電力系統(tǒng)單相接地故障定位方法綜述

電力系統(tǒng)單相接地故障定位方法綜述

在中國，配電網通常采用小電流接地，80%以上的誤差是單相接地故障。由于電力系統(tǒng)網絡的電壓等級不同，具有不盡相同的結構特征，因此，根據電力系統(tǒng)網絡結構的不同特點，選擇使用不同的故障定位方法。目前國內外采用的配電網故障定位方法有故障測距法，阻抗法、單端行波定位法、信號注入法、故障指示器法等，接下來的研究中出現了將幾種故障定位方法相結合的綜合定位方法，充分利用各種定位方法的互補性來提高故障定位的準確性。1故障測距法的分類故障測距法，即測量線路檢測點到故障點處之間的距離即故障定位，按原理分基本可以分為：行波法、阻抗法和“故障指示器”技術。1.1故障點位置的確定行波在均勻線路上傳播運動時，行波電壓與行波電流的比值是一定的，但是如果線路的參數或者波阻抗在某一結點處突然發(fā)生改變，行波在突變點處會產生全部或者部分的反射與折射現象，稱此點為波阻抗不匹配點，主要表現為分支節(jié)點處、開路與短路處。行波法的故障測距原理是：根據行波在線路中的傳輸理論，利用行波在波阻抗不連續(xù)點發(fā)生反射和折射的特性來實現故障定位，常見的類型主要有A、B、C型幾種，下面進行分別的介紹：(1)A型行波法。A型行波法主要采集故障處本身產生的行波信號（如圖1），利用行波信號從測量點至故障發(fā)生點的時間與行波的波速進行故障點位置的確定；故障點返回信號的波頭到達始端的時刻值的1/2，就是行波從故障點到檢測點的時間差。設行波信號測量點M與故障點F之間的距離表示為xL，用ν來表示行波的波速，則故障距離的計算公式：對于A型行波定位方法，由于配電系統(tǒng)的結構復雜，分支眾多,而從測量端到故障點需要往返兩次，這將會產生大量的反射行波，而對于這些反射行波的區(qū)分將會是一個難題。(2)B型行波法。B型行波法的定位原理：根據故障處本身產生的行波信號傳輸至線路兩端所需的時間差進行故障點位置的確定，其原理圖如圖2。設故障處產生的行波信號傳送至檢測點M端為時間段t11、傳送至檢測點N端為時間段t12，已知測得的故障點產生的行波信號傳送至檢測點M端為時刻值t1、傳送至檢測點N端為時刻值則t2，則t12-t11=t2-t1，首末端MN的距離為S，用ν來表示行波的波速，得到方程組：解方程組得到t12和t11的值，于是得到故障點的位置：xl=νt11。但B型行波定位方法有一精確到微秒級的同步要求。由于配電線路結構復雜，一般都有很多的終端,因此對于多個信息源的信號同步不容易實現。(3)C型行波法。C型行波法的定位原理是：在故障發(fā)生后，由裝置在線路的一端注入高壓脈沖信號、直流脈沖信號，根據脈沖信號從注入裝置傳輸至故障處的時間來進行故障位置的確定；其原理圖如圖3:設行波信號測量點M與故障點F之間的距離表示為xL，則故障距離的計算公式表示為：C型行波法在實現故障定位的時候，可以進行重復判斷，如果因為某一次檢測受到了較大的干擾而影響到了故障定位的分析，可以選擇重新再發(fā)送一個行波信號的方法再進行一次故障定位。這種測距裝置原理簡單，精度也高，但是，同樣由于配電系統(tǒng)本身的結構特點，即結構復雜與分支眾多，致使注入的信號在線路中衰減很大，給數據處理帶來困難，而且附加的高頻脈沖信號發(fā)生器等部件比較昂貴。1.2故障點與故障點之間的距離利用阻抗法實現故障測距，其原理可表述如下：假設電力線路是均勻的線路，根據故障時測得的電壓、電流量計算出故障回路的阻抗，利用已經得出的故障回路的阻抗和線路長度成正比這一關系，得到測量點與故障點之間的距離。阻抗法所具有的優(yōu)點就是投資少，但是其受到路徑阻抗、電源參數與線路負荷的影響卻比較大，測距誤差往往遠大于某些故障測距產品在理想條件下得出的誤差標準，而且受故障點過渡電阻的影響而存在測距精度問題，只有故障點的過渡電阻為零時，才能比較準確計算出故障位置。