配电网单相接地故障定位仿真实验

2022-08-06陈增根周晓华张玉薇

实验室研究与探索 2022年4期

张银，陈增根，周晓华，张玉薇

（1.广西科技大学自动化学院，广西柳州 545006；2.中铁建设集团南方工程有限公司，广州 511458）

0 引言

随着人口的不断增加和社会经济的飞跃发展，社会对电力的需求不断增大；与此同时，配电网（Distribution network，DN）的密集程度相对以前有了大幅的增长，DN故障约80%为单相接地故障（Singlephase grounding faults，SPGF）［1-2］。

由于我国DN 中性点主要采用中性点非有效接地，DN发生SPGF 时并不会构成短路［3］，故障时的电流是流过系统对地分布电容的小电流［4］。中性点非有效接地的DN也被称为小电流接地系统。发生此类故障时，各相间的线电压基本上不会发生改变，对于负荷的运行并不会有很大的影响。由于接地电流小，电弧大部分可以自动熄灭，故障部分不需要跳闸，允许在故障没有排除的情况下运行1 ～2 h，运维人员需要通过这段时间定位故障区段并排除故障［5-6］。

作为电气工程及其自动化本科专业电力系统继电保护课程的重要学习内容和电力系统硕士专业重要研究方向，DN故障定位的特点是标准和理论多，单纯理论教学和分析对学生课程学习的引导和科研的铺垫、辅助作用有限，在实验教学学时和条件有限前提下，在原有教学模式基础上适当增加仿真教学来提升教学质量和科研水平就显得尤为重要［7-8］。

在DN 故障定位的课堂教学、课程设计和科研过程中，引入仿真，将抽象的DN 故障定位理论分析在Matlab环境下通过模型搭建和参数调整直观、清晰地呈现出来，这不仅有助于引导本科生正确理解DN 故障定位的必要性和重要性、快速掌握DN 距离和低阻抗保护的原理，还有助于研究生分析DN 故障定位方法的可行性。

本文结合具体仿真实例，介绍Matlab 仿真技术在DN小电流接地故障定位中的具体应用。

1 SPFGF零序测量导纳分析

如图1 所示为含有n条出线的DN 的零序网络［9］。

图1 DN零序网络

假设：①图1 中负荷和系统对称；②M、N、P、Q分别为发生SPGF的线路n上的4 个分段开关，M、N、P、Q将线路n分为5 个区段；③在NP 段发生单相接地故障。

图1中：故障点与大地之间的过渡电阻为Rf；消弧线圈的电导、电纳分别为GL、BL；对于中性点不接地系统，GL=BL=0。

开关A（A为P或Q）处测量到的零序导纳为［10］

式中，˙I0A、˙U0A分别为开关A处的零序电流和零序电压对应的相量。

非故障配电线路测得的零序导纳与SPGF点下游分段开关上测得的零序导纳相同，均等于该分段开关后方线路的对地零序导纳。非故障线路的阻尼比d等于该线路的电导和电纳之比。故障线点下游分段开关P测得的零序导纳Y0M的导纳角满足［11］

线路i（i∈｛1，2，…，n｝）的导纳定义为Yi=Gi+jBi。开关E（E为M或N）与DN母线间配电线路的对地导纳，用YE=GE+jBE表示。开关E 处所测量到的零序导纳为：

式中：BMN为MN 区段的对地电纳；GMN为电导。当E为N时，a=1；当E 为M 时，a=0。Bn为线路n对地电纳。

消弧线圈电纳

式中，v为消弧线圈失谐度，v的大小决定了残余电流的性质，即

采用中性点不接地的DN，GL=0、ν =1。如果配电线路中出现SPGF，此时测得的零序电导和电纳均小于零。

在中性点经消弧线圈接地的配电系统（Arc suppression reactor grounding neutral DN system，ASRGNS）中，对分段开关M处的测量导纳的分析结果主要有以下3 种情况：

（1）全补偿时。ν =0，B0M=Bn-BM＞0，B0M在导纳平面的第2 象限。

（2）过补偿时。ν ＜0，B0M＞0，B0M在第2 象限；根据式（4），与全补偿相比，由在虚轴上的投影量B0M将增大。

（3）欠补偿时。ν ＞0，B0M的值不固定，可能大于零也可能小于零。

对分段开关N 处测量导纳的分析与对分段开关M处测量导纳的分析类似，此处不再赘余。

理论上来说，故障点上下游的分段开关所测量的零序导纳相角存在一定的差异，可以通过该差异来确定分段开关相对故障点的位置，并以此为依据进行故障定位［12］。

由故障点下游线路所接分段开关测量到的零序导纳的导纳角接近90°，ASRG-NS 分别选择全补偿或欠补偿时，SPGF 点上下游的所测零序导纳差异相对较大，理论上可直接通过导纳角来实现故障定位［13］。

实际DN中，ASRG-NS一般运行在过补偿，此时故障点上游线路分段开关所检测的零序导纳，如本例中的B0M，导纳角大小随补偿度变化而变化，补偿度越大，导纳角越接近90°。

