電力系統(tǒng)單相接地故障定位方法綜述

電力系統(tǒng)單相接地故障定位方法綜述

在中國(guó)，配電網(wǎng)通常采用小電流接地，80%以上的誤差是單相接地故障。由于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)不同，具有不盡相同的結(jié)構(gòu)特征，因此，根據(jù)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，選擇使用不同的故障定位方法。目前國(guó)內(nèi)外采用的配電網(wǎng)故障定位方法有故障測(cè)距法，阻抗法、單端行波定位法、信號(hào)注入法、故障指示器法等，接下來(lái)的研究中出現(xiàn)了將幾種故障定位方法相結(jié)合的綜合定位方法，充分利用各種定位方法的互補(bǔ)性來(lái)提高故障定位的準(zhǔn)確性。1故障測(cè)距法的分類故障測(cè)距法，即測(cè)量線路檢測(cè)點(diǎn)到故障點(diǎn)處之間的距離即故障定位，按原理分基本可以分為：行波法、阻抗法和“故障指示器”技術(shù)。1.1故障點(diǎn)位置的確定行波在均勻線路上傳播運(yùn)動(dòng)時(shí)，行波電壓與行波電流的比值是一定的，但是如果線路的參數(shù)或者波阻抗在某一結(jié)點(diǎn)處突然發(fā)生改變，行波在突變點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生全部或者部分的反射與折射現(xiàn)象，稱此點(diǎn)為波阻抗不匹配點(diǎn)，主要表現(xiàn)為分支節(jié)點(diǎn)處、開(kāi)路與短路處。行波法的故障測(cè)距原理是：根據(jù)行波在線路中的傳輸理論，利用行波在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生反射和折射的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位，常見(jiàn)的類型主要有A、B、C型幾種，下面進(jìn)行分別的介紹：(1)A型行波法。A型行波法主要采集故障處本身產(chǎn)生的行波信號(hào)（如圖1），利用行波信號(hào)從測(cè)量點(diǎn)至故障發(fā)生點(diǎn)的時(shí)間與行波的波速進(jìn)行故障點(diǎn)位置的確定；故障點(diǎn)返回信號(hào)的波頭到達(dá)始端的時(shí)刻值的1/2，就是行波從故障點(diǎn)到檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差。設(shè)行波信號(hào)測(cè)量點(diǎn)M與故障點(diǎn)F之間的距離表示為xL，用ν來(lái)表示行波的波速，則故障距離的計(jì)算公式：對(duì)于A型行波定位方法，由于配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支眾多,而從測(cè)量端到故障點(diǎn)需要往返兩次，這將會(huì)產(chǎn)生大量的反射行波，而對(duì)于這些反射行波的區(qū)分將會(huì)是一個(gè)難題。(2)B型行波法。B型行波法的定位原理：根據(jù)故障處本身產(chǎn)生的行波信號(hào)傳輸至線路兩端所需的時(shí)間差進(jìn)行故障點(diǎn)位置的確定，其原理圖如圖2。設(shè)故障處產(chǎn)生的行波信號(hào)傳送至檢測(cè)點(diǎn)M端為時(shí)間段t11、傳送至檢測(cè)點(diǎn)N端為時(shí)間段t12，已知測(cè)得的故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波信號(hào)傳送至檢測(cè)點(diǎn)M端為時(shí)刻值t1、傳送至檢測(cè)點(diǎn)N端為時(shí)刻值則t2，則t12-t11=t2-t1，首末端MN的距離為S，用ν來(lái)表示行波的波速，得到方程組：解方程組得到t12和t11的值，于是得到故障點(diǎn)的位置：xl=νt11。但B型行波定位方法有一精確到微秒級(jí)的同步要求。由于配電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般都有很多的終端,因此對(duì)于多個(gè)信息源的信號(hào)同步不容易實(shí)現(xiàn)。(3)C型行波法。