35kV线路故障快速定位系统故障判断

2021-01-28韦勇鲍勇彬黄鹏天聂寿林韩生海潘博超范瑞妮吴晓辉徐毅端

电器工业 2021年1期

韦勇鲍勇彬黄鹏天聂寿林韩生海潘博超范瑞妮吴晓辉徐毅端

（1. 国网青海省电力公司玉树供电公司 2. 宝鸡市韦思特电气有限公司）

0 引言

玉树供电公司所辖的供电范围广，供电用户分布较为分散。乡镇以及大型用户采用35kV等级的线路进行供电。因此35kV是玉树供电公司最主要的供电等级。35kV线路中含有大量的“T”接线路和“π”接线路，部分线路带有多条分支线路，线路长度普遍在数十公里。35kV系统在变电站线路出口安装保护，在主干线路或分支线路发生故障时可以及时动作或者报警，但是缺乏快速可靠的故障定位手段，在处理永久性故障时，运检人员需要对干线、支线等在内的全部线路进行巡视，耗费时间长，效率低，给故障后供电的恢复带来巨大的困难。因此，35kV系统线路故障快速定位技术亟待研究和应用。

我国目前输电线路采用的故障定位方法主要是双端行波测距法。双端行波测距法利用故障初始行波到达线路两侧的时间差来确定故障位置。故障的初始行波不受系统振荡和互感器饱和的影响，不受线路分布电容的影响，与过渡电阻无关。基于此，行波测距可以在复杂多变的气候环境中判断出故障的类型、性质和位置。目前应用于输电线路的双端行波测距对于简单线路具有较高的精准度。但是对于T接线路、π接线路以及多分支线路等复杂拓扑结构的电力线路，现有的行波测距难以满足，可靠准确的行波测距方法仍有待研究。

35kV系统故障快速定位研究项目旨在通过对多端故障前后电气量的分析，针对35kV系统T接线路和π接线路发生的故障，判断故障区段。在故障区段定位的基础上，利用多端综合组合法测距技术，测量故障距离，为后期故障处理提供可靠的支撑。本项目研究的故障快速定位技术有助于快速故障清除和快速供电恢复，提高运检效率，对于提高供电可靠性具有重要的意义。

1 故障快速定位原理

当配电网发生故障时，故障定位可以准确快速地反映故障位置信息，帮助检修人员迅速确定线路故障的具体位置、减小巡线范围，从而缩短因配网故障引起的停电时间。

配电网实用化故障定位总体上可分为两个步骤：故障区段的确定与区段内故障测距。故障区段方面，利用故障后的就地化故障隔离或故障行波信息，实现故障区段的快速确定；故障测距方面，在判断故障类型和故障相别的基础上，采取有针对性的故障测距手段，实现故障位置的准确测量。

在配电线路出现故障后，本方案将根据就地化故障隔离等相关信息快速确定故障区段，再根据对应区段保护终端的测量数据判别故障类型及故障相；以此为基础，有针对性地采用单端阻抗法或双端行波法等故障测距算法，实现配电网馈线的实用化故障定位。

1.1 故障类型判断与故障选相

为满足故障测距算法的实际需要，在故障就地隔离后，须首先根据保护终端的测量数据对配网的故障类型及故障相别进行准确判断，其基本思路如图 1所示。

图 1 故障类型判断与故障选相示意图

1.2 故障测距算法

1.2.1 单相接地故障

由于配电网二次绕组采用中性点不接地连接方式，因此在发生单相接地故障时，三相线路中不会流过大短路电流；在这种情况下，允许线路短时运行，保护不进行动作，此时运检人员应确定接地故障发生位置并及时排除故障。

本方案利用故障行波的方向性来确定故障区段及故障位置，以帮助运检人员缩小巡线范围，减小配网不正常运行时间。

其基本思想为：故障发生后，故障行波从故障点将分别向电源侧与负荷侧传播，位于故障前、后的保护终端会分别接收到正向、反向行波信号，利用各终端对行波极性的判断，即可实现对于单相接地故障区段的快速确定；随后，利用故障点两侧的保护终端接收到行波的时间差，可以对单相接地故障位置进行测量。

以玉树供电公司下辖的结古变线路为例，线路中发生单相接地故障，如图2所示。

图 2 双端行波测距原理示意图

当故障点F发生单相接地故障后，行波信号将以速度v向线路两端传播，位于线路两端E、H的保护终端将分别接收到正向、反向行波信号，据此可以判断故障发生区段；终端检测到行波将记录其到达时刻tE、tH，通过该时间差tE-tH即可计算得到故障点位置lEF（或lFH）。

根据上述思路，故障点至两侧测量终端距离的计算方法如下：

1.2.2 两相（接地）故障

当配网发生两相（接地）故障时，两故障相间形成故障环路，线路中将流过较大电流，此时保护应迅速动作并实现就地化故障隔离。在根据故障隔离信息确定故障区段后，本方案将依次进行故障选相与故障测距。

故障区段确定将根据前述就地化故障隔离结果信息，从而快速判断两相（接地）故障的故障区段。

故障测距方面，根据配电网单电源辐射型的接线特点，在两相（接地）故障时采用单端阻抗法进行故障测距，方案如下：

首先，利用相电流差突变量等方法提取故障特征，进行故障类型与故障相别的判断；其次，根据故障选相的结果，利用线路阻抗与线路长度成正比的特点，计算故障环路的测量阻抗，并通过对故障环路方程取虚部等方式，减小过渡电阻对测量阻抗的影响，实现两相（接地）故障的准确故障定位。

如图3所示，假设玉树供电公司下辖的结古变线路F点处经过渡电阻RF发生AB两相（接地）故障，设故障点至该区段保护终端距离为lF。

图3 两相（接地）故障示意图

根据故障选相的结果确定故障环路为：A相电源-A相线路-过渡电阻-B相线路-B相电源。据此，可以得到：

上式中存在故障距离lF和过渡电阻RF两个未知数，对上式展开，在实部、虚部分别列等式，解此方程即可得到故障距离lF和对过渡电阻RF的估计。

1.2.3 三相故障

当三相故障时，三相相间形成故障环路，馈线中流过较大短路电流，此时保护将迅速动作并实现就地化故障隔离；根据就地化故障隔离结果，可以快速判断配电网馈线三相故障的故障区段。

故障测距方面，根据配电网单电源辐射型接线特点，在三相故障时采用单端阻抗法进行故障测距。当故障类型判断为三相故障时，三相故障点至保护终端距离的计算思路与两相故障时基本相同，即选取故障环路并计算测量阻抗；利用线路阻抗与线路长度成正比的特点，实现三相故障的准确故障定位。

2 复杂拓扑线路故障快速定位原理

由于用户分布较为分散，玉树供电公司下辖的35kV供电线路存在大量T接线路和π接线路。这些复杂拓扑线路的故障快速定位需要用到多端信息进行综合。35kV系统故障快速定位系统包括故障定位终端装置和后台两部分组成。针对35kV系统T接线路和π接线路，终端装置安装在变电站线路出口和户外分支线路与主干线路交汇点。终端装置通过有线或无线通讯的方式接入主站后台或调度中心，接受指令并且上传数据。部署方案示意图如图4和图5所示。