利用暫態(tài)信號的配電網單相接地故障定位方法研究

利用暫態(tài)信號的配電網單相接地故障定位方法研究黃燦英，楊墉金，晏慧敏

（1.江西建設職業(yè)技術學院，江西南昌330200；2.江西農業(yè)工程職業(yè)學院，江西宜春331200）

0引言

基于暫態(tài)信號的配電網單相接地故障定位方法的主要原理為確定監(jiān)測點的暫態(tài)電流流量計故障區(qū)域范圍后，通過與相鄰監(jiān)控點之間的零模輸出電壓波形的相似性來測量并確定最終的故障區(qū)域。目前，我國的城市供電網絡大都通過小額定電流進行連接，城市配電網系統(tǒng)單相接地故障準確定位問題仍普遍存在，且尚未得到針對性的解決。暫態(tài)分量定位模式下，由于暫態(tài)信號明顯大于穩(wěn)態(tài)信號，意味著故障區(qū)段與非故障區(qū)段的差異性更加明顯，因此就有定位靈敏度高且受消弧設備不良影響較輕等優(yōu)勢。

1暫態(tài)信號與穩(wěn)態(tài)信號故障定位比對分析

近年來，國內配電網建設規(guī)模不斷增大，且配電網系統(tǒng)覆蓋范圍明顯擴大，由于配電網系統(tǒng)自身結構和運行環(huán)境復雜變化，因此在實際運行過程中容易出現(xiàn)各種故障問題。當前關于配電網故障定位技術的研究主要側重于配電自動化系統(tǒng)區(qū)段定位方面，即通過在配電線路上安裝故障檢測終端的方式將配電網線路科學劃分為不同區(qū)段，借助檢測終端來獲取接地故障信號。

1.1穩(wěn)態(tài)分量定位技術

利用穩(wěn)態(tài)信號進行故障定位主要指在故障問題持續(xù)狀態(tài)中連續(xù)獲取相對穩(wěn)定的信號量，依據信號量的產生方式對故障區(qū)段進行定位分析。其中主要包括憑借故障問題本身產生的穩(wěn)態(tài)信號量和借助其他設備產生的特定穩(wěn)態(tài)電流信號兩種，前者為被動定位方式，而后者則具有較明顯的主動定位特性。

目前，利用故障被動式穩(wěn)態(tài)信號定位主要包括零序電流幅值比較法與零序無功功率方向法兩種。零序電流幅值比較法指將相鄰監(jiān)測點工頻零序電流幅值與整定值進行比對，利用消弧線圈對故障線路工頻零序電流進行補償，多適用于中性點不接地配電系統(tǒng)。零序無功功率方向法主要通過計算穩(wěn)態(tài)零序無功功率來顯示零序電流極性的差異性，從而準確進行故障定位，適用于范圍相對較小的配電系統(tǒng)[1]。

采用故障主動式故障定位方法時，通常需要借助其他設備進行動作配合。通過改變配電系統(tǒng)運行狀態(tài)，增加工頻附加電流。借助相關設備向配電系統(tǒng)中注入附加電流信號，配電線路內部的附加電流信號經過母線故障線路后順利抵達故障點，隨后立即經過大地返回原位置，以此實現(xiàn)檢測終端檢測附加電流信號的目的。主動式穩(wěn)態(tài)故障定位主要指消弧線圈并聯(lián)，包括并聯(lián)電阻法、注入特定頻率信號方向法以及短接非故障相法。

1.2暫態(tài)分量定位技術

相較于穩(wěn)態(tài)信號，暫態(tài)信號主要指不連續(xù)、瞬間出現(xiàn)的特定頻率信號，具有持續(xù)時間短且頻率波動幅度較高的特點。當發(fā)生單相接地故障問題時，暫態(tài)配電系統(tǒng)單相接地故障瞬間出現(xiàn)的暫態(tài)信號頻率和幅值要明顯大于穩(wěn)態(tài)信號，故障線路特征發(fā)生變化，往往難以精確電流定值，導致故障定位的精確度與可靠度無法得到有效保障。與穩(wěn)態(tài)分量定位技術相比，暫態(tài)分量定位不需要借助其他一次設備、信號注入設備，能夠同時兼顧配電系統(tǒng)運行的安全性與可靠性。暫態(tài)分量定位技術主要是對各檢測點的暫態(tài)零模電流特征進行準確定位，對此可以采用暫態(tài)零模電流方向比較法、電流幅值比較法以及電流波形相似法來達到故障定位的目的[2]。我國中性點配電網系統(tǒng)施工建設過程中主要采用不接地和消弧線圈接地2種方式，當發(fā)生單相接地故障問題時，會導致中性點與大地間存在較強的阻抗。從配電網線路結構與運行特征來看，暫態(tài)信號分量故障定位技術有著更多的優(yōu)勢和較好的適用范圍。

2系統(tǒng)單相接地故障定位難點分析

對于已經提出并投入使用的故障定位方法，普遍用于配電系統(tǒng)故障線路零序電流或電壓信號的檢測，在獲取所需信號方面不太便利。尤其對于安裝在戶外的配電線路檢測裝置，在獲取信號時更容易受到限制，導致最終的檢測效果往往難以達到實際的應用要求。

