配网自动化系统中接地故障区段定位方法研究

吴刚

摘 要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。配网自动化具备故障定位与隔离功能，但当小电流接地系统发生单相接地故障时，由于电流弱、电弧不稳，导致系统故障定位困难，严重影响了配电自动化的发展。为此，有必要结合配网自动化系统中接地故障的分段定位原理，探讨小电流接地故障的区段定位方法，以促进配电自动化的长远发展。

关键词：配网自动化系统;接地故障;区段定位方法

引言

解决接地故障是10kV配网中性点小电流接地系统中的难题之一，如果不进行有效保护将发展为短路故障，造成更大损害。目前接地故障的检测和保护越来越被重视，配电网技术导则也做了很大修改，要求在躲过瞬时接地故障后，快速就近隔离故障。本文阐述了接地故障的现象和检测原理，帮助相关人士掌握检测知识，正确选用开关设备，以缩短停电时间，提高供电可靠性。

1配网自动化系统中小电流接地故障区段定位的基本原理

1.1辐射型接线方式

配电网虽采取开环运行，但闭合环路设计是其主要优势。其各线路是经由两个电源开关进行构造的环路，正常运行下，将双电源连接断开时，开环运行的配电线路是由变电站引出的，而此时形成的结构即由单电源辐射型结构，是配电网最常见、最简洁的接线方式。

1.2接地故障选线及定位

非有效接地系统是引发小电流接地故障的主要原因，此时未出现故障的正常相对地电压将转变为线电压，特别是出现间歇性弧光接地故障时，中性点缺乏高效的电荷释放通道，致使弧光接地过电压产生，极易损害配电线路绝缘性能，继而引发相间短路故障。为此，一旦出现小电流接地故障，必须及时定位故障点。在接地故障定位过程中，可通过在各支线上设置故障检测点，以检测点为区分界限，将线路划分为多个区段，实践显示，适当缩小检测区间可有效提高检测的精准度。

1.3获知接地故障信息

小电流接地故障涉及两种，一是中性点不接地故障，二是消弧线圈接地故障。对于中性点不接地故障而言，线路感抗值较低，零序电流值也很小，零序电压值大概率一致，可在变电站设置零序电压检测点，理论来看，零序电压在未故障线路上显示为0，但由于线路差异，也可能存在零序电压，此时需设定线路零序电压出现故障的临界值，当超过该值，电路将产生接地故障，如此便可迅速定位至故障点。对于消弧线圈接地故障时，由于线圈互补，因而故障线路在电流线位保持一致，一旦零序电流值低于正常电流，即可定位故障点。

2配网自动化系统中小电流接地故障区段定位及具体运用

2.1故障区段定位系统结构

小电流接地故障区段定位主要通过分布式系统解决配电自动化系统信息跨地域、功能分层化、操作实时化的小电流故障定位困难等问题。结合配网小电流故障原因，采取选线和区段定位检测故障的方式，弥补配电自动化系统无法科学定位小电流接地故障的漏洞。小电流故障区段定位系统主要包括故障特征检测终端、故障定位监控中心两大部分，前者由广域相量测量单元完成故障特征信息采集，后者负责启动和控制广域相量测量单元，收集相量数据，并在小电流故障定位算法的基础上实现故障精准定位。

2.2区段定位

区段定位的作用是在支路众多、结构复杂的配电网中及时准确找到故障区段，以便快速对故障进行隔离并进行处理，保障用户可靠用电。应用于区段定位的算法主要有S注入法、暂态电流方向法等。（1）S注入法。S注入法的原理是：当接地故障存在时，接地相CT的副边被短路，此时若在对应相的原边注入信号，则感应出来的电流只会沿着故障线路流动且进入接地点。若注入的信号特征明显，则可探测该信号找到故障段。由此可见，S注入法的优点在于与故障电流大小无关，不受系统运行情况影响、同时不影响系统运行。其缺点主要在于高阻接地时，线路电容对信号分流较大，对寻迹有所干扰;另外，接地点可能存在间歇性电弧，导致信号不连续，对检测也有一定影响。（2）暂态电流方向法暂态电流方向法是根据故障暂态电流分布规律而提出的方法。当线路上有故障时，故障点产生的暂态电流在前后两个检测点的方向不一致，在暂态电流相似度上也有区别。检测点上安装的STU（配网智能终端）将对暂态电流进行检测并上送计算，根据计算结果可定位故障区段在哪个检测点之间。具体过程如下。（1）依次计算相邻两个STU的暂态电流相似度。若结果小于定值，则故障区段在这两个STU之间。（2）若结果大于定值，校验这两个STU暂态、工频电流的极性是否一致。若极性不一致，则该区段为故障段，否则，继续下一区段的两个STU的计算。（3）全部STU均计算完毕，则最末STU的终端为故障段。根据现场应用情况，该算法区段定位准确率达80%左右，满足现场需求。

2.3广域相量测量

小电流接地故障定位是中性点非有效接地方式与生俱来的问题，长期以来，人們试图通过变电站遥测故障信息或人工干预采集线路单点信息来解决这一问题，但由于上述两种方法均不适用于配网自动化系统定位方法、干扰因素众多，因而导致故障定位困难重重。为了解决这一问题，可采取广域相量测量法，结合中性点非有效接地系统特征，在配电线路设置多个单相接地故障信号测点，对故障零序电压、零序电流分布进行实时检测，并将所采集相量信息通过通信网络传播到服务器端进行处理，由于小电流故障点位机制数据流量不多、实时性要求不高，因而通常采取GPRS公网无线通信方式完成数据通信要求。关于广域相量测量点的选择，应遵循三个原则：一是在分断开关处设置测点，二是便于线路维护，在最佳巡线距离设置测点，三是考虑综合因素优化测点。

2.4故障测距

测距技术的发展是提高故障定位精确度的有力支撑，由于配网网络的复杂性，在配网实施故障测距较结构清晰的主网要相对更困难。下文介绍S注入法与行波测距法两种故障测距方法。（1）S注入法如前文所述，S注入法在故障区段的定位上已有应用，对该方法加以改造，即可实现测距功能。具体而言，即是在上述寻迹的基础上通过对注入的电压、电流的检测，通过简单的计算即可得出故障点至参考点的阻抗，通过换算即可得知故障点的距离。这种阻抗法原理简单，但始终受故障接地电阻的影响，因而精度有限。目前现场已有基于S注入法的测距装置应用，在结构简单、线路参数详实的网架可考虑配置。（2）行波测距法行波测距的特点是定位精度高，不受系统运行方式、故障过渡电阻等因素制约，只需采集故障产生的暂态行波信号及行波到达故障线路两端的精确时间，即可测算距离。在原理上，可分为单端测距、双端测距、多端测距，在分支较多的配网一般应用多端测距。其实现方法具体如下。（1）将配网的主干线路进行区段分解，分解后的主干线路等同于双端测距中的母线，分支线路等同于双端测距中的主干线路。（2）按第一点的原则对层级较多的线路按逐级替代的原则将线路分解。（3）逐级应用双端测距法定位故障点位置。

结语

综上，迅速精准定位小电流接地故障是保障配网自动化系统稳定运行的关键。针对小电流接地故障定位困难等问题，要结合小电流接地故障区段定位的基本原理，通过固定或移动故障定位方法，将故障点自动定位道配网系统分段或分区，实现故障排查效率的提升，促进配网自动化系统的深度应用和发展。

参考文献：

[1]陈彦雄.配网自动化系统中接地故障区段定位方法[J].机电工程术，2018，47（06）：151-153.

[2]郑顾平.配网自动化系统小电流接地故障定位方法[D].华北电力大学，2012.

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