暂态原理接地故障自愈技术研究与应用

暂态原理接地故障自愈技术研究与应用

蒙小胖，梁泓泉，于波，田浩，杨晓峰

陕西省地方电力（集团）有限公司宝鸡供电分公司，陕西 宝鸡 722400

摘要：本文面向中性点不接地与消弧线圈接地系统配电线路接地故障自愈开展研究，采用理论研究、设备制造以及示范验证技术路线。

首先对配电线路接地故障暂态零序电流方向分布特征开展研究，为实现接地方向保护提供理论依据。在此基础上开展暂态零序电流方向保护的算法研究，根据配电线路实际情况提出进行保护配合方法。然后开展保护控制一体化设备研制，根据暂态接地方向保护算法实现接地保护功能。最后进行系统测试，建设示范工程验证暂态原理接地故障自愈技术的可行性。

关键词：小电流接地故障；暂态零序电流方向；暂态接地方向保护算法；自愈技术

Researches and Applications on Self-healing Technology of Transient Grounding Fault

Meng Xiaopang，Liang Hongquan, Yu Bo, Tian Hao, Yang Xiaofeng

(Baoji Power Supply Branch of Shaanxi Provincial Local Electricity (Group) Co. , Ltd., Baoji, Shaanxi 722400)

Abstract: This article focuses on the self-healing researches of distribution line grounding fault in neutral non-grounding and arc suppression coil grounding system, adopting theoretical research, equipment manufacture and demonstration technical route.

It firstly studies the distribution characteristics of transient zero-sequence current direction of distribution line grounding fault, and provides theoretical foundation for realizing grounding direction protection, on basis of which protection algorithm researches of transient zero-sequence current direction has also been carried out. According to the actual situation of distribution line, it puts forward protection coordination method. Then it aims to develop protection-control integrated equipment and realize grounding protection functions based on the protection algorithm of transient grounding direction. It finally conducts system testing and builds demonstration projects to verify the feasibility of transient grounding fault.

Key Words: Non-solidly Grounding Fault, Transient Zero-sequence Current Direction, Protection Algorithm of Transient Grounding Direction, Self-healing Technology

引言

我国配电网中性点广泛采用不接地或经消弧线圈接地方式，其单相接地故障占到故障总数的80%以上。目前，我国对智能电网技术的研究与应用更多地集中在电能的远距离传输、新能源发电的消纳以及短路故障处理与运行效率上，而对接地故障（不接地或经消弧线圈接地方式）自愈技术研究不够，现场没有可靠地、合理地接地故障解决方案，主要通过人工巡线或逐段拉路方法确定故障点，带来了非故障区段用户短时停电、故障查找处理时间长等问题，而且耗费大量的人力物力。部分变电站接地故障选线装置原理上有缺陷，正确选线率低；配网自动化系统一般不具备小电流接地故障隔离功能，主要依赖录波型故障指示器实现故障定位，可靠性差。

接地故障得不到及时处理，线路带接地点长期运行，产生的过电压容易导致非故障相绝缘击穿，引发两相接地短路故障、电缆沟着火等扩大性事故，造成大面积停电；不能在人体触电时及时断电，终止对触电者的伤害；不能及时切除导线坠地与树闪故障，消除触电隐患。现代传媒的发展，特别是微信等社交媒体的出现，使一些接地故障引起的停电事故、触电事故广泛迅速地传播，在社会上引起极大反响。基于上述原因，本文通过分析中性点不接地和经消弧线圈接地配电网接地故障暂态零序电流[1-2]方向特征，采用暂态零序电流方向法检测接地故障方向，提出了基于特点频带内暂态零模电压[3-4]导数与电流极性比较的接地方向时序配合方法。实现接地故障自愈理论，在此基础上，研制一体化保护设备、建设示范工程，验证暂态原理接地故障自愈技术的可行性。

1.小电流接地故障暂态零序电流方向特征分析

中压配电网的高阻故障主要是配电线路触碰树枝、人体触电以及导线坠地引起的。10kV不接地系统与谐振接地系统在发生1kΩ的高阻接地故障时的故障零序电压幅值将分别是1.5kV与6.2 kV；而对于10kV小电阻接地与不接地系统来说，因其系统零序阻抗较小，故母线零序电压皆几乎为零。