配電線路光纖覆蓋率普遍不高，且各類檢測裝置大多采用公共網絡通信的方式來傳輸數(shù)據。使用故障指示器來檢測故障信號，其中三相采集單元需要借助短距離無線通信來完成數(shù)據信息的匯總和傳輸，最終發(fā)送傳輸至配電自動化系統(tǒng)主站。整個傳輸過程存在信號傳輸不穩(wěn)定、信號易受干擾等問題，導致配電自動化主站系統(tǒng)最終接收到的數(shù)據信號質量得不到保障，容易出現(xiàn)信號數(shù)據不全、信號缺相等異常問題[3]。

對于接地故障定位檢測裝置，自身的運行質量容易受天氣等環(huán)境因素的影響，故障異常問題發(fā)生率相對較高，運維和調試較難。在選線環(huán)節(jié)需要確保1個變電站對應1臺選線裝置，為定位裝置運維與調試工作提供便利。選線裝置需要設置在變電站設備室內，確保具有較好的運行環(huán)境和運行條件，減少外界惡劣天氣因素對裝置的運行質量產生不利影響。

3基于暫態(tài)信號的配電網單相接地故障定位方法

3.1暫態(tài)頻率故障定位

暫態(tài)頻率故障定位需要充分考慮暫態(tài)零序電流電壓分布特點和配電系統(tǒng)故障點上下游零模電流頻率差異特征，以此確定故障點的線路區(qū)段。采用暫態(tài)零模電流頻率極端比較定位方法，具有通信數(shù)據量小、計算簡單的優(yōu)點。通過對配電單相接地故障點兩側的零模電流進行分析，推斷出主要的暫態(tài)特征。一方面，配電系統(tǒng)故障點上游處的零模電流經過故障點流向母線方向，而下游的零模電流流向路徑則以線路末端為最終流向點；另一方面，配電系統(tǒng)故障點上游的零模電流主頻率相對較低且幅值較大，下游的零模電流主頻率較高但幅值較小[4]。

當發(fā)生配電系統(tǒng)單相接地故障問題時，需要對暫態(tài)零模等值電路的零模電流進行定量計算，以確定故障點的上、下游企業(yè)暫態(tài)零模電壓衰減系數(shù)和主振頻率系數(shù)。通常情況下，供電系統(tǒng)內的健全線路與故障點上游線路的總長度都要遠大于下行線路總長度。在充分考慮電源變壓器阻抗因素的基礎上，經過運算可確定故障點上游暫態(tài)零模電壓的主振頻率要低于下游故障點下行額定電流頻率，以此為依據確定故障定位區(qū)段。

由于現(xiàn)場環(huán)境復雜且配電自動化系統(tǒng)終端主站數(shù)據處理能力受限，系統(tǒng)運營成本較高，因此需要采用相對簡便的計算方法，便于工程應用和分析推廣。配電網處于正常運行狀態(tài)時，零模電流基本上為零，而一旦發(fā)生單相接地故障，則會瞬間出現(xiàn)零模電流。以此作為判斷依據，計算并分析零模電流突變量的有效值，從而準確判斷故障點區(qū)段。當單相接地出現(xiàn)故障問題后，配電自動化系統(tǒng)主站能夠自主匯總相關數(shù)據信息并進行分析，以此準確識別故障區(qū)域。

配電網自動化系統(tǒng)主站主動接收檢測系統(tǒng)發(fā)送的相關檢測結果，借助配電網系統(tǒng)中各個分段線路的終端開關裝置來計算暫態(tài)零序電流主振頻率，并將結果發(fā)送至系統(tǒng)主站。系統(tǒng)主站順著故障線路出口位置逐漸向下進行搜索，當一般暫態(tài)零模電流頻率故障系數(shù)超過故障定位標準值時，則可以正式確定故障點區(qū)段；當搜索到最后一個區(qū)段故障系數(shù)仍然小于設定值時，則可以判斷配電網系統(tǒng)終端下游為故障點區(qū)段。

3.2斜率距離差異故障定位

利用現(xiàn)代化計算機技術對相關數(shù)據進行充分挖掘，為故障點區(qū)段檢測提供準確可靠的數(shù)據支撐。采用時間序列相似性中的斜率距離差異法來計算和判斷配電零模電流突變量在兩個時間序列間的相似度，從而順利開展零模電流信號檢測和數(shù)據處理工作。采用斜率距離差異度量法對兩個時間序列零模電流進行分段表示，計算不同分段零模電流直線斜率并將不同區(qū)間的斜率差值相加，當累積相加的斜率差異距離達到最小范圍時，則證明兩個時間序列相似度較高。通過分析判斷兩個不同序列的幅值和頻率間的差異性來反映零模電流幅值和主振頻率對斜率度量距離差異的影響，進而以斜率距離度量的相似性準確說明這一方法的可行性。

基于斜率距離差異模式下的配電線路零模電流相似性分析以配電網零模電流分布規(guī)律為基礎，當單相接地出現(xiàn)某些故障問題時，配電網自動化系統(tǒng)主站接收到故障信息，此時配電網終端開始啟動[5]。通過對各個檢測點的零模電流數(shù)據進行采樣錄波，由終端裝置記錄零模電流波形浮動時間以及幅值、頻率變動情況，根據這些信息來準確構建時間序列。當發(fā)生單相接地故障問題后，以配電網系統(tǒng)安裝的終端裝置作為分段檢測點，將暫態(tài)零模電流突變量作為啟動檢測條件，通過計算工頻和暫態(tài)有效值為確定故障線路提供保障，根據配電網終端裝置采集到的零模電流波形構成時間序列，運用斜率距離度量算法極端得出波形相似系數(shù)，從而反