分析如图2所示，由式（2）及图2可知，U0与EA相位相反，在此种情况下激发的铁磁谐振，造成电压互感器饱和两相电压升高，非饱和相电压降低。若饱和程度较低，U0幅值较小，则B、C两相电压幅值不超过线电压，如图2（a）所示；若饱和程度较高，U0幅值较大，则会造成B、C两相电压幅值高于线电压，如图2（b）所示。

图2 电压互感器饱和铁磁谐振电压向量分析

1.2 断线激发铁磁谐振过电压

小电流接地系统负荷侧电压互感器三相电感分别为LA、LB、LC，若长度为l的配电线路在距电源xl（0＜x＜1）处发生 A 相断线故障，故障线路对地电容为C0L，相间电容为C1L，则A相电源侧和负荷侧对地电容分别为 xC0L、xC1L；相间 电容 分别为（1-x）C0L、（1-x）C1L。断线故障情况下，系统的单相等值电路如图3所示。

图3 断线系统单相等值电路

在图3所示系统中，根据基尔霍夫定律，系统电感电压UL及系统母线电压为U

系统断线可能会造成电压互感器饱和，导致其断线相电感LA减小，若LA的值减小至使XL与XC满足谐振条件，则导致谐振过电压。实际运行中，为避免单相接地故障电流过大，变电站多采用中性点经消弧线圈接地方式，且处于过补偿状态［8］。此时，谐振过电压表现为断线相电压降低，非断线相电压升高。

2 配电系统多重故障优化辨识及恢复策略

对于单相接地故障，传统处理方式是通过短时停电法将接地母线的配电线路试断开，若试断开第k条线路后母线电压恢复正常，则判断第k条线路为接地故障线路。若全部线路试断开后电压仍未恢复，则需进行第二轮试断开甚至将母线停电处理［8］。

单相接地故障的发生和消除以及断线故障均可能导铁磁谐振过电压，谐振过电压可能表现为故障（接地、断线）相电压降低，非故障两相电压升高，与单相接地故障象征相似。小电流选线装置仅依靠零序电压和零序电流启动，无法区分接地、谐振与电压互感器高压侧熔断。

配电系统单相接地、铁磁谐振、电压互感器高压侧熔丝熔断、断线故障特征对比如表1所示。对于单纯的铁磁谐振或电压互感器高压侧熔丝熔断造成的母线电压异常，可以根据表1中的故障特征准确判断故障原因，但若系统发生接地故障的同时，伴随其激发的铁磁谐振及电压互感器高压侧熔丝熔断，一方面多重故障叠加后故障象征并不明显符合表1中单一故障的特征，判断困难；另一方面，即便通过短时停电法将接地线路隔离，由于铁磁谐振或电压互感器高压熔丝熔断，电压异常及接地告警信号也不会消失，无法准确辨识接地线路。

表1 配电系统电压异常类故障特征对比

通过分析表1中4种故障电压幅值及波动方式的不同，结合单相接地故障处理流程，可以得到配电系统多重故障优化辨识及恢复流程如图4所示，核心是在每次试断开线路前，根据电压幅值及实时波动情况，首先排除谐振及电压互感器高压侧熔断的干扰，通过投切电容器、空载线路等方式破坏谐振条件；结合现场检查，排除电压互感器高压侧熔断的干扰。以避免接地线路隔离后虚幻接地现象导致试断开环节无法结束。

图4中，试断开第k条线路的选择以相关规程规定的原则为基础，详细试断开序列由以线路结构参数与实时运行参数构成的接地故障综合测度函数［9-10］确定，以提高试断开线路准确性。若接地母线共有N条出线，则第k条线路Lk接地故障测度函数m（Lk）为

式中：mj为线路Lk第j个单一故障测度值，如零序电流扰动量大小、历史故障次数、分支线条数等；ωj为相应单一故障测度在综合测度函数中的自适应权重。对接地母线上N条出线按m（L）由大到小即为试断开序列。

图4 配电系统多重故障优化辨识及恢复流程

由于断线故障不会造成站内母线电压的明显异常，因此母线电压恢复正常后，结合故障巡视排查断线故障即可。

3 实例分析

以某地区35 kV W站10 kV 1号、2号母线单相接地、电压互感器高压熔丝熔断、铁磁谐振及线路断线的多重故障处理过程为例，分析说明提出的配电网多重故障辨识恢复过程及其优越性。35 kV W站10 kV 1号、2号母线及其出线的结构以及运行方式如图5所示。某日，10 kV 1号、2号母线电压显示为10 kV、10 kV、0 kV，且发出C相接地告警信号。小电流选线装置选线为线路W5。