以上分析可见，故障电压与电流的幅值大小主要与系统对地零序阻抗及过渡电阻的大小有关，系统对地零序阻抗与故障过渡电阻增大都将引起故障工频电流的减小，而母线零序电压的大小则随系统对地零序阻抗[5]的增大而增大，随故障过渡电阻的增大而减小。高阻接地的故障电流较小，高阻故障发生时，谐振接地系统[6]与不接地系统的系统母线零序电压较大；而小电阻接地系统母线零序电压很小；直接接地系统的母线零序电压则接近于零。根据分析，忽略配电线路电阻，得出中性点不接地配电网小电流接地故障暂态零序等效网络如图1（a）所示，其中 为故障点零序虚拟电压源，数值上等于故障点暂态零序电压[6]；非故障线路（包括故障点后的一段线路）用一电容来等效。

由图1（a）可以看出，故障线路的暂态零序电流由线路流向母线，而非故障线路的暂态零序电流方向与此相反，由母线流向线路。由于非故障线路出口暂态零序电流为本线路对地分布电容电流，而故障线路出口暂态零序电流为其背后所有非故障线路暂态零序电流之和，即一般而言故障线路暂态零序电流幅值大于所有非故障线路。

由于故障点两侧线路的参数和频率特性相差较大，可认为故障点两侧的暂态过程相互独立。即，上游谐振过程由故障点到母线区间和所有健全线路共同产生，下游暂态过程仅由故障点到末端区间线路和负荷产生。对于故障区段来说，上游端部开关的暂态零序电流流向母线，其数值等于故障区段与母线之间的线路对地电容电流与除故障线路外系统的对地总电容电流之和；下游端部开关的暂态零序电流流向下游线路，其数值上等于故障区段下游线路对地电容电流，因此，故障区段两端开关的暂态零序电流极性相反、幅值与波形有很大的差异。

（a） （b）

图1小电流接地故障暂态零序网络等效网络

（a）中性点不接地配电网；（b）谐振接地配电网

图1中， 故障点与母线间线路对地电容， 故障点下游线路对地电容， 、 分别为非故障线路Ⅱ对地电容、非故障线路Ⅲ对地电容， 母线及其背后电源对地电容， 为消弧线圈电感。

实际小电流接地故障的暂态量包含从直流到数千赫兹的丰富频率分量。在一选定频带（SFB-Selected Frequency Band）内的暂态量[7]（称为SFB分量），不论是中性点不接地还是谐振接地配电网，都可以用图1（a）所示的零序等效网络来分析小电流接地故障暂态零序电流的分布特征，即故障线路暂态零序电流幅值最大且方向与非故障线路相反、故障区段两端开关的暂态零序电流极性相反且幅值与波形由很大的差异。因此，利用暂态零序电流SFB分量的方向或幅值特征进行故障检测，其判据也是严格成立的。

2.暂态零序电流方向计算方法

对于工频分量，一般是比较电压与电流的相位关系检测电流的方向。而小电流接地故障暂态电压与电流量包含了较大范围内的连续频谱信号，无法用传统办法判断电流方向。

2.1暂态零序电流极性法

根据图1，对于非故障线路j，暂态零序电压与电流信号u0(t)、ij0(t)满足关系

式中，Cj0为非故障线路电容。

忽略消弧线圈的影响，故障线路k的暂态零序电压u0(t)和电流ik0(t)满足关系

式中，Cb0为所有非故障线路电容与母线及其背后系统分布电容之后和。

可见，以暂态零序电压的导数为参考，检测暂态零序电流的极性就能检测暂态零序电流的方向，实现故障选线：故障线路上暂态零序电流与零序电压的导数始终反极性，非故障线路暂态零序电流与零序电压的导数的始终同极性。对暂态零序电压求导，其与故障线路的暂态零序电流间的极性关系如图2所示，可见二个波形始终反极性，避免了电流与电压极性关系在第一个半波后就变为相同的情况，因此，比较暂态零序电流与零序电压的导数可以克服首半波法选线原理只在首半波内有效的缺陷。

