10 kV中压配电网单相接地故障有源诊断技术

施冬明，聂 鼎，徐肖伟，周 昊，李富祥，陈 余

（1.云南电网有限责任公司 怒江兰坪供电局，云南 怒江 673200；2.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 650011；3.云南电网有限责任公司 西双版纳勐海供电局，云南 西双版纳 666200；4.云南电网有限责任公司 临沧临翔供电局，云南 临沧 677000；5.云南电网有限责任公司 大理供电局，云南 大理 671000）

1 10kV配电网单相接地故障的特征及不良影响

1.1 单相接地故障的特征

单相接地故障是10 kV中压配电网中较为典型的故障，其发生与天气特性密切相关，晴朗天气时发生概率相对较低，降雨或风力超六级等极端天气时发生概率较高[1]。小电流接地系统运行期间，若存在单相接地故障，对地电压将大幅度降低（通常降幅可以达到70%以上），而非故障相的相电压则有较明显的提升（增幅40～80%），故障电流相对较小，可以持续向用户供电1～2 h。但随着时间的推移，若缺乏行之有效的处理措施，则容易破坏供电系统的稳定性，导致其他电力设备也发生故障[2]。

1.2 单相接地故障的不良影响

单相接地故障发生时，电网伴有较为明显的间歇性弧光接地和谐振过电压问题，线路绝缘子被击穿，短路事故的发生概率明显增加，配电变压器等周边配套设施有烧毁的可能。通常，因单相接地故障而诱发的检修停电主要表现为单条线和分支线两个层面，如果未能及时处理该故障，则会在较短时间内显著扩大影响范围，不利于周边生产经营活动的顺利开展，同时也会阻碍供电企业的日常工作进程。因此，相关技术人员必须准确认识单相接地故障，在查明原因的基础上采取针对性的处理措施，以切实解决问题，将不良影响降到最小。

2 选线方法分析

中性点非直接接地系统普遍为经消弧线圈接地或不接地系统，在该方式下若出现单相接地故障，则故障点的信号将明显减小，又因为其抗干扰能力不足，加之降雨等外部环境的影响，所以障信号会失真，因此该条件下取得的故障判断结果缺乏准确性[3]。

小电流接地系统的中性点不直接接地，在此方式下若系统运行期间存在单相接地故障，将不会形成闭环短路路径，此外还伴有极为明显的接地电阻偏大和电流信号微弱等问题，此时不利于高效采集信号[4]。

若采取单稳态信号的选线方法，则难以完成接入消弧线圈接地的选线工作，并且运行线路结构和外部环境等因素均会对选线工作的正常开展造成影响。而电流谐波的选线方法，则可以较好地规避消弧线圈造成的不良影响，但高次谐波分量较小，选线过程中负荷自身谐波和过渡电阻均会对其造成影响，实际效果差强人意。暂态电气量也是一种选线方法，其融合了小波理论和神经元算法等，但较之稳态信号，其容易受到不平衡电流和过渡电阻的干扰而发生误判[5]。

相比于上述的几种方法，有源信号注入法具有更为明显的应用优势，其根据线路的特点在该处安装信号源装置，系统维持正常运行状态时可以监测系统的电压。若由于某方面原因而出现单相接地故障，自动控制信号源内部开关设备投切，可以精准确锁定故障所在的线路区段，进而判断该部分的电流信号序列，具有较显著的参考价值。

3 有源信号注入法的基本原理

若存在单相接地故障，系统会产生具有显著可辨识性的阻性电流波动，但接地系统的非接地部分并无该阻性电流流过的情况。此时将关注点转至配电终端，通过CT便可以识别该阻性电流，由此精准定位故障，对其采取切除等处理措施。

将信号源安装至线路母线处，每段母线分别安装1台，供各终端检测注入信号使用，以监测线路电压和零序电压等关键参数。若线路存在接地故障，此时可以收集系统的参数作为判据条件，据此对单相接地故障做出较准确的判断。当接地故障的时间达到设定值后，系统将自动投切单相操作开关，发送电流信号序列，按照故障相→接地点→大地的顺序发生流动，最后回归至信号源工作地。在该流程中，无论是故障点还是非故障线路，均无信号流过。

