基于故障序特性的配电网单相接地故障研究

甘 新

（国网重庆市电力公司市北供电分公司，重庆 401100）

0 引 言

电能质量的提升在保证电力系统的可靠性和安全性方面发挥着重要作用。国内配电网系统中，单相接地故障在整个电力系统短路故障中所占比例较大。当该系统某一相处于接地状态时，在小故障电流的影响下，故障发生后只有相电压出现明显改变，线电压仍然保持对称状态，可以为用户提供足够的电能支持。出现单相故障后，虽然该系统可以在带电状态下稳定运行一段时间，但是相关保护设备仍需在最短时间内发出相应的故障信号，提醒相关人员采取合适的处理措施，快速分析问题并处理故障，保证电力系统供电的稳定性和可靠性[1]。结合故障序特性，提出配电网单相接地故障辨识方法，从而达到缩短故障处理时间的目的。

1 配电网单相接地故障特征分析

1.1 判据分析

当配电网系统出现单相接地故障问题时，序电流和序电压均会出现异常现象，因此将序电流、序电压作为单相接地故障判断依据。

序电压故障判据为：当零序电压有效值远超正常相电压有效值与可靠系数之积时，说明出现序电压故障。在解决这一故障问题时，需要结合相关裕度，利用保护装置调整和控制继电器的实际启动序电压值[2]。在预定保护范围外处理故障问题时，要将保护装置的可靠系数控制为0.19。

序电流故障判据为：当整定值远远低于负序电流之差的绝对值时，说明出现序电流故障。

1.2 特征分析

当配电网系统的交流侧出现接地故障问题时，需要做好对故障处边界条件的设置。此外，要结合交流侧单相接地故障特性，确定相应的复合序网图[3]，具体如图1 所示。

图1 交流侧单相接地故障时的复合序网图

图1 中：Zc1代表等效阻抗，主要在故障点换流器出口处形成；Us1＜0°代表系统电源处于正序等效状态；Zc0代表零序等效阻抗；Icom1代表正序等效电流源；δ代表等效电流源相角；Us1代表正序等效阻抗；Us2代表负序等效阻抗。

基于以上相关参数，采用对称分量法精确计算各个故障点的故障相电流[4]。此外，结合电力系统相关知识，从2 个方面分析配电网系统所出现的单相接地故障特点。一方面，无论是非故障相电压，还是故障相电流，均与换流器输出相电流、系统电压之间的夹角变化息息相关；另一方面，配电网系统实际运行过程中，当出现非故障相电压突增现象时，故障相电流大幅增加，故障相电压不断下降并处于置零状态。

2 基于序分量的故障特性分析

2.1 序特性分析

为保证整个配电网运行的稳定性，需要采用等效处理的方式，将短路接地故障等效为典型的端口网络，然后结合该接地故障对称性的特点对其进行解耦处理，从而获取相应的零序网图和正序网图。当电力系统出现单相接地故障时，需要确定接地复合序网的等效电路，确保故障线路负序电流值远超过零序电流。

2.2 序特性模型

单相接地故障示意如图2 所示。将线路L1设置到配电网系统中，可以快速、精确地定位单相接地故障点，并结合单相接地故障程度深入分析和研究序电流等值电路。

图2 单相接地故障序特性模型

3 基于序特性的故障辨识方法

3.1 故障定位原理

在处理单相接地故障时，为避免出现动作死区，需结合零序电压和负序电流等参数，采用双判据融合法精确识别故障。相关人员要结合序电流和序电压实现对故障段的快速判定，并通过离散阻抗法对故障点进行快速判定[5]。

3.1.1 判定故障段

当出现单相接地故障问题时，由于配电网采用的中性点接地方式不同，所表现出的故障特征也存在一定差异。为实现对零序电压的有效控制，相关人员需结合中性点不接地处理需求，采用零序电压法判定系统所产生的动作，然后分析和判断接地故障，为后期快速有效分析和处理故障问题、保证用户用电的稳定性和可靠性提供重要的数据支持。