图2暂态零序电压导数与故障线路暂态零序电流的极性关系

定义某出线m暂态零序电流 和零序电压 方向系数为

式中， 为暂态过程持续时间。

如果 ，则 与 同极性，判断为非故障线路；如果 ，则 与 间反极性，判断为故障线路。

暂态零序电流极性法解决了首半波法[8]仅能利用首半波信号的问题，具有更高的灵敏度与可靠性。它仅利用母线零序电压与本线路的零序电流信号，不需要其它线路的零序电流信号，具备自具性，可以将其集成到配电线路短路保护装置中，也可以用于配电网自动化系统终端中实现小电流接地故障的方向指示和故障区段定位。

2.2暂态无功功率方向法

定义出线m的暂态无功功率为暂态零序电压 的Hilbert（希尔伯特）变换 与其暂态零序电流 的平均功率为

如果 ，则暂态无功功率流向线路，判断为非故障线路；如果 ，则暂态无功功率流向母线，判断为故障线路。

Hilbert变换是一种数字滤波处理方法，它可以将信号中所有频率分量的相位移动一个固定的相角。

对于工频分量，一般是比较电压与电流的相位关系检测电流的方向。而小电流接地故障暂态电压与电流量包含了较大范围内的连续频谱信号，无法用传统的比较电压与电流的相位关系判断电流方向。利用暂态零序电流极性或暂态无功功率方向法计算赞天零序电流方向，解决了首半波法仅能利用首半波信号的问题，具有更高的灵敏度与可靠性。

3暂态原理接地故障自愈实现方案

3.1实现原理

根据前面的分析，暂态零序电流方向计算方法仅比较利用暂态零模电压与本线路零模电流[8-9]判别故障方向，不需要其它线路的零模电流信号，具有自具性。可以用于线路上开关上检测接地故障的方向，实现接地故障自愈。

小电流接地系统发生单相接地故障时，故障点上游的暂态零序电流方向相同，均流向母线；故障点下游和非故障线路暂态零序电流方向与故障点上游相反，均流向线路，如图3所示。根据开关处暂态零序电流的方向，即可判断故障点的方向。

线路出口断路器与线路分段开关、分支开关、分界开关配置暂态原理接地故障方向保护，检测到接地故障方向为正时保护启动，通过阶梯时限配合就近切除接地故障。

图3 暂态零序电流分布特征

3.2暂态方向保护的配置与整定

配电线路接地故障多级保护系统由安装在变电站的接地故障保护装置（为实现故障自愈的完整性，本部分将变电站出线开关接地保护装置纳入分析）、线路上具有接地方向保护功能的分段开关与分支开关、分界开关构成。线路上分段开关与分支开关、分界开关采用内置零序电流互感器的一二次融合开关[10]，有的开关还内置了基于电容分压原理的零序电压传感器，如果开关没有内置零序电压传感器，则外接零序电压传感器[11-12]。开关配套的配电终端具有接地方向保护功能，采用暂态原理检测接地故障方向。

变电站接地故障保护装置与线路开关的配电终端在检测到接地方向为正方向时启动，通过阶梯式动作时限配合，由故障点相邻的上游开关动作，实现接地故障的快速就近隔离。接地保护的动作时限根据开关所处的位置整定，末级分界开关接地保护的动作时限选为2s（躲过瞬时性接地故障），其他开关保护的动作时限均比下游相邻开关的最大动作时限大一个时间级差Δt（选为0.5s）。

以图4所示配电线路（图中仅给出了两个分支线路）为例，线路出口断路器QF，主干线路开关Q1、Q4，分支线路开关Q2与Q5，以及分界开关Q3与Q6都部署了接地保护。分界开关接地保护动作时限选为2s；分支线路开关Q2与Q5的动作时限增加一个时间级差，设为2.5s；主干线路开关Q4接地保护的动作时限比Q5增加一个时间级差，设为3s；Q1接地保护的动作时限比Q4增加一个时间级差，设为3.5s；出口接地保护的动作时限则设为4s。按照这样的动作时限配合方案，在线路上k1处发生接地故障时，Q7跳闸切除故障；k2处故障时，Q2跳闸；k3处故障时，Q1跳闸；实现了保护的有选择性的动作。