接地故障发生后，若未及时做出相应的响应，系统则会相继自动投切单相操作开关，并发送电流信号序列，该部分注入电流信号将与线路自带的电流信号发生叠加而形成强度更大的故障信号，有利于故障的判断，可以较好地保证故障判断结果的准确性。

在配电线路上适配配电终端来接收注入信号和电流信号，在此操作的基础上可执行解码和拓扑分析操作，从而精准识别故障的实际发生点位。以预先设定的FA策略为主要依据，配电终端可以操控开关，高效处理故障，并且设备还能实时采集故障信息，并将其传送至后台主站，运维人员接收后可以对其展开分析。

4 单相接地故障有源诊断技术

本次分析重点考虑对等通信方式和时间级差方式，通过描绘故障处理的过程，强化对单相接地故障的认识，提高处理水平。

4.1 对等通信方式

对等通信方式下系统配置情况如图1所示。

图1 对等通信方式下系统配置图

4.1.1 基本特点

在变电站母线处适配信号源，在该配套方式下，母线的出线可共享信号源装置，充分发挥该装置的应用优势。自动化开关配套单侧三相五柱式电压互感器，以满足线路零序电压信号的采集要求。具体配备的是A、C及O，3只电流互感器彼此协同运行，高效采集电流信号。各自动化开关分别适配1台智能配电终端，并根据各终端的特点在彼此间利用匹配光纤通信的方式来高效交互信息。断路器和复合开关均可以独自处理单相接地故障。

4.1.2 处理流程

若在F2和F3间存在单相接地故障，则线路的相电压和零序电压均存在一定程度的变化，布设在线路的信号源装置会向线路注入阻性电流信号。故障点前的F1和F2可以较为高效地测定特殊编码信号，而此期间的F3和F4则无法检测该信号。在相互通信的沟通机制下，可以确定故障所处位置为F2之后或F3之前，根据该结果将F2开关跳闸，高效隔离故障点，切断故障的影响路径。

基于光纤通信，故障信息可以被快速传输至后台主站系统，相关工作人员可以根据需求及时查询，准确掌握故障处理情况，全面了解总体状况。

4.2 时间级差方式

关于时间级差方式所对应的系统配置情况，如图2所示。

图2 时间级差方式下系统配置图

4.2.1 基本特点

在变电站各段母线处安装信号源，位于该母线的各出线均可以共用该信号源装置。为自动化开关配套单侧三相五柱式电压互感器，通过该装置采集线路零序电压信号。硬件装置方面，配置A、C以及O这3只电流互感器，从而高效采集线路电流信号。为自动化开关配套具有三遥功能和逻辑功能的智能配电终端，可实现就地判断。依托于时间级差实现保护的选择性，从线路末端向前的时间具有逐步递减的变化特点，级差为5 s，对应于各分支线路的开关零序保护动作时间为0 s。

4.2.2 分析过程

引入10 kV单电源辐射型线路，描述故障处理的关键思路及具体要点。F3点后发生单相接地故障将迫使线路的运行状态发生变化，即相电压和零序电压均有波动，布设在线路的信号源装置将会向线路注入阻性电流信号。位于故障点前的F1、F2及F3均具备快速检测的功能，可准确确定脉冲信号和零序电压两项指标的具体内容。F3检测故障脉冲时有延迟10 s的动作，期间开关分闸，经此操作后可精准隔离故障部位。在F3开关的作用下，可以隔离故障点，保证其他无故障部位的独立性。F1和F2开关均能快速检测到零序电压的消失，此时分闸功能返回，整个线路维持正常运行的状态。对于分支处的故障，该处的保护动作为0 s，在检测到特殊编码信号后会触发分支开关，使其直接跳闸，从而高效分隔故障。

5 结 论

文章以10 kV中压配电网单相接地故障特征为切入点，经对比分析后选用有源信号注入的方法，展开有关单相接地故障的检测与分析，以进一步促进相关故障的应对处理，从而为相关人员提供帮助。