1.3故障指示器設置該技術的原理是利用掛在故障線路的路徑上的故障指示器來檢測信號的有無，并立即給出相應的指示，巡線人員可借助指示器的報警信號迅速確定故障區(qū)段并找出故障點。其不足之處在于對于中性點非有效接地系統(tǒng)而言，接地電流遠遠小于負荷電流，故障指示器無法進行有效識別，而且這種方法需要在線路上安裝大量的故障指示器裝置，成本比較高、投資大，設備比較復雜。只適合在小范圍內進行使用。2配電網結構的復雜注入法的原理是：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，通過母線電壓互感器人為地向故障線路的故障相注入電流信號（如圖4），根據注入信號的流動的特點，利用專用的信號探測器尋蹤注入信號路徑，實現故障定位。注入法又分為直流注入法和交流注入法。(1）交流注入法。交流注入法的原理是：故障發(fā)生后，通過母線電壓互感器人為的向故障相注入特定頻率的電流信號，然后利用專用的信號電流探測器沿線路對注入的信號電流進行尋蹤。利用故障線路與非故障線路信號的差異來實現故障定位。但是隨著配電網結構的復雜和分支不斷增加，分布電容的分流作用也將顯著增加，故障點電流和電容電流的區(qū)別越來越不明顯，甚至電容電流將大于故障點的電流，這種情況下非故障分支對地電容電流有可能較大，不利于故障路徑判斷。S注入法屬于交流信號注入法的一種，S注入法的定位原理：通過母線電壓互感器人為地向故障線路的故障相注入電流信號，注入信號的基波頻率應該處于工頻信號的n次與n+1次諧波之間，再利用專用的電流信號探測器進行巡線，定位出故障線路與故障點。但是經過運行的實踐表明，當接地點的過渡電阻小于等于1kΩ時，S注入法的確是很有效的，相反，當過渡電阻的值為大于1kΩ的時候，此方法的有效性將會降低，如果過渡電阻繼續(xù)變大，達到10kΩ時，此法將會完全的失效。而在我國10kV配電網的接地故障過渡電阻一般都是在10kΩ以上的。因此，S信號注入法在實際運行當中常常會失去效果，只有在有限的范圍內才是有效的。(2）直流注入法。直流信號注入法利用線路分布電容對直流信號開路，因此注入直流信號便不受電容的影響，也不受線路長度和分支的影響。交流信號注入法與直流信號注入法目前應用較多，但是當配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障并注入信號以后，需要利用專用的信號電流探測器沿故障線路對注入的信號電流進行尋蹤。3直流信號注入法基本原理由于配電網線路大多采用中性點不直接接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時，故障電流小，故障特性復雜，檢測到的故障特征量具有很大的不確定性，針對故障線路的特征，考慮分步走進行定位，將幾種定位方法相結合實現定位，該方法利用不同定位方法的互補性來提高單相接地故障定位的有效性與準確性：已有學者提出將改進的C型行波法與直流信號注入法相結合的配電網單相接地故障定位方法，該方法先計算故障距離再找到故障分支。C型行波法的基本原理是在系統(tǒng)發(fā)生故障后，從線路的始端由發(fā)射裝置向故障線路的故障相發(fā)射高壓高頻或者直流脈沖信號，如圖3所示。設F點為單相接地故障點。根據行波在線路上傳播的特性理論：行波信號在沿線路傳播過程中會在波阻抗不連續(xù)點處發(fā)生全部或部分的折射與反射現象。由裝設在線路首端M處的采用發(fā)射檢測裝置向線路發(fā)射脈沖信號，記作t1時刻，注入信號傳播到故障點的反射波再返回到檢測點的時刻記為t2，ν=3×108m/s，信號檢測點M與故障點F之間的距離L為式3。由于通常配電線路存在著許多波阻抗不連續(xù)點，如分支節(jié)點、開路點、短路點。