10 kV配电网故障在线监测和定位分析

何 毓，顾育滨，薛成颂，秦富云，陈 珍，王 飞

（1.海南电网有限责任公司，海南 海口 570100；2.海南电网有限责任公司琼中供电局，海南 琼中 572900）

0 引 言

在加快城市一体化建设和农村电网改造的大环境和大背景下，我国电力需求日益增高，对供电安全性和供电效率的要求也越来越严格。在大力发展城乡经济的同时，城乡配网改造随着农网和城网改造的进一步深入、电力电缆的广泛投入以及新型配件设备的启用，10 kV及以上高电压等级的建设已基本完备，提升了自动化水平，使得调度管理和运行管理更加规范，大幅降低了配网故障率。通过研究10 kV电网故障暂态信息，分析线路模型的时域测距方法，可将故障暂态到稳态的全过程数据应用于配网电缆故障测距等领域，体现了暂态信息良好的应用价值。本文通过建立线路分布参数电路模型，提出了一种配网电缆单相接地故障双端时域测距的算法，对10 kV配电网故障进行有效的在线监测和精准定位分析，能够很好地保证电力系统安全稳定运行。

1 常见电力电缆故障类型及故障定位方法

1.1 常见电力电缆故障类型

常见10 kV配电网电缆故障类型较多，主要有低阻故障、开路故障以及高阻故障等。低阻故障一般是电缆相间或相对地绝缘较小，不符合电力规范要求而出现线路受损。线路绝缘电阻只有采用低压脉冲法才能监测或测量出。低阻故障的故障电阻一般不大于40 Ω，低于电缆的波阻抗。短路故障是低阻故障的一种特例。当电缆相间或相对地绝缘电阻阻值符合电力规范要求，而终端配电点无线路电压或者终端电压正常无负载能力时，属于开路故障。另外，配电线路中间出现明显断线也会造成配电网络开路故障。对于高阻故障来说，它包括泄露性高阻故障和闪络性高阻故障。

1.2 电力电缆故障监测和定位分析

电力电缆发生故障后，主要通过故障诊断、故障测距（粗测）、精准定点以及故障处理与测试等进行处理。首先，通过故障诊断测量电缆导电和绝缘等性能。其次，检测和判断故障的可能性，判别出故障的配网线，并初步辨识故障类型。再次，通过测量仪器对存在故障的配电线缆加载测试信号，在线测量和分析故障信息，判断故障距离，称为故障测距。最后，在测距基础上，通过感应定点法、声测定点法、同步定点法以及时差定点法等方法，精确测出故障点实际位置，并安排维修人员进行现场抢修[1]。

1.3 电力电缆故障测距方法

目前，对于10 kV配电网电缆故障的故障点定位，通用方法是采用故障定位检测仪和故障指示器进行检测。电缆线路的故障测距方法较多，主要采用离线理论和在线理论，主要方法为阻抗法和行波法。依据数据来源分类，主要分为单端法和双端法。阻抗法分为直流电阻法和电容电桥法，行波法可分为脉冲电压法、低压脉冲发射法、二次脉冲法以及脉冲电流法等。当前由于光纤技术的广泛应用，很多地方采用光纤电缆故障测距法。这种方法目前只应用于高阻接地故障测距，具有操作简单、定位快速以及抗电磁干扰性强等优点。

电桥法主要用于低阻故障测距，是电缆故障测距的经典方法，行波法作为输电线路故障测距的重要方法，应用较为广泛。电桥法和行波测距的理论基础都是将电缆看作一种分布式参数元件，不同的是电桥法把故障线缆与非故障线缆短接，利用调节电位器进行电阻的平衡性测量，而行波法则根据行波到达母线后反射到故障点再由故障点反射到达母线的时间差，或者根据行波初始波头到达两侧母线的时间差进行测距。

根据行波延时原理，基于行波法传统装置又可分为A型测距装置、B型测距装置以及C型测距装置3类。A型测距根据故障点产生的故障行波在测量点和故障点之间往返一次的时间和行波速度来确定故障点的距离。随着研究的深入，许多学者利用测量点测量暂态故障分量产生的行波浪涌与故障点之间反射波的时延实现单端输电线路测距，主要用于测量电缆的闪络性高阻故障和泄漏性故障。B型测距装置利用故障产生的第一个行波波头信号，借助通信通道获取波头到达电缆两端的时间差实现测距。它能够利用GPS定位技术和小波分析技术等先进技术实现精准测量[2]。C型测距装置采用的方法主要有低压脉冲法和二次脉冲法，主要借助脉冲发射装置向离线故障线路发射高压高频或直流脉冲，然后根据高频脉冲从发射装置到故障点往返时间进行测距。

