基于波形的10 kV 配网单相接地故障区段定位技术

曲 晓

（国网山东省电力公司 龙口市供电公司，山东 烟台 265701）

0 引 言

单相接地短路是配电网发生率最高的一种故障类型，国内10 kV 配电网多选择小电流接地，出现单相接地故障后，虽然故障电流相对较小，但是电压依旧对称，所以暂时不会影响供电，然而持续运行就可能会损坏电气设备。因此，如何精准、快速展开故障定位，是需要探讨的重要课题[1]。为第一时间处置接地故障，快速锁定故障点，需要在第一时间隔离故障区段，确保非故障区域的供电能够恢复至正常状态。目前，越来越多具备录波功能的终端被应用在配网线路中，对配网数据传输与精准定位单相接地故障具有较大价值[2]。

1 单相接地故障区段定位技术

1.1 基于波形的区段定位定性分析

在中性点通过消弧线圈接地时，其零序电流即为母线与故障点间的电流及未故障线路的电流的总和，且其流动方向为母线。从母线到主次侧的零序电压值为主次侧的电压值和，在该情况下，由于该故障点所在的区域内，其前后端的零序电流幅度、相位差异很大，因此该区域内的零序电流幅度、相位也有很大差异[3]。

由上述分析可知，在该故障点的上端，每一区间内的零序电流都高度类似；在该故障点的下端，每一个区间内的零序电流也都非常类似，但是在该故障的两边，也就是在短路区间内，零序电流在短路区间内存在很小的相似性。该方法可以根据零序电流的相似性判断出故障点的具体位置。当一条线路发生单相接地时，且线路中2 个部分的零序电流并不相同，但这一部分的上行区段零序电流和下行区段零序电流比较接近，那么该部分被判定为故障部分[4]。

1.2 基于波形的区段定位定量判据

为确保配网系统能够自动判断故障区段，依照线路区段两端的电流采样序列，对二者的波形系数（ρmn）进行计算，表示波形相似程度。将其当作识别故障区段的重要判据，具体公式为

式中：iom(k)与iom(k)分别为区段两端k零序电流的采样值。依照配电网的运行情况，将相关系数阈值设置为ρH，取值为-1 ～1。接收主站收集故障，并由选线装置锁定故障线路之后，对故障线路分段开关位置的录波数据进行自动收集。对故障线路各个区段的零序电流系数ρmn进行判断，比较所计算的系数阈值ρH和ρmn，若ρH＞ρmn，则说明该区段属于故障区段；若ρH＜ρmn，则说明该区段属于非故障区段。锁定故障后，向主站上报故障位置，由主站分析并发出解决命令，断开故障区段电路，有效隔离非故障与故障区段，使非故障区段能够尽快恢复正常供电[5]。

2 10 kV 配网的单相接地故障区段定位仿真

2.1 设置区段定位仿真条件

单线图创建10 kV 配网的单相接地故障区段定位仿真模型，具体如图1 所示。系统的中性点经过消弧线圈时连接地面，消弧线圈的阻抗值为j48.28±0.88 Ω，线路1、线路2 与线路3 的长度分别为10 km、15 km以及20 km。线路单位长度的零序与正序参数值如表1 所示。

表1 线路单位长度零序与正序参数值

图1 系统单线图

以上线路中，线路3 创建有4 个零序电流检测元件，能够对零序电流波形进行实时记录，模拟线路内具有录波功能的配电线路终端，检测元件划分线路为区段1 ～区段4。

2.2 单相接地故障区段定位仿真分析

通过观察仿真模型发现，0.3 s 时的线路3 的区段2 中发生单相接地现象，由此获得3 条线路零序电流波形，具体如图2 所示。

图2 线路3 接地线路零序电流

在发生故障时刻，出现故障的导线和完好的导线之间存在180°的零序电流相位差，发生故障导线的零序与未发生故障的导线间零序电流总和的振幅相近。在出现故障30 ms 后，故障线和未故障线之间的零序电流相位相差几乎为0°，这是通过消弧线圈对中性点进行单相接地时所特有的现象[6]。根据该特性，能够将线路3 判定为一条故障线路。

确定了故障后，再对接地点所在的分段进行定位。线路3 的上区段2 产生了单相接地，零序电流的波形由它的上行检测点a、b 以及下行检测点c、d 所记录，具体如图3所示。通过图3可清楚地看出，在线路3中，当故障出现30 ms时，也就是在消弧线圈充分起效之前，检测点a 与检测点b 所测量到的零序电流的波形非常接近，检测点c 与d 所测量到的零序电流的波形也非常接近，同时检测点b 与c 所测量到的电流的波形也非常接近，并且检测点b 与c 所测量到的电流的波形非常接近。因此，可以通过检测点b 与c 所测量到的零序电流的波形非常接近的特点来确定故障区域，进而对故障区段进行定位。

图3 故障线路监测点零序电流

2.3 仿真数据处理

2.3.1 接地电阻不同的区段零序电流系数

零序电压相角为30°的情况下，触发单相接地故障如表2 所示，对各接地电阻值进行设置，其中rab、rbc、rcd分别表示检测点ab、bc 以及cd 间的零序电流系数，分别对应区段1 ～区段3。

表2 接地电阻不同的区段零序电流系数

从模拟仿真结果中可以看出，在二次短路过程中，零序电流均为负，其绝对数值介于0.3 ～0.7。没有发生故障区段1、区段3 的零序电流间存在正相关性，其绝对值达到0.98 以上。在不同情况下，不管是非故障或者故障线路，在发现接地电阻增加时，零序电流在每一区间内的关联度都有减小的趋势。

2.3.2 各故障触发角中区段零序电流系数

设定地阻抗为10 Ω，零序电压的相角为10°、30°、45°、60°、75°以及90°的情况下，启动单相接地，并在不同的触发角度下分析每一分段上的零序电流，结果如表3 所示。

表3 各故障触发角中区段零序电流系数

从模拟结果中可以看出，在2 号断路器上，零序电流存在着明显的负相关性，其绝对值为0.5～0.7。未短路区段1 与区段3 的零序电流均为正，且其绝对值超过0.9。不管发生了什么情况，每一次零序电流之间的关联度都会减小[7]。通过对各种接地电阻和各种故障触发角的模拟计算可以看出，在小电流接地系统发生单相接地故障的情况下，其大小会随接地电阻或故障触发角而增大；在每一次短路时，其零序电流的绝对值都递减[8]。在无短路情况下，零序电流具有较高相似性，其相关性为正，近似于1；短路情况下，零序电流的相似度较低，其相关性为负，近似于-0.5。基于该特征，与实际的线路参数以及运行状况相结合，对区间两端的零序电流进行了相应的设定，当相关系数比ρH小时，属于故障区段，若大于ρH，则为非故障区段。

3 结 论

总而言之，经消弧线圈接地的中性点存在非常明显的暂态特征，系统产生接地故障后，暂态电流会大于正常电流十几倍。本文基于暂态零序电流波形的相似程度，视为小电流接地系统的单向故障区段的定位判据，仿真结果显示，故障区域两端零序电流系数是接近-0.5 的负数，非故障区零序电流系数是接近1的正数，由此在-0.5 ～1 的区间中选取适当值当作判据阈值，若系数比阈值小，则表示为故障区段，若比阈值区段大，则属于非故障区段。此外，需要与运行数据及配网参数相结合，对该阈值进行设置，以保证单相接地故障定位的可行性。