C型行波法的定位原理是：在故障發(fā)生后，由裝置在線路的一端注入高壓脈沖信號(hào)、直流脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)從注入裝置傳輸至故障處的時(shí)間來(lái)進(jìn)行故障位置的確定；其原理圖如圖3:設(shè)行波信號(hào)測(cè)量點(diǎn)M與故障點(diǎn)F之間的距離表示為xL，則故障距離的計(jì)算公式表示為：C型行波法在實(shí)現(xiàn)故障定位的時(shí)候，可以進(jìn)行重復(fù)判斷，如果因?yàn)槟骋淮螜z測(cè)受到了較大的干擾而影響到了故障定位的分析，可以選擇重新再發(fā)送一個(gè)行波信號(hào)的方法再進(jìn)行一次故障定位。這種測(cè)距裝置原理簡(jiǎn)單，精度也高，但是，同樣由于配電系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)復(fù)雜與分支眾多，致使注入的信號(hào)在線路中衰減很大，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)困難，而且附加的高頻脈沖信號(hào)發(fā)生器等部件比較昂貴。1.2故障點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的距離利用阻抗法實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距，其原理可表述如下：假設(shè)電力線路是均勻的線路，根據(jù)故障時(shí)測(cè)得的電壓、電流量計(jì)算出故障回路的阻抗，利用已經(jīng)得出的故障回路的阻抗和線路長(zhǎng)度成正比這一關(guān)系，得到測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的距離。阻抗法所具有的優(yōu)點(diǎn)就是投資少，但是其受到路徑阻抗、電源參數(shù)與線路負(fù)荷的影響卻比較大，測(cè)距誤差往往遠(yuǎn)大于某些故障測(cè)距產(chǎn)品在理想條件下得出的誤差標(biāo)準(zhǔn)，而且受故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響而存在測(cè)距精度問(wèn)題，只有故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻為零時(shí)，才能比較準(zhǔn)確計(jì)算出故障位置。1.3故障指示器設(shè)置該技術(shù)的原理是利用掛在故障線路的路徑上的故障指示器來(lái)檢測(cè)信號(hào)的有無(wú)，并立即給出相應(yīng)的指示，巡線人員可借助指示器的報(bào)警信號(hào)迅速確定故障區(qū)段并找出故障點(diǎn)。其不足之處在于對(duì)于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)而言，接地電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)荷電流，故障指示器無(wú)法進(jìn)行有效識(shí)別，而且這種方法需要在線路上安裝大量的故障指示器裝置，成本比較高、投資大，設(shè)備比較復(fù)雜。只適合在小范圍內(nèi)進(jìn)行使用。2配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜注入法的原理是：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，通過(guò)母線電壓互感器人為地向故障線路的故障相注入電流信號(hào)（如圖4），根據(jù)注入信號(hào)的流動(dòng)的特點(diǎn)，利用專用的信號(hào)探測(cè)器尋蹤注入信號(hào)路徑，實(shí)現(xiàn)故障定位。注入法又分為直流注入法和交流注入法。(1）交流注入法。交流注入法的原理是：故障發(fā)生后，通過(guò)母線電壓互感器人為的向故障相注入特定頻率的電流信號(hào)，然后利用專用的信號(hào)電流探測(cè)器沿線路對(duì)注入的信號(hào)電流進(jìn)行尋蹤。利用故障線路與非故障線路信號(hào)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位。但是隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和分支不斷增加，分布電容的分流作用也將顯著增加，故障點(diǎn)電流和電容電流的區(qū)別越來(lái)越不明顯，甚至電容電流將大于故障點(diǎn)的電流，這種情況下非故障分支對(duì)地電容電流有可能較大，不利于故障路徑判斷。S注入法屬于交流信號(hào)注入法的一種，S注入法的定位原理：通過(guò)母線電壓互感器人為地向故障線路的故障相注入電流信號(hào)，注入信號(hào)的基波頻率應(yīng)該處于工頻信號(hào)的n次與n+1次諧波之間，再利用專用的電流信號(hào)探測(cè)器進(jìn)行巡線，定位出故障線路與故障點(diǎn)。