这种情况下，SPGF点上下游的测量零序导纳的导纳角在90°附近，由于测量导纳存在测量误差，仅用导纳角来判定故障位置容易会出现误差，需要提出更好的判定方法。

2 故障区段定位理论分析

2.1 故障区段零序导纳分析

区段零序导纳Ysec定义为DN 线路上某一区段首端和尾端的零序导纳之差；内部没有故障点的区段称为非故障区段，非故障区段中测量的零序导纳的幅值和相角α均大于零，且α接近90°，即

当SPGF发生在某区段内部时，该区段为故障区段，如图1 中的NP区段，此时的区段零序导纳

实际DN有多条出线，每条出线又被分为若干区段，因此各个区段的导纳远远小于系统的总导纳，即

当ASRG-NS运行在过补偿或欠补偿时，此时电纳部分可表示为电纳部分的幅值与|ν|成正比。对于电导，配电线路区段在发生SPGF 前后的零序导纳模值差异很大，发生SPGF后Ysec的模值明显增大。当以全补偿为目的选择消弧线圈时，补偿后等效零序导纳模值较小，特殊情况下可能为零，此时补偿后的α≈180°，可作为故障区段判定的依据［14］。

2.2 故障区段定位判据

（1）ASRG-NS。ASRG-NS发生SPGF时，采用Ysec进行SPGF定位的原理如图2 所示，图2 中的阴影部分为故障区段Ysec所属区域。当某一区段测量的Ysec落入阴影部分时，就可认定所分析区段为故障区段。

图2 ASRG-NS的SPGF定位原理图

根据线路参数设定一个零序导纳阈值|Y0th|，当满足|Ysec| ＞|Y0th|时，就可判定所分析区段为故障区段；如不满足，需做进一步判断。当不满足|Ysec| ＞|Y0th|，但区段的α在图2 中θ限定范围内时，同样可以判定所分析区段为故障区段；当区段的α不在θ 限定范围内时，就可判定所分析区段为非故障区段。

Y0th并非随便设定，需根据实际DN中Ysec设定，具体可借助系统参数计算或DN 现场工具测量。Y0th可定义为：Y0th= -jkrelBsec；krel为可靠系数。假设设定电纳测量误差不超过20%，则krel=1 +20% =1.2。

对［θmin，θmax］的选择进行分析。当Ysec的幅值小于|Y0th|且α 落入［θmin，θmax］时，v一般都很小，此时

由于区段电导远小于区段电纳，故区段电导忽略不计，Ysec可改写为［15］：

区段导纳与负实轴夹角

此时180° -αmax＜θ ＜180° +αmax。当krel=1.2、λ =5%、αmax=54.3°时，125.7° ＜θ ＜234.3°。

|Y0th|和θ需要根据实际情况设定，并不唯一。实际情况下分析|Y0th|和θ时，配电系统和消弧线圈的阻尼率、区段对地电纳的大小和测量误差等都需要考虑。

当满足ν ＜-(krel)-1 λ时，所测得的故障区段的|Ysec|大于设定的|Y0th|，此时便可判定出故障区段，不需要进一步判定α。DN每个区段的只要ASRG-NS选择过补偿方式，v均会满足上式不等式。即当消弧线圈运行在过补偿方式时，判定故障区段只需要通过导纳模值和阈值的比较；但消弧线圈运行在过补偿时，可能会出现检测点检测不到零序电压的情况，此时需要用母线零序电压替代零序测量电压。

（2）中性点不接地系统。中性点不接地系统（Non-grounding neutral system，NG-NS）在每个配电线路区段的Bsec远小当配电线路发生SPGF时，故障区段内|Ysec| ＞|Y0th|始终成立，所以不须要判定相角，直接可通过配网线路区段的零序测量导纳模值与|Y0th|的对比定位故障区段。

2.3 SPGF定位流程

配电自动化系统（Distribution automation system，DAS）是配电线路区段通过零序导纳法实现故障定位的重要组成部分。DAS 的馈线终端单元（Feeder terminal unit，FTU）将测量到的数据上传到DAS 控制主站，控制主站对所获得的信息进行处理，然后依据判定流程，确定故障区段。SPGF 定位的具体步骤如下［11］：

步骤1当DN发生接地故障时，FTU检测线路各个分段开关上的零序电流和零序电压，并根据欧姆定律计算出Ysec，通过通信网络将其上传到DAS主站，如果碰到无法测量到零序电压的情况，只需上传零序电流；

步骤2在DAS 主站内安装小电流接地选线装置，该装置通过接收到的数据定位故障线路；

步骤3DAS主站从步骤2 中定位到的故障线路的始端出发，逐段求解Ysec，逐步定位到故障所在区段；

步骤4如果计算到最后的FTU仍未找到故障区段，此时可以直接下结论，该线路最后一个FTU 上游所有的区段不存在故障，故障点出现在最后一个FTU的下游。

3 仿真模型与实例分析

3.1 仿真模型

图3 接有5条架空出线的DN发生SPGF的仿真接线图

建立图3 所示接有5 条架空出线的DN 仿真模型，该仿真模型可通过接在变压器二次侧中性点处开关的开或闭选择NG-NS或ASRG-NS运行模式。故障设置发生在总长为25 km 的线路l1，线路l1被分为5 个区段，M、N、P、Q为线路l1上的分段开关，SPGF设定在N和P之间。故障线路的各个区段长度为5 km，已知系统线路的总长度为100 km，故障区段电纳与线路总电纳之比λ =5%。模型中其他参数见表1［16-17］。