目前，线路测距方面的研究主要集中于线路的数学模型构建，即通过建立的线路数学模型对配电线路故障进行分析测距。只要构建的模型有效和精确，测距结果就会精准。线路模型主要包括线路集中、线路分布参数以及小波分析等数学模型。对于小电流接地故障的定位和监测，主要利用配电线路安装的馈线终端单元（FTU）作为检测点，检测接地故障并与DA主站通信，由主站确定故障点所在的线路区段（DA系统区段定位）。小电流接地故障定位方法又可细分为主动式定位方法和被动式定位方法。主动式故障定位方法通过检测故障线路中加载的特定检测信号的分布状况来确定故障点精确位置。被动式故障定位方法是对故障产生的电压和电流等信号进行特征监测和提取，利用定位算法来确定故障点精确位置。主动式定位法具体主要有信号注入法、中电阻法、零序电流突变法以及传递函数法等。被动式定位方法又可以分为阻抗法、行波法、稳态零序电流比较法、稳态零序无功功率方向法、5次谐波法以及暂态无功功率方向法等。

2 10 kV配网电缆单端测距算法

输电线路出现故障后，电压和电流信号瞬变过程中，因混有衰减直流分量和多变性谐波成分，造成信号产生较为严重的畸变，需要采用数字滤波器及其算法来消除这些畸变的影响，从而提高故障测距的准确度和精准度。本文采用全波傅氏算法，假设数学模型是被采样信号为周期性时间函数[3]。函数表述如下：

式中，A为采样信号中的直流分量，an、bn表示各次谐波的正弦项及余弦项振幅，其中：

式中，N表示采样点数（1个周期内），Xk表示第k次采样值（1个周期），n表示n次谐波。

在10 kV配电电网系统应用中，假设t-1时刻，线路某相K点处出现单相接地故障，则母线故障相电压为短路故障相电压UKφ与线路上的压降和，则有：

式中，φ为A、B、C，代表A、B、C故障相，于是有：

假设出现相间故障，根据上述原理，则可得：

式中，φφ为AB、BC、AC，代表故障两相。

当UKφ=0时，有：

由此能够计算出从母线处或保护安装处到故障点的故障阻抗。分析线路均匀分布阻抗，假设线路长度为L，则故障距离计算为：

式中，Z1表示配电线路总阻抗，z表示单位长度线路阻抗值，则单相接地故障测距计算公式为：

对于相相间短路，则计算公式为：

测量过程难免出现误差，通常误差计算公式为：

式中，L表示配电线路长度，xcalculate表示计算所得的故障距离，xactual表示真实故障距离。

3 仿真分析及结果

利用MATLAB 7.0仿真软件，仿真分析10 kV配电网电缆故障。实际电力配电线路系统较为复杂，为便于研究分析，简化线路结构，建立电缆故障系统模型[4]。某地10 kV主线路段发生短路故障，通过5个测量点故障电流波形仿真分析，如图1所示。

从图1中分析，当某点初始故障电流暂态行波到达测量点时间是：T1=6.8 μs，T2=10.9μs，T3=19.3 μs，T4=28 μs，T5=27.3 μs。可见，最先到达第一个测量点的时间为6.8 μs。以第一测量点为参考点，利用第1、2测量点所在线路计算故障点大致位置D，计算方法如下：

按此计算方法可分别计算出测量点1到其他测量点的距离，按照式（11）进行误差分析，误差值为3～5 m，最终选取测量最大值，从而精确定位故障位置D=2 km处（距离测量基准点1）。

图1 1～5测量点电流波形分析

4 结 论

城乡一体化快速发展，农村电网改造尤其是10 kV配电网应用较为普遍，促使电力电缆应用日益增多，用电负荷持续增长，电网线路故障率高。因此，快速判断配电网故障类型和故障点位置，及时安排电力人员及时修复以恢复电网安全和高效运行成为难点。本文系统分析故障类型以及故障监测和定位方法，利用行波传输特点进行故障电流计算分析，最终可精准测量出故障位置。