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>基于新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)的
饋線單相接地故障區(qū)段定位和隔離方法夏雨1，賈俊國(guó)2，靖曉平3，胡正民3，王章啟1（1．華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074；
2．國(guó)電公司農(nóng)電工作部電力處，北京100031；
3．湖北省電力局，湖北武漢430077）摘要：針對(duì)配電網(wǎng)饋線單相接地故障定位隔離問(wèn)題，提出采用具有測(cè)量和遠(yuǎn)程通信功能的新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)構(gòu)成分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)一條饋線上各開(kāi)關(guān)處的零序電流和零序電壓，計(jì)算由區(qū)段的各端點(diǎn)流入該區(qū)段的零序電流的相量和（即流入?yún)^(qū)段零序電流），以識(shí)別故障區(qū)段，判斷此饋線故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)段的快速隔離的新原理。文中亦簡(jiǎn)要介紹了新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)的特性。此故障定位方法適用于各種中性點(diǎn)接地系統(tǒng)；理論上不受接地點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響。matlab仿真結(jié)果證明原理分析正確，此故障定位方法具有實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：饋線自動(dòng)化；零序電流；故障區(qū)段定位；單相接地1引言
我國(guó)的配電網(wǎng)屬于中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地雖不形成短路回路，但有引發(fā)嚴(yán)重繼發(fā)事故的可能性，必須迅速地查找出故障區(qū)段。
現(xiàn)有的單相接地故障選線方法可以分為三大類(lèi)：采用基波或諧波零序電流、零序能量的大小和方向?qū)崿F(xiàn)故障選線[1~4]，基于負(fù)序電流故障選線方法[5]，檢測(cè)注入異頻信號(hào)的故障選線方法[6]?；谝陨戏椒ǖ谋Ｗo(hù)裝置大多集成于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，一般需采集并比較各出線開(kāi)關(guān)處的電量信息，才能確定單相接地故障線。
在饋線上安裝具有測(cè)量和通信功能的新型配電開(kāi)關(guān)，能獲取大量的線路電量信息，為新方法的采用提供了可能[7,8]。本文提出的新方法只需測(cè)量一條饋線上各開(kāi)關(guān)處的零序電流和零序電壓，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)此饋線單相接地故障判斷和區(qū)段定位。采用此方法，在單條饋線上的新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)間建立通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)可獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)此饋線單相接地故障區(qū)段的定位和快速隔離功能。
2新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介
新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)具有以下特性：
（1）出線開(kāi)關(guān)具有開(kāi)斷短路故障電流的能力，線路分段開(kāi)關(guān)具備開(kāi)斷正常工作電流的能力。
（2）出線開(kāi)關(guān)、線路分段開(kāi)關(guān)具有三相電流電壓傳感器（一體化電壓電流傳感器已在作者的配電開(kāi)關(guān)試驗(yàn)樣機(jī)中成功應(yīng)用），以獲取三相電流、電壓信號(hào)。
（3）出線開(kāi)關(guān)、線路分段開(kāi)關(guān)具有以高性能單片機(jī)為核心、有遠(yuǎn)程通信接口的控制器，該控制器具有相應(yīng)的硬件接口電路將三相電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為零序電壓、零序電流信號(hào)。
在由上述配電開(kāi)關(guān)構(gòu)成的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中，出線開(kāi)關(guān)、各線路分段開(kāi)關(guān)之間的通信聯(lián)系不受開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)的影響。