3.1.2 判定故障点

在完成故障段判定工作后，需要采用阻抗法对故障段进行测距处理。采用测距处理的方式不仅可以实现对故障区域的精确化判定，还能防止对故障定位辨识时出现多个求解问题，保证故障定位的精确性和高效性，从而实现对故障线路的精确化切除[6]。

3.2 故障定位步骤

整个单相接地故障定位流程如下。

第一，构建信息数据库。结合线路和电源等信息，构建符合配电网系统运行需求的信息数据库。

第二，采集子站电流、电压等信息。在这一环节中，相关人员要重点采集和整理测量单元电流、故障段电流以及电压等信息。

第三，收集故障信息。所收集的故障信息主要包含子站电流电压、主站电压信息以及主站电流信息等。

第四，确定故障区段。在参照配电网结构的基础上，采用负序电流法确定相应的故障区段，便于后期故障测距工作的落实[7]。

第五，开展故障测距工作。在指定的故障区段内，利用所采集到的信息，对故障区段进行测距处理。

第六，输出故障定位结果。将最终故障定位结果真实、完整地显示出来，便于其他人员查看和调用，提高故障定位相关数据的利用率。配电网单相接地故障定位流程如图3 所示。

图3 配电网单相接地故障定位流程

3.3 故障相关数据的测量与计算

在进行单相接地故障测距时，首先要求解故障电流，即故障点对地电流减去负荷侧线路电容电流和故障相负荷电流之和。其次，求解故障距离。结合线路已知电压值和电流值，精确地计算出故障电流值，并计算出现各个故障点距离。再次，分析和判断故障距离是否处于收敛状态。如果收敛，则需要终止计算流程；反之，则需要继续进入下一环节的迭代计算。最后，精确计算出故障点电压。

4 配电网单相接地故障仿真分析

以10 kV 系统为主进行仿真研究，如图4 所示。

图4 10 kV 系统

在距线路首端2 km 位置处，需要设置最长线路L1。同时，将故障电阻设置为200 Ω，故障时间设置为0.29 s，故障电流阈值设置为0.9 A。

当各类故障出现时，空间负序电流的有效值会出现明显变化。以A 相为研究对象，获得单相接地空间负序电流有效值变化情况如图5 所示。

图5 单相接地空间负序电流有效值变化

由图5 可知，一旦出现单相接地故障（0.05 s 时），空间负序电流有效值迅速达到0.239 9 A。

单相接地故障空间负序电流有效值的统计情况如表1 所示。

表1 单相接地故障空间负序电流有效值

在故障电阻始终保持不变的情况下，一旦出现单相接地故障，系统所获得的零序电压有效值就必须满足相关评定依据。另外，结合空间负序有效值，可以完成对阈值范围的有效设置，为后期定位故障奠定坚实的基础[8]。本次仿真分析有效验证了单相接地故障辨识方法的有效性和可靠性。

技术人员重视对本文故障辨识方法的运用，不仅有助于缩短故障处理时间和加快故障处理速度，还可以有效避免因长时间大面积停电给居民日常生活和工作造成的不便，减少不必要的经济损失。同时，能为用户提供正常化和稳定化的供电，帮助电力企业获得相应的社会效益和经济效益，促使电力行业的创新与稳定发展。

5 结 论

随着社会经济水平的不断提高，为保证国内电力行业供电稳定，实现对单相接地故障的快速、精确化判别，结合故障序特性提出了一套行之有效的配电网单相接地故障辨识方法，并采用仿真分析的方式验证了该辨识方法的有效性和可靠性。该辨识方法具有操作简单和可行性强等特点，可以在短时间内快速分析和处理故障问题，为用户正常连续供电提供相应保障，有效避免因长时间停电而给用户的日常生活和工作造成的不便，在一定程度上也促使配电网能够更加安全可靠的运行。