因此，也就會存在大量的折射與反射行波。如果要區(qū)分出哪一個反射行波為在單相接地故障點產生的，就要采取一定的措施?？梢岳猛痪€路同一相在發(fā)生與未發(fā)生單相接地故障時注入高壓脈沖信號，其唯一的差別就是在發(fā)生故障的故障相上多了一個接地點，進而有可能導致故障點之后的節(jié)點的折反射波與正常線路相比會發(fā)生異常，但是在故障點之前的各個節(jié)點的折反射波形是一致的。因此，利用線路正常時的波形與線路發(fā)生故障時的波形進行比較即可以得到第一個明顯的差異點。波形差異點的時刻就是行波從起始端發(fā)出到反射回檢測端所用的時間，通過注入信號時刻與故障點返回信號時刻的時間差來確定故障的位置?？稍谧⑷胄盘柖藱z測到故障線路的故障處與各分支節(jié)點處的返回波形情況。利用相同的辦法得到同一條線路同一相在未發(fā)生故障時返回波形的情況。由于A、B、C三相線路的參數可以近似看做是相同的。因此，可以將非故障相的行波信號進行采集，并以此來代替故障相線路在線路處于正常狀況時的行波信號。將處于故障狀態(tài)時的行波信號與處于正常狀態(tài)時的行波信號進行對比，找出行波信號當中的突變點。直流注入法利用線路分布電容對直流信號開路，注入直流信號既不受電容的影響，也不受線路長度和分支的影響。將改進的C型行波法與直流信號注入法相結合，具體方法闡述如下：分別從線路的兩端注入脈沖信號，并分別求出相應的可能故障點，再確定它們的交集以備進一步判斷，而實行進一步判斷所采用的就是直流注入法。如圖5所示，首先選擇主干線路的X,Y兩端，作為信號注入端，先從選好的一端（X）注入脈沖信號，由于在故障點以后返回行波信號會發(fā)生突變，而在故障點之前，發(fā)生故障與未發(fā)生故障返回的行波信號是一致的，因此利用正常信號和故障信號的波形差，二者相異的第1點即為故障點對應的行波突變點，根據第一個突變點時刻，利用故障距離計算公式確定故障點與線路首端的距離，設為距離L1。同理，再選擇另外一個信號注入端（Y），注入一個脈沖信號，對正常狀態(tài)的信號和故障狀態(tài)的信號做差，根據距離計算公式計算出故障距離，設此距離為L2。根據所測得故障距離L1與圖5中線路分支結構，判斷出所有滿足此距離的點（故障點與線路分支為相互對應關系），進而得到了故障數組1；采用相同的方法，根據所測得故障距離L2與圖5中線路分支結構，判斷出所有滿足此距離的點（故障點也與線路分支為相互對應的關系），進而又得到了一個故障數組，命名為數組2，將數組1與數組2進行交集運算，求得交集數組3。如果數組3中有唯一的點，即可以判斷出此點就為故障點。如果數組3中的元素不是唯一的，則說明存在偽故障點，這時采用在故障線路的首端注入直流信號（通常注入的是150mA直流信號），小電流接地系統(tǒng)非故障線路對直流可視為開路，其電流為0；而在故障線路當中，當直流信號通過單相接地故障點時，將會與大地形成回路，其電流就不再為零。因此，故障分支與非故障分支便可很容易地分辨開來，利用這一特點即可排除偽故障點，找出真正的故障點。將常用到的幾種定位方法與該綜合定位方法進行性能比較。同樣以圖5的配電線路為例進行對比。列入下表1所示：由于在采用交流注入法與直流注入法時，要沿線路進行檢測，由于設置線路每個模塊為2km，因此也每間隔2km檢測一次，誤差就是2km。如果將檢測間隔變小，誤差也將變小，但是檢測次數將大幅度增加。交流信號的檢測依據是故障線路電流明顯大于非故障線路，故障點前的電流大與故障點之后的電流，如果檢測到的電流較大說明故障點在下游，如果檢測到的電流較小，說明故障點在上游。而直流注入法只需判斷有無電流即可判斷，因此也就決定了其檢測次數要少。由于配電系統(tǒng)的分支眾多，結構復雜，滿足C型行波法所測距離L的點可能不只是一點而是多個，因此就會存在偽故障點，不能準確地定位。從表中