配电网单相接地故障定位技术的研究与应用

黄 俊，罗绍书，欧阳后文

（云南电网有限责任公司文山马关供电局，云南 马关 663700）

0 引 言

随着人们生活水平的提高和我国电力市场的不断发展，人们生产和生活对于电力需求也越来越多。但是，在配电网运行中，通过统计和分析配电网故障数据可以发现，目前配电网中最常见的故障类型是单相接地故障，甚至占到了故障发生总数的80%。一旦发生配电网单相接地故障，将会影响整个配电网的安全运行，且故障问题如果短时间内难以得到有效解决，将可能会进一步引发配电网绝缘薄弱部位故障，从而导致整个配电网的连锁故障。此外，故障如果导致电压超过阈值还会引发电力电缆爆炸、保险丝熔断以及短路故障，在很大程度上影响了电力系统的稳定运行。因此，进行配电网单相接地故障定位研究对于故障准确定位和维保具有重要意义。

1 我国的配电网特性介绍

相比较我国的高压远程输电网，城乡之间的配电网建设由于三相难以实现完全平衡，且节点较多等原因导致配电网结构复杂，这也给配电网的单相接地故障定位带来了更大难度。此外，在城乡配电网建设中各个城镇的人口密度较大，且部分城镇由于早期的设计和规划不合理，出现了环网和树状网等多种结构形式。综上，我国的配电网实际运行中出现配电网故障，故障的准确定位和修复工作面临较多的困难。配电网发生故障的位置往往是某一段，其长度较短，所以要准确定位故障位置，在快速寻找故障位置的同时还要保证位置确定的精准度，保证故障能够在规定时间内及时修复。

由于我国人口众多，经济发展迅速，无论是个人还是单位组织的用电数量非常多，但暂未实现所有用电单位的测量和计算设备安装的全覆盖，所以一旦有故障发生，故障点位置确定难度增大，处理修复也难以及时实现。而且我国在持续推进配电网改造项目，电力电缆使用量大增，架空电线和电缆出现混合线路的现象，导致故障点确定难度大增。对此，我国目前采取中性点接地和经消弧线圈接地的方式，这两种接地方式能够在故障发生之后依然正常运行1～2 h，接地点的电弧通常可以自我熄灭，能够通过线路绝缘进行保护，不经过处理便能够自动恢复到正常运行[1]。

2 配电网单相接地故障对供电的影响

2.1 对配电设备的危害

单相接地故障发生会产生间歇性弧光，影响电压，甚至引发电压危害，同时容易导致绝缘子的击穿，引起线路短路等故障。单相接地故障的发生还容易引发配电变压器的烧毁和避雷器短路等故障，损毁设备。

2.2 对变电设备的危害

配点线路发生故障之后，电压之间会相互影响，此时电压互感器的铁芯将饱和，导致励磁电流随之迅速增大。在此情况下，如果依然运行变电设备将会损毁电压互感器，导致单相接地故障发生。同时，谐振过压也将呈几何倍数增大，破坏变电设备的绝缘性能，导致电流外泄，引发更大范围的电力安全事故。

2.3 对供电可靠性的影响

通过人工选线的方式能够有效避免单相接地故障的发生，但是这个过程中需要将发生故障的配电线路断电，但这将严重影响供电的质量。而且发生线路故障，进行线路的修复也会严重影响供电的质量，导致大面积的停电。

2.4 对线损的影响

配电网发生单相接地故障时，其中接地的部分会发生放电，这就会导致配电线路中的电能大量损失。如果得不到及时的定位和处置，将会产生巨大的电能损耗[2]。

3 被动式故障定位方法

3.1 阻抗法

通过欧姆定律，用故障线路的电压和电流可以计算出故障点到测量点的阻抗。根据单位阻抗和此阻抗对比，计算出故障距离，完成故障定位，称为阻抗法。其在使用过程中，由于采集信息位置的不同，主要分为单端测距法和双端测距法两种。

单端测距法采集的是线路一侧的电压和电流数据，不需要额外的通信工具，信息采集简便，工作成本较低。但是，由于该方法使用中容易受到负荷电流和过渡电阻的影响，因此测量的数据准确度有限。双端测距法需要采集两端的电压值和电流值，在使用中测量的精度较高，定位也更加准确。但是由于阻抗法的使用需要精确的数据参数，过渡电阻和系统阻抗的变化都会影响定位的准确性，导致此方法的使用范围有限。

3.2 行波法

根据行波法的实际应用来看，因为测距中需要的信息量不同，所以有多种行波法测距方式。

由于行波源的不同，可以分为注入高压脉冲（所谓C型）的雷达原理测距法和利用线路中行波进行测距的被动式测距法[3]。由于行波电气量的不同，可分为电流和电压两种行波测距法。根据行波信号是故障线路单侧还是双侧，可以分为单端（如A型）行波测距法和双端（如D型）行波测距法。