但是經(jīng)過(guò)運(yùn)行的實(shí)踐表明，當(dāng)接地點(diǎn)的過(guò)渡電阻小于等于1kΩ時(shí)，S注入法的確是很有效的，相反，當(dāng)過(guò)渡電阻的值為大于1kΩ的時(shí)候，此方法的有效性將會(huì)降低，如果過(guò)渡電阻繼續(xù)變大，達(dá)到10kΩ時(shí)，此法將會(huì)完全的失效。而在我國(guó)10kV配電網(wǎng)的接地故障過(guò)渡電阻一般都是在10kΩ以上的。因此，S信號(hào)注入法在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中常常會(huì)失去效果，只有在有限的范圍內(nèi)才是有效的。(2）直流注入法。直流信號(hào)注入法利用線路分布電容對(duì)直流信號(hào)開(kāi)路，因此注入直流信號(hào)便不受電容的影響，也不受線路長(zhǎng)度和分支的影響。交流信號(hào)注入法與直流信號(hào)注入法目前應(yīng)用較多，但是當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障并注入信號(hào)以后，需要利用專用的信號(hào)電流探測(cè)器沿故障線路對(duì)注入的信號(hào)電流進(jìn)行尋蹤。3直流信號(hào)注入法基本原理由于配電網(wǎng)線路大多采用中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流小，故障特性復(fù)雜，檢測(cè)到的故障特征量具有很大的不確定性，針對(duì)故障線路的特征，考慮分步走進(jìn)行定位，將幾種定位方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)定位，該方法利用不同定位方法的互補(bǔ)性來(lái)提高單相接地故障定位的有效性與準(zhǔn)確性：已有學(xué)者提出將改進(jìn)的C型行波法與直流信號(hào)注入法相結(jié)合的配電網(wǎng)單相接地故障定位方法，該方法先計(jì)算故障距離再找到故障分支。C型行波法的基本原理是在系統(tǒng)發(fā)生故障后，從線路的始端由發(fā)射裝置向故障線路的故障相發(fā)射高壓高頻或者直流脈沖信號(hào)，如圖3所示。設(shè)F點(diǎn)為單相接地故障點(diǎn)。根據(jù)行波在線路上傳播的特性理論：行波信號(hào)在沿線路傳播過(guò)程中會(huì)在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)處發(fā)生全部或部分的折射與反射現(xiàn)象。由裝設(shè)在線路首端M處的采用發(fā)射檢測(cè)裝置向線路發(fā)射脈沖信號(hào)，記作t1時(shí)刻，注入信號(hào)傳播到故障點(diǎn)的反射波再返回到檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻記為t2，ν=3×108m/s，信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)M與故障點(diǎn)F之間的距離L為式3。由于通常配電線路存在著許多波阻抗不連續(xù)點(diǎn)，如分支節(jié)點(diǎn)、開(kāi)路點(diǎn)、短路點(diǎn)。因此，也就會(huì)存在大量的折射與反射行波。如果要區(qū)分出哪一個(gè)反射行波為在單相接地故障點(diǎn)產(chǎn)生的，就要采取一定的措施?？梢岳猛痪€路同一相在發(fā)生與未發(fā)生單相接地故障時(shí)注入高壓脈沖信號(hào)，其唯一的差別就是在發(fā)生故障的故障相上多了一個(gè)接地點(diǎn)，進(jìn)而有可能導(dǎo)致故障點(diǎn)之后的節(jié)點(diǎn)的折反射波與正常線路相比會(huì)發(fā)生異常，但是在故障點(diǎn)之前的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的折反射波形是一致的。因此，利用線路正常時(shí)的波形與線路發(fā)生故障時(shí)的波形進(jìn)行比較即可以得到第一個(gè)明顯的差異點(diǎn)。波形差異點(diǎn)的時(shí)刻就是行波從起始端發(fā)出到反射回檢測(cè)端所用的時(shí)間，通過(guò)注入信號(hào)時(shí)刻與故障點(diǎn)返回信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間差來(lái)確定故障的位置?？稍谧⑷胄盘?hào)端檢測(cè)到故障線路的故障處與各分支節(jié)點(diǎn)處的返回波形情況。利用相同的辦法得到同一條線路同一相在未發(fā)生故障時(shí)返回波形的情況。由于A、B、C三相線路的參數(shù)可以近似看做是相同的。