小电流接地电网单相间歇性电弧接地故障定位方法

2021-06-10张新宇王雅楠

重庆理工大学学报(自然科学) 2021年5期

张新宇，聂宇，王雅楠，赵丹，杜威

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，沈阳 110006）

我国6～35 kV中压配电网多采用中性点非有效接地方式，在系统运行过程发生的故障中，单相接地故障发生的比例最高。由于配电网结构复杂且单相接地故障产生的故障电流较小，给故障定位造成一定的困难。目前，针对配电网单相接地情况下的故障定位，已经提出许多理论方法，同时许多装置已投入现场运行［1-5］。

目前提出的故障定位方法主要有利用故障信号定位［6-8］以及通过注入信号定位［9-11］两大类。当系统发生单相间歇性电弧接地时，短时间内重复出现燃弧与熄弧过程，该过程的不确定性使注入信号的最佳时机难以确定，而反复熄灭、重燃过程产生的复杂暂态信号给故障信号定位带来严重的干扰。文献［9］提出一种并联电阻扰动信号的故障定位装置，即故障发生后在母线处交替将非故障相并联电阻作为扰动信号，故障点上游检测点可检测到相应的扰动信号。文献［12］对该装置提出了改进方法，提出结合中性点的接地情况，仅向故障相的超前相或滞后相注入扰动信号，但仍主要利用单相接地后的稳态信号。在单相间歇性电弧接地情况下，若并联电阻的时刻是电弧暂时熄灭的间隙，则无法在故障线路注入扰动信号，故障定位失效。

本文针对中性点非有效接地系统，在该故障定位装置的基础上，结合间歇性电弧的辨识方法，通过故障相电压特征捕捉间歇性电弧的重燃时刻，并于电弧燃烧时在非故障相母线并联电阻以适度增大故障电流，使间歇性电弧转为稳定电弧，从而在故障相成功注入扰动信号，此时通过故障指示器的指示情况可以辨别故障线路与非故障线路，同时确定故障区域。

1 单相间歇性电弧接地故障下并联电阻扰动信号的配电网故障定位方法分析

基于并联电阻扰动信号的配电网故障定位方法，在变电站母线处安装接地信号源，接地信号源主要由开关器件、电阻器及相关附件组成，其原理如图1所示。

图1 并联电阻扰动信号原理图

当线路中发生单相接地故障时，变电站首先通过故障信息判断出故障相，此后通过接地信号源将指定非故障相母线经电阻器接地，使故障相电流呈现单一增大趋势，结合线路拓扑结构以及故障指示器的指示情况实现故障定位。当故障为A相单相间歇性电弧接地时，由于间歇性电弧燃弧与熄弧的随机性，熄弧时长可达数个工频周期，因此扰动信号随机注入的时刻有两种情况，以下分别进行分析。

1.1 电弧暂时熄灭时注入扰动信号

根据文献［12］，中性点不接地系统扰动信号的有效注入相为故障相的滞后相，即A发生故障时有效注入相为B相。设定电阻器阻值为300Ω，当B相母线处在电弧暂时熄灭时投入电阻器，系统相当于B相经高阻接地。以表示三相电源电动势，以表示三相导线对地电压，此时电压相量图如图2（a）所示［13］。此时，故障相电压有所升高，可能造成两种情况：一是电阻器投入期间电弧没有重燃，即系统仅有B相经高阻接地，此时故障相电流不会增大，注入扰动信号失效；二是电阻器投入期间升高的电压造成电弧重燃，此时系统有B相经高阻接地以及故障相经电弧接地，故障相电流有所增大，但燃弧过程可能加剧非故障相的间歇性电弧过电压，不利于系统安全。

而对于一般中性点经过补偿消弧线圈接地系统，扰动信号有效注入相为故障相的超前相［12］，即A发生故障时有效注入相为C相，当C相母线处在电弧暂时熄灭时投入电阻器，系统相当于C相经高阻接地，此时电压相量图如图2（b）所示［13］，故障相电压仍然升高，分析情况与中性点不接地系统相同。

图2 三相电压相量图

1.2 电弧燃烧时注入扰动信号

当母线处在电弧燃烧时投入电阻器，根据文献［12］分析，此时故障相故障电流有效增大，且不会额外附加间歇性电弧过电压。此外，由于流过故障点的电弧电流增大，电弧的燃烧状态可能发生改变，即由间歇性电弧向稳定电弧转化。

设电弧的半径为r，利用电流密度计算公式可以得到电流计算公式：

其中：e为电子电荷量；n为单位体积电子数；b为电子迁移率；E为弧柱电位梯度。由于电导率是温度的复杂函数，将πenb用f1（T）来表示，则电弧电流是半径、温度、弧柱电位梯度的函数。

由能量平衡可知：当电弧燃烧时，输入电弧的能量等于电弧散出的能量，电弧通过散热的方式散出能量，散出的功率可以表示为温度和半径的函数，则输入功率P与散出功率Po的表达式分别为