W站10 kV母线三相电压及告警信息表现为典型单相接地故障。调控人员首先根据小电流选线信息试断开线路W5后，接地告警信息未复归，C相电压仍为0 kV，A、B两相电压幅值在8～11 kV范围内波动。调控人员试断开线路W5后，调度自动化系统显示W站10 kV 1号、2号母线A、B两相电压幅值如图6、图7所示。图6及图7中，t1、t2分别为系统发生故障及调控人员试断开线路W5的时刻。

图5 W站10 kV 1号、2母线及其出线结构

根据图4所示多重故障辨识及恢复处理流程，在试断开线路W5后，虽然系统仍然呈现单相接地故障象征，但调控人员通过对比A、B相电压的幅值及波动情况，判断可能存在铁磁谐振，在试断开第二条线路前，首先投入1号电容器，母线A、B两相电压恢复正常，C相电压仍然为零。

图6 试断开线路W5前后母线A相电压幅值变化情况

图7 试断开线路W5前后母线B相电压幅值变化情况

检查站内10 kV母线电压互感器后，确认电压互感器高压熔丝C相熔断；更换电压互感器的C相高压熔丝后，系统电压显示恢复正常，接地告警信号复归。调控人员将试断开的线路W5送电后，接地信号重新发出，三相电压变为10 kV、10 kV、0 kV。由此确认线路W5为接地故障线路，配电运检人员巡视过程中发现线路W3存在单相断线故障。调控人员随即将线路W3停电处理。

通过对故障的分析可知，线路W5 C相接地的同时，10 kV母线电压互感器 C相高压熔丝熔断；调控人员试断开线路W5后，由于单相接地故障的消除激发系统铁磁谐振，造成BC相电压仍然在10 kV附近波动，同时，由于电压互感器C相高压熔丝故障，C相电压始终显示为零，因此在接地线路W5停电之后，系统仍然存在与单相接地故障极为相近的电压异常及接地告警。对调控人员准确辨识及隔离故障造成干扰。

根据一般的接地故障处理流程；若试断开线路W5后接地信号未复归；电压异常未消失，则需将线路W5送电并依次试断开线路W1～W4。若接地信号仍未消除，则认为多条线路同相接地，进行第二轮试断开，断开每条线路后，不再送电，直至接地信号消失［8］。若通过一般接地故障处理流程处理该多重故障，试断开线路W5并将其送电后，系统接地故障仍然存在，试断开线路W1～W4均不会消除接地故障，需进行第二轮试断开。试断开至第二轮第二条线路后，母线AB相电压方能恢复至正常值。若以故障相电压的波动情况表示故障处理过程，则按照一般接地故障处理流程，试断开过程如图8所示。图8中曲线表示故障相电压幅值。

图8 一般接地故障处理流程试断开过程

图8中，需试断开线路7条次；若试断开一条线路时长为3 min，将图8所示传统方法与调控人员按本文所述策略处理的过程比较，试断开线路及影响负荷数据对比如表2所示。

由表2可知，相对传统故障处理流程，所述策略对单相接地、电压互感器高压熔丝熔断、铁磁谐振叠加的配电系统多重故障可以更快速准确的辨识和恢复，能够提高调控人员故障处理工作效率。

表2 所述策略与传统处理方式效率对比

4 结语

配电系统中单相接地、断线、电压互感器高压熔丝熔断及铁磁谐振均会造成零序电压升高及相电压异常。易互相诱发形成多重故障，使故障辨识、隔离及恢复变得困难。传统的单相接地故障处理流程无法对这样的多重故障进行精准快速的辨识和恢复。

首先梳理了配电系统单相接地及断线故障激发铁磁谐振过电压的原理，在此基础上，结合单相接地、断线、电压互感器高压熔丝熔断及铁磁谐振的故障特征，分析了配电系统多重故障辨识及恢复策略。在每次试断开配电线路前，根据电压幅值及实时波动情况，排除谐振及电压互感器高压侧熔断的干扰；利用综合故障测度确定并隔离接地线路。35 kV W站10 kV系统多重故障处理过程分析表明，对单相接地、电压互感器高压熔丝熔断、铁磁谐振叠加的配电系统多重故障，所述方法能够更快速准确地辨识和恢复，提高调控人员故障处理效率。