因此，可以將非故障相的行波信號(hào)進(jìn)行采集，并以此來(lái)代替故障相線路在線路處于正常狀況時(shí)的行波信號(hào)。將處于故障狀態(tài)時(shí)的行波信號(hào)與處于正常狀態(tài)時(shí)的行波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，找出行波信號(hào)當(dāng)中的突變點(diǎn)。直流注入法利用線路分布電容對(duì)直流信號(hào)開(kāi)路，注入直流信號(hào)既不受電容的影響，也不受線路長(zhǎng)度和分支的影響。將改進(jìn)的C型行波法與直流信號(hào)注入法相結(jié)合，具體方法闡述如下：分別從線路的兩端注入脈沖信號(hào)，并分別求出相應(yīng)的可能故障點(diǎn)，再確定它們的交集以備進(jìn)一步判斷，而實(shí)行進(jìn)一步判斷所采用的就是直流注入法。如圖5所示，首先選擇主干線路的X,Y兩端，作為信號(hào)注入端，先從選好的一端（X）注入脈沖信號(hào)，由于在故障點(diǎn)以后返回行波信號(hào)會(huì)發(fā)生突變，而在故障點(diǎn)之前，發(fā)生故障與未發(fā)生故障返回的行波信號(hào)是一致的，因此利用正常信號(hào)和故障信號(hào)的波形差，二者相異的第1點(diǎn)即為故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的行波突變點(diǎn)，根據(jù)第一個(gè)突變點(diǎn)時(shí)刻，利用故障距離計(jì)算公式確定故障點(diǎn)與線路首端的距離，設(shè)為距離L1。同理，再選擇另外一個(gè)信號(hào)注入端（Y），注入一個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)正常狀態(tài)的信號(hào)和故障狀態(tài)的信號(hào)做差，根據(jù)距離計(jì)算公式計(jì)算出故障距離，設(shè)此距離為L(zhǎng)2。根據(jù)所測(cè)得故障距離L1與圖5中線路分支結(jié)構(gòu)，判斷出所有滿足此距離的點(diǎn)（故障點(diǎn)與線路分支為相互對(duì)應(yīng)關(guān)系），進(jìn)而得到了故障數(shù)組1；采用相同的方法，根據(jù)所測(cè)得故障距離L2與圖5中線路分支結(jié)構(gòu)，判斷出所有滿足此距離的點(diǎn)（故障點(diǎn)也與線路分支為相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系），進(jìn)而又得到了一個(gè)故障數(shù)組，命名為數(shù)組2，將數(shù)組1與數(shù)組2進(jìn)行交集運(yùn)算，求得交集數(shù)組3。如果數(shù)組3中有唯一的點(diǎn)，即可以判斷出此點(diǎn)就為故障點(diǎn)。如果數(shù)組3中的元素不是唯一的，則說(shuō)明存在偽故障點(diǎn)，這時(shí)采用在故障線路的首端注入直流信號(hào)（通常注入的是150mA直流信號(hào)），小電流接地系統(tǒng)非故障線路對(duì)直流可視為開(kāi)路，其電流為0；而在故障線路當(dāng)中，當(dāng)直流信號(hào)通過(guò)單相接地故障點(diǎn)時(shí)，將會(huì)與大地形成回路，其電流就不再為零。因此，故障分支與非故障分支便可很容易地分辨開(kāi)來(lái)，利用這一特點(diǎn)即可排除偽故障點(diǎn)，找出真正的故障點(diǎn)。將常用到的幾種定位方法與該綜合定位方法進(jìn)行性能比較。同樣以圖5的配電線路為例進(jìn)行對(duì)比。列入下表1所示：由于在采用交流注入法與直流注入法時(shí)，要沿線路進(jìn)行檢測(cè)，由于設(shè)置線路每個(gè)模塊為2km，因此也每間隔2km檢測(cè)一次，誤差就是2km。如果將檢測(cè)間隔變小，誤差也將變小，但是檢測(cè)次數(shù)將大幅度增加。交流信號(hào)的檢測(cè)依據(jù)是故障線路電流明顯大于非故障線路，故障點(diǎn)前的電流大與故障點(diǎn)之后的電流，如果檢測(cè)到的電流較大說(shuō)明故障點(diǎn)在下游，如果檢測(cè)到的電流較小，說(shuō)明故障點(diǎn)在上游。而直流注入法只需判斷有無(wú)電流即可判斷，因此也就決定了其檢測(cè)次數(shù)要少。由于配電系統(tǒng)的分支眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滿足C型行波法所測(cè)距離L的點(diǎn)可能不只是一點(diǎn)而是多個(gè)，因此就會(huì)存在偽故障點(diǎn)，不能準(zhǔn)確地定位。從表中