联立方程（1）和（2），消去弧柱电位梯度E，得：

由于电子迁移率一般随温度升高而增大，且电弧温度升高时，弧柱内外温差增大，电弧散出功率也将随之增大，因此认为f1（T）、f2（T）与温度T存在同增同减的关系。此外，对于同一故障点，假设燃弧过程中弧柱半径变化可以忽略，因此当非故障相并联电阻使流过故障点的电流增大时，通过方程（3）可以推断，弧柱温度将随电弧电流增大而升高。

根据弧柱热等离子体理论［14］，小的电场强度，大的电流和高的气体压力更有利于热平衡的建立。当电弧电流增大时，弧柱温度升高，气体游离程度提高，促使电弧燃烧达到稳定状态，因此，非故障相母线并联电阻后，将促使故障点间歇性电弧向稳定电弧转化。

根据以上分析，当中性点非有效接地系统发生单相间歇性电弧接地故障时，对并联点电阻扰动信号故障定位方法，在电弧燃烧时刻注入扰动信号更能有效实现故障定位，并且有利于将故障电弧转化为稳定电弧，降低系统间歇性电弧过电压风险。

2 单相间歇性电弧接地故障特征

2.1 间歇性电弧仿真模型

在间歇性电弧接地的情况下，电弧燃烧和熄灭的特性对注入扰动信号定位方法的有效性影响很大，因此需要建立准确的间歇性电弧模型。经典电弧模型主要包括Mayr模型，Cassie模型以及基于不同假设条件的改进Mayr模型［15-16］。Cassie模型适用于模拟电弧电流过零前弧隙低电阻状态，Mayr模型适用于模拟电弧电流过零后的弧隙高电阻状态。本文需要研究间歇性电弧在电流过零后的熄灭以及重燃状态，采用Mayr模型进行模拟分析，电弧方程见式（4）。

式中：gm为电弧动态电导；e为弧柱电场强度；i为弧隙电流；τm为电弧时间常数；ploss为弧柱耗散功率，ploss也为常数。

采用EMTP软件中TACS模块的TACS控电阻、数值积分元件、综合数学元件等搭建Mayr电弧模型，并将其运用于10 kV中性点不接地配电网中进行单相间歇性电弧接地仿真，如图3所示。假设配电系统末端线路发生单相间歇性电弧接地故障，故障相电压在达到峰值时开始燃弧，在工频电流过零时随机熄灭，经过一个或几个周期再次在相电压峰值处重燃。电弧电压及电流仿真波形如图4所示。

图3 单相间歇性电弧接地故障仿真图

图4 间歇性燃烧电弧波形

2.2 间歇性电弧判别及燃弧时刻捕捉

为了改进间歇性电弧下的注入扰动信号故障定位方法，需要对电弧燃烧状态做出判断。根据小波变换在突变量检测中的有效应用，利用DB6小波对故障相电压信号做6层分解，通过第3层的高频系数d3可以清楚地判断电弧燃烧时造成的电压突变。设置间歇性电弧燃弧3次，每次燃弧瞬间，d3系数突增，如图5所示。因此，实际应用通过设定d3系数门槛值，在设定的时间间隔内，若d3系数多次达到门槛值，即可判定发生间歇性电弧接地故障，同时d3系数突破门槛值的时刻就是电弧重燃时刻。

图5 故障相电压小波变换示意图

3 间歇性电弧下的注入扰动信号故障定位

根据以上分析，单相间歇性电弧接地时的故障定位流程如图6所示。

图6 故障定位流程框图

当检测到系统存在单相接地故障并确定故障相之后，利用DB6小波分解故障相母线电压，并根据实际采样频率选择小波分解的尺度。记录Δt时间间隔内故障相电压突变次数N，当N大于设定值Nset时，判定为间歇性电弧接地，并在故障相母线电压下一次突变时刻注入扰动信号，快速电力电子开关使扰动信号在电弧重燃之初投入成为可能，这尽可能给故障定位留下充足的时间并促使间歇性电弧向稳定电弧转化，降低故障定位的难度。

4 仿真验证

利用搭建的间歇性电弧模型对本文提出的定位方法进行验证。如图3所示，第4条出线的分支线路发生单相间歇性电弧接地故障，燃弧时间分别为0.098、0.138、0，218 s，熄弧时间分别为0.128、0.183 s。当在电弧熄灭时即0.19～0.21 s内注入扰动信号，有2种可能情况，一是注入信号期间电弧没有重燃，此时故障相电流波形如图7（a）所示，故障相电流没有变化，故障定位失败；二是注入信号期间故障相电压的升高使电弧提前重燃（0.197 s时重燃），此时故障相电流波形如图7（b）所示，故障相电流出现短时增大，满足故障定位要求，但此时电弧的重燃会加重系统过电压负担，如图8所示，间歇性电弧过电压最高可达相电压幅值的2.2～2.5倍，不利于系统安全。如果捕捉电弧重燃时刻并立刻注入扰动信号（0.22～0.25 s），此时的故障相电流波形如图9所示，故障相电流在扰动信号注入期间明显增大，符合故障定位要求，且期间没有电弧重燃，不会加重系统过电压。