10 kV配电线路单相接地故障定位方法

鲍 建 杨沛豪

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1 研究背景

随着电网容量不断增大,用户的需求日益多样化,10 kV配电线路日趋复杂,为线路故障定位与排查带来了新的挑战。单相接地故障是一种配电网常见故障,数量占全部线路故障的90%。如何在10 kV配电线路中快速定位单相接地故障,排查并解决故障,防止故障蔓延,确保系统稳定性,是当今配电线路研究的一个重点[1-3]。

目前广泛应用的接地故障测距方法分为行波测距法和阻抗测距法[4]。行波测距法利用线路故障点发出的电流、电压行波信号,计量信号到达检测点的时间,进而确定故障点位置[5]。在10 kV配电网实际系统中,线路结构和系统参数往往不相同,会对行波传输造成影响。另一方面,检测点对行波数据处理会有一定延时,造成测距结果存在差异,无法准确定位故障[6-7]。阻抗测距法利用阻抗继电器原理进行单端故障测距,通过故障点发出的电压、电流计算故障回路阻抗,比较故障回路阻抗和正常回路阻抗来确定故障位置[8-9]。阻抗测距法用到的电压、电流可以通过故障录波器或继电器记录得到,不需要新增设备,故障定位成本得到很好控制,而且不受通信条件限制,由此阻抗测距法在10 kV配电系统中得到广泛应用[10-11]。

在阻抗测距法实际应用中,实际测量数据受到过渡电阻的影响,故障定位精度不高。针对这一问题,笔者以10 kV配电线路发生A相接地故障为例,提出10 kV配电线路单相接地故障定位方法,分析10 kV配电线路单相接地故障向量,给出含有过渡电阻的阻抗测距表达式,对测量得到的电流、电压数据进行共轭运算,消除过渡电阻相,使故障定位更加准确。通过Matlab/Simulink软件仿真,验证所提法的有效性。

2 故障分析

10 kV配电线路保护大部分采用小电流接地方式,当发生单相接地故障后,线路等效网络如图1所示。

图1 10 kV配电线路单相接地等效网络

10 kV配电线路有n条出线,其中第k条线路发生单相接地故障。Ci(i=1,2,3,…,k,…,n)为各条线路进线对地电容,Ri(i=1,2,3,…,k,…,n)为各条线路等效电阻;Li(i=1,2,3,…,k,…,n)为各条线路等效电感;Ii(i=1,2,3,…,k,…,n)为发生故障后各条线路流过的零序电流。在故障线路上,Rf为故障点过渡电阻,U0为故障点等效零序电压源,I0为故障点处零序电流。

非故障线路上零序电流的大小与本线路对地电容流过的电流相等,故障线路上零序电流的大小等于所有非故障线路零序电流的总和。当发生单相接地故障后,为了防止故障扩大为两点、多点接地短路,应该及时定位故障,并予以消除。

3 阻抗测距数学模型

为了得到阻抗测距数学模型,需要假设各条10 kV配电线路为均匀导体。在单相接地短路故障中,故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比。对图1中10 kV配电线路单相接地故障单独分析,可以得到单条线路接地故障内部电路,如图2所示。

图2 单条线路接地故障内部电路

图2中,设M端为测量端,ZM为测量阻抗,其值为:

ZM=UM/IM=mZL+IfRf/IM

(1)

式中:UM、IM分别为M端测量电压、电流;mZL为故障线路阻抗;m为线路故障距离占线路总距离的百分比;ZL为线路阻抗;If为过渡电阻流过的电流。

图2线路若为三相电路,则UM为:

UM=(IM+3kI0)mZ1+3If0Rf

(2)

式中:k为阻抗补偿因数;mZ1为故障线路正序阻抗;If0为过渡电阻流过的零序电流。

I0=(IA+IB+IC)/3

(3)

式中:IA、IB、IC为三相电路线电流。

在10 kV配电线路实际运行中,M端流过电流与过渡电阻流过零序电流之间的夹角小于10°,可近似认为对故障定位精度无影响,IM与If0同相位,则式(2)中3If0可以用I0代替,式(2)简化为:

UM=(IM+3kI0)mZ1+I0Rf

(4)

4 过渡电阻的消除

三相电路中A相发生单相接地故障,式(4)可变换为:

UA=(IA+3kI0)mZL+I0Rf

(5)

式中:UA为A相电压。

(6)

5 仿真分析

为了验证笔者所提方法的有效性,在Matlab/Simulink软件中搭建与实际10 kV配电线路匹配的仿真模型,采用单电源供电,故障测距数据采集点在电源侧。为了抑制单相接地产生的高次谐波,采用LC滤波电路。配电线路仿真参数中,线路长度为10 km,相电压有效值为220 V,正序电阻为0.22 Ω,零序电阻为0.14 Ω,正序电抗为3.08 Ω,零序电抗为3.38 Ω,滤波电感为1.5 mH,滤波电容为10μF。10 kV配电系统某条线路发生A相接地故障后,该条线路三相电压和电流波形分别如图3、图4所示。

图3 A相接地故障三相电压波形

由图3和图4可以看出,当线路发生A相接地故障时,A相电压幅值减小,B相、C相电压基本保持不变,故障消除后三相电压又达到平衡。故障期间三相电流基本对称,幅值增大满足额定电流限制。故障消除后,电流很快恢复至系统额定运行。

为了验证笔者所提方法可以满足故障精确定位要求,每隔1 km设置一个短路接地点,分九次仿真,不同过渡电阻对应的仿真结果见表1～表4。

表1 过渡电阻为0.001 Ω时传统阻抗测距法仿真结果

表2 过渡电阻为0.01 Ω时传统阻抗测距法仿真结果

表3 过渡电阻为0.001 Ω时笔者方法仿真结果

表4 过渡电阻为0.01 Ω时笔者方法仿真结果

由表1～表4可见,测距误差随故障点远离采集点而增大,这是由信号传输距离增大造成的。对比表1和表2,可以得到测距误差与过渡电阻有密切关系。随着过渡电阻增大10倍,测距误差增大至100～200 m,测量精度受到影响。对比表1和表3,可以得到采用笔者方法,相比传统阻抗测距法,测距误差减小3～10 m,但是由于本来过渡电阻就接近于0,精度提高不明显。对比表2和表4,可以得到采用笔者方法,相比传统阻抗测距法,测距误差减小100～122 m,故障定位更为准确。

6 结束语

笔者以10 kV配电线路发生单相接地故障为例,给出10 kV配电线路单相接地故障向量,分析阻抗测距故障定位数学模型,针对过渡电阻引起测距不准的问题,对测量得到的电流、电压数据进行共轭运算,消除过渡电阻相。通过Matlab/Simulink软件仿真,验证了笔者所提方法的有效性。

笔者提出的10 kV配电线路单相接地故障定位方法可以提高故障定位精度,减小测距误差,在10 kV配电线路故障定位中具有应用价值。