3流入?yún)^(qū)段零序電流分析
以兩條出線的小配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，兩出線均分為三個(gè)區(qū)段。設(shè)系統(tǒng)的e區(qū)段某處c相發(fā)生單相接地，零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1。圖中節(jié)點(diǎn)1、4為出線斷路器，節(jié)點(diǎn)2、3、5、6為線路分段開(kāi)關(guān)；ZN為中性點(diǎn)接地元件等效阻抗（對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)ZN=∞），R為接地點(diǎn)過(guò)渡電阻；為系統(tǒng)零序電壓，為流過(guò)各節(jié)點(diǎn)的零序電流，為流過(guò)各區(qū)段單相對(duì)地電容的電流，為流入故障點(diǎn)的零序電流。
記由i區(qū)段的各端點(diǎn)（開(kāi)關(guān)）流入i區(qū)段的零序電流的相量和為其為同一電流參考方向下，流過(guò)區(qū)段i的電源側(cè)節(jié)點(diǎn)的零序電流與流過(guò)區(qū)段i的所有負(fù)荷側(cè)節(jié)點(diǎn)的零序電流之差。如下式所示。流入各區(qū)段零序電流矢量示意如圖2。由圖2可知，流入非故障區(qū)段零序電流超前零序電壓90。流入故障區(qū)段零序電流的相位特征與系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式有關(guān)：NUG（中性點(diǎn)不接地）系統(tǒng)中滯后零序電壓90；NRG（中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地）系統(tǒng)中流入故障區(qū)段零序電流含有功分量；在NEG（中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地）系統(tǒng)中，由于消弧線圈的電阻分量，且消弧線圈一般并聯(lián)電阻或串聯(lián)電阻運(yùn)行，流入故障區(qū)段零序電流含有一定的有功分量。
由式(1)、(2)可知，流入各區(qū)段零序電流的幅值之比與接地點(diǎn)過(guò)渡電阻R無(wú)關(guān)；流入各區(qū)段零序電流與零序電壓的相位差與R無(wú)關(guān)。故障區(qū)段的識(shí)別可以依據(jù)流入?yún)^(qū)段零序電流的幅值和相位特征實(shí)現(xiàn)。
4單相接地故障定位方法
4.1流入?yún)^(qū)段零序電流幅值判據(jù)
由于流入故障區(qū)段零序電流的幅值必為故障饋線上流入各區(qū)段零序電流幅值的最大值，本方法中采用饋線上的流入各區(qū)段零序電流幅值的最大值I0max與流入其余區(qū)段零序電流幅值的均值之比KM來(lái)判斷饋線是否發(fā)生單相接地故障，由式(1)、(2)可知KM與接地點(diǎn)過(guò)渡電阻R無(wú)關(guān)。
已知饋線M分為nM段，最長(zhǎng)區(qū)段的長(zhǎng)度為其他區(qū)段長(zhǎng)度均值的dM倍。若接地故障點(diǎn)不在饋線M上，即饋線上的區(qū)段都處于健全狀態(tài),，KM僅與此饋線各區(qū)段對(duì)地電容有關(guān)，則KM≈dM；若接地故障點(diǎn)在饋線M上，I0max對(duì)應(yīng)故障區(qū)段，，則
由上述分析，可依據(jù)下式對(duì)饋線M是否發(fā)生單相接地故障進(jìn)行判斷，若KM滿足下式，則故障發(fā)生在饋線M上，I0max對(duì)應(yīng)區(qū)段為故障區(qū)段。
式中KK為可靠系數(shù)，Kk應(yīng)根據(jù)IF0/max(Ioci)取值?？紤]到目前的10kV配電網(wǎng)大多滿足單相金屬接地故障電流大于2A，饋線的最長(zhǎng)區(qū)段小于5km的條件；對(duì)于上述電網(wǎng)中的饋線，均有（電網(wǎng)單相金屬接地故障電流相對(duì)于饋線上最長(zhǎng)區(qū)段電容電流的倍率等于IF0/max(Ioci)，則KK可取定值3。
對(duì)于不滿足條件的電網(wǎng)，可以適當(dāng)放寬對(duì)系統(tǒng)單相金屬接地故障電流的限制，或適當(dāng)縮短線路區(qū)段的長(zhǎng)度，并結(jié)合相位判據(jù)實(shí)現(xiàn)饋線單相接地故障定位和隔離。
4.2流入?yún)^(qū)段零序電流相位判據(jù)
設(shè)夾角為i，對(duì)NUG系統(tǒng)依據(jù)式(4)，對(duì)NRG、NEG系統(tǒng)依據(jù)式(5)識(shí)別單相接地故障區(qū)段：
工程中可采用幅值判據(jù)與相位判據(jù)相結(jié)合的故障判斷方法，其中以相位判據(jù)為輔助判據(jù)。為了提高系統(tǒng)的保護(hù)精度，要適當(dāng)放寬對(duì)系統(tǒng)單相金屬接地故障電流的限制：對(duì)于電容電流規(guī)模較小的配電網(wǎng)，建議改為高阻接地方式；對(duì)于電容電流規(guī)模較大的配電網(wǎng)，建議改為消弧線圈并電阻接地方式，保證單相金屬接地故障殘流在5～10A，這樣既能使瞬時(shí)接地故障電弧自動(dòng)熄滅，又能使永久接地故障被準(zhǔn)確定位。