图4 接地故障多级保护动作时限配合示意图

为提高供电可靠性，架空线路上接地故障多级方向保护[13-14]应配置一次重合闸。实际接地故障保护动作统计结果表明，架空线路接地故障重合闸成功率接近60%。这说明部分电弧不能自行熄灭的接地故障，在跳闸切除故障后再送电可以恢复正常运行。

3.3配电环网线路多级保护技术应用

上面研究的接地方向保护动作时限整定，适用于放射形配电线路。对于有联络电源的环网线路，在由联络电源供电时，因为供电方向发生了变化，在本侧线路上发生接地故障时，上面的分段开关无法按照设定的动作时限配合切除故障。这种情况下由联络开关动作切除故障，通过与分段开关的动作逻辑配合，恢复联络开关下游非故障区段的供电。如图5所示单联络线路，变电站M侧线路上第一个线路区段因检修退出运行，出线断路器CB1处于分位，联络开关Qt处于合位，本侧线路由N侧变电站供电。如在开关Q1与出线断路器CB1之间的线路上k处发生接地故障，联络开关Qt检测到接地故障在其供电方向的下游，2.5s后保护动作切除故障，经设定的时限重合闸；开关Q1、Q2因失电后检测到接地故障加速跳闸[15]。Q2因一侧带电首先重合闸，Q2合闸后Q1检测到来电后合闸，如故障是永久性的，Q1加速跳闸隔离故障，恢复Q1与Qt之间的线路供电。

图5 联络电源供电的环网线路

在联络开关处于分位的正常运行状态下，当本侧主干线路上的接地故障被就近隔离时，联络开关检测到一侧线路失压合闸，采用前面介绍的动作逻辑，可以恢复非故障区段的供电。如图6所示的单联络环网，k1点永久性故障时，CB1在4s后保护跳闸切除故障；联络开关Qt在检测到一侧失压后合闸，Q1与Q2失电后检测到接地故障加速跳闸切除故障；Q2首先重合闸，Q1检测到来电后延时1s重合闸，重合到故障加速跳闸切除故障；Q2维持合闸状态，Q1下游线路恢复供电。k2点永久性故障时，Q1在3.5s后保护跳闸切除故障；联络开关Qt在检测到一侧失压后合闸，Q2失电后检测到接地故障加速跳闸切除故障，然后重合闸，再次重合到故障上加速跳闸，Q2下游线路恢复供电。k3点永久性故障时，Q2在3s后保护跳闸切除故障；联络开关Qt在检测到一侧失压后合闸，其接地保护延时2.5s动作切除故障。

图6 单联络环网线路

3.4电缆线路多级方向保护技术应用

电缆环网线路多级方向保护与架空线路应用类似。环网柜进线开关、出线开关、分界开关配置暂态接地方向保护，检测到接地故障方向为正时保护启动，通过阶梯式时间配合就近切除接地故障。

由于联络开关一般仅测量母线电压，无法进行备投，故障点下游非故障区段的恢复供电，由集中型配网自动化系统完成。保护动作时限整定原则：最末级（分界开关）保护动作时限2s（可设定），时间级差0.5s。时限配置如图7所示。

图
7 电缆线路暂态方向保护动作时间配置示意图

k1点故障，分界开关Q24在2s后跳闸；k2点故障，出线开关QL13在2.5s后跳闸。

k3点故障，进线开关QL21在3s后跳闸；k4点故障，进线开关QL12在3.5s后跳闸；

k5点故障，进线开关QL11在4s后跳闸；k6点故障，变电站出线开关QF在4.5s后跳闸。

k4～k6点故障时，故障点下游非故障区段的恢复供电由集中型配网自动化完成。

3.5电缆线路多级方向保护技术应用

电缆环网线路多级方向

4.结论

暂态原理检测小电流接地故障，不受消弧线圈的而影响，能够同时应用于中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统。通过暂态方向保护多级时限配合，实现接地故障选择性就近隔离，不需要主站与通信，实现简单、可靠。

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