单端行波测距法应用的基本原理是对比被观测点的初始行波和第二次反射波的时间差，通过行波在线路中的传播速度和时间来计算出观测点到故障点的距离。虽然该方式操作简便，成本低廉，但是缺少精确的时间计量装置，导致时间差的计算不够准确。双端行波测距法是通过测量初始行波到达故障点两端的时间差，结合线路中行波的传播速度对故障位置进行定位。该方法在使用中只需要通过双端的通信设备数据和电气量数据对初始波进行测量和记录即可，不需要考虑反射波的影响。这两种方法都不需要额外安装信号发生装置，应用广泛，也为现代的行波测距发展提供了思路[4]。

目前，在基于故障行波时序特征的故障测距中，通常利用行波数据进行测距，在时间轴上对行波极性、幅值及故障到达时刻进行检测、刻画与标定，科学计算出故障距离。随着我国信息处理技术的发展和持续优化，现代行波技术发展也取得了长足的进步，但是仍然有很多问题亟待解决，尤其是在行波波头的检测和辨识方面，还要不断提高行波测距的准确性和科学性。

4 主动式故障定位方法

4.1 注入信号法

配电网单相接地主动式故障定位技术中较为常用的是注入信号法，该方法是在故障发生之后，通过特定信号发生装置向线路中注入一个和线路中不同频率的信号，该信号会从注入点流入到大地中，通过对该信号的检测和追踪，全程记录信号流通路径，从而确定故障的发生位置。

注入信号法需要额外注入信号来进行故障位置的确定，所以中性点是否消弧线圈接地及调谐的方式并不会影响该方法的实际应用，这在很大程度上进一步扩大了其应用的范围。另外，该方法使用的信号发生装置以手持设备为主，相比较于在线路上重现加装设备，大大减少了设备资金投入，普适性更强。但是，注入信号法在实际的应用中，由于线路中存在分布电容，受到电阻接地的影响会导致检测的结果存在一定的误差，且随着接地电阻阻值的增加，检测结果的数据误差也将越大，对于故障区确定的准确性影响也越大，甚至难以准确定位故障点的位置[5]。

4.2 中电阻法

中电阻法进行单相接地故障定位的原理是通过改变接地点的电流来进行故障定位。在中性点经消弧线圈接地的配电网中，故障发生之后要重新达到稳定状态需要较长的一段时间。根据此原理可以在中性点合理加设并联电阻，让整个故障线路能够形成一个电流回路，主动产生一个差异性电流。在不同的采集点进行新电流的检测和数据采集，在故障点的前面位置采集到新电流相关信息，此后的线路采集点不会发现新电流，这样就能准确定位到故障点位置[6]。

中电阻法在使用过程中能够有效避免故障线路中稳态零序电流差异性小等缺点，但却增加了加设电阻的难度，提高了中性点设备改造及购置的成本。

4.3 零序电流突变法

零序电流突变法的原理是通过线路中零序电流突变来确定故障发生位置。配电网单相接地故障发生之后，对消弧线圈的参数进行人为调整，让线路中产生零序电流突变，根据突变量进行故障位置的确定[7]。该方法应用是依据故障位置的零序电流分布异常情况来对故障点进行科学定位，但只能应用在配电网中装备了消弧线圈的线路，应用范围有限。

4.4 稳态零序电流比较法

稳态零序电流比较法的原理是根据零序电流的幅值和极性的差异情况来判断不同的故障点位置。配电网一旦发生单相接地故障线路中就会发生零序电流，在不同的故障点位置尤其是在故障点的上游和下游采集到的稳态零序电流流向相反，在两端内侧零序电流存在幅值相似但外侧存在幅值变化很大的特征，可以利用这些差异和特点来确定故障点的区段和位置[8]。

这种方法主要用在不接地方式的配电网中，在中性点经消弧圈接地的配电网中应用不多。

5 综合故障定位方法

随着配电网设备的研发和更新完善，自动化设备得到了广泛应用，使得配电网中的电气设备等相关信息数据的采集能力大大提升。针对单相接地故障而言，借助线路中各种开关状态信息的矩阵法和基于故障指示器的定位方法等不断得到应用。在近些年的智能设备和智能算法研究推动下，配电网自动化和智能化程度不断提高，有效利用人工智能和大数据技术等现代信息技术实现故障的快速定位，基于此遗传算法、人工神经网络以及粒子群算法等各种综合故障定位方法也被得到了推广和应用[9]。

例如，在基于矩阵算法的故障定位中，可以通过分析配电自动化主站检测到各个设备的数据变化及故障前后拓扑网络的结构差异得到配电网的拓扑矩阵，然后将配电自动化主站接收到线路中开关上传的故障信息形成与描述矩阵同样结构的故障信息矩阵，对比分析两个矩阵的相关数据实现准确定位。该方法的定位原理较为简单，计算简便[10]。

6 结 论

配电网故障中单相接地故障较为常见，对于配电线路正常运行和供电科学性具有重要影响。配电网一旦发生单相接地故障，不仅会引发严重的停电事故，而且会影响到整个电力系统的平稳运行，其成为目前困扰电力及配网管理人员的重要难题之一。对于配电网单相接地故障定位技术的研究及其应用探索能够为故障定位和修复提供一定思路，推动电力系统平稳运行和健康发展。相关人员也需要从实际情况出发，做好配电网单相接地系统的构建，为电力系统的优化提供重要支撑。