5故障定位隔離過(guò)程
設(shè)某饋線M上有nM個(gè)配電開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)間已建立通信網(wǎng)絡(luò)。
（1）各開(kāi)關(guān)對(duì)零序電壓、零序電流的當(dāng)前采樣值按遞推DFT算法[9]計(jì)算；
（2）計(jì)算相鄰兩周波零序電壓變化量的有效值，判斷是否大于10Up，作為判斷接地故障發(fā)生的前提判據(jù)[5]；
（3）采用零序電流突變量保護(hù)，計(jì)算故障前后流過(guò)各開(kāi)關(guān)的零序電流突變量，分別為各開(kāi)關(guān)的零序電流計(jì)算值在該開(kāi)關(guān)的零序電壓計(jì)算值方向上的投影△(I0jcosj)(記與夾角為j)和在-j方向上的投影△(I0jcosj)，依據(jù)流入各區(qū)段零序電流和流過(guò)各開(kāi)關(guān)零序電流i0i的函數(shù)關(guān)系，求出流入各區(qū)段零序電流突變量△在方向上的投影△(I0icosi)(記與△夾角為i)，在-j方向上的投影△(I0icosi)，進(jìn)而求出△的幅值I0i和cosi、cini。
（4）求取各區(qū)段I0i的最大值I0max和KM，以式(3)作為主要判據(jù)；若滿足，依據(jù)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式，對(duì)I0max對(duì)應(yīng)的i采用式(4)或式(5)作為輔助判據(jù)；若兩判據(jù)均滿足，則判斷饋線M發(fā)生單相接地故障，故障區(qū)段為I0max對(duì)應(yīng)的區(qū)段，與故障區(qū)段端點(diǎn)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)分閘閉鎖隔離故障。
6仿真分析
運(yùn)用Matlab的simulink工具箱對(duì)某配電網(wǎng)進(jìn)行了仿真，系統(tǒng)描述如下：
10kv系統(tǒng)中，ZN為中性點(diǎn)接地元件等效阻抗；系統(tǒng)所有出線均為架空線，其中一條出線M分為3個(gè)區(qū)段La=2km，Lb=3km，Lc=1km，則根據(jù)饋線M的各區(qū)段長(zhǎng)度，得dM=2。
（1）系統(tǒng)1為中性點(diǎn)不接地方式(ZN=∞)，架空出線總長(zhǎng)為18km。
（2）系統(tǒng)2為中性點(diǎn)高阻接地方式，ZN=RN=2000W[10]（實(shí)際上RN愈小，愈有利于故障定位），架空出線總長(zhǎng)為81km。
（3）系統(tǒng)3為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，ZN=6000 j345.4W，架空出線總長(zhǎng)為506km。
上述3個(gè)系統(tǒng)中，饋線M的最長(zhǎng)區(qū)段b為3km。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)1的出線總長(zhǎng)與區(qū)段b長(zhǎng)度的比值為6，約等于系統(tǒng)1單相金屬接地故障電流相對(duì)于區(qū)段b電容電流的倍率，因此KK可取為3；由于系統(tǒng)2、系統(tǒng)3的單相金屬接地故障電流大于系統(tǒng)1，KK亦可取為3。
對(duì)NUG系統(tǒng)1中饋線M的區(qū)段b發(fā)生單相接地故障，接地點(diǎn)過(guò)渡電阻R=5W的情況仿真，流入各區(qū)段零序電流如圖3。圖中流入故障區(qū)段b零序電流i0b與流入健全區(qū)段零序電流i0a、i0c幅值差異明顯，相位相反。
當(dāng)系統(tǒng)1、2、3中單相接地故障發(fā)生在線路M的b區(qū)段時(shí)，對(duì)R=5W、R=2000W、單相接地故障發(fā)生在其他線路的情形分別進(jìn)行仿真，所有仿真結(jié)果匯總?cè)绫?。由仿真結(jié)果可知，在接地點(diǎn)過(guò)渡電阻R=5W和R=2000W的情況下，KM和I0max對(duì)應(yīng)的jb僅有微小變化，運(yùn)用流入?yún)^(qū)段零序電流的幅值、相位特征可以準(zhǔn)確判斷單相接地故障區(qū)段，此方法具有很強(qiáng)的抗接地過(guò)渡電阻能力。7結(jié)論
（1）采用具有測(cè)量、遠(yuǎn)程通信功能的新型配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)，為新的饋線單相接地故障定位方法的應(yīng)用提供了可能。
（2）流入故障區(qū)段零序電流與流入故障點(diǎn)的零序電流大小近似相等，流入健全區(qū)段零序電流與該區(qū)段單相對(duì)地電容電流相等；且流入故障區(qū)段零序電流具有不同于流入健全區(qū)段零序電流的相位特征。流入各區(qū)段零序電流之比、流入[1][2]下一頁(yè)