适用于架空线路的接地型故障指示器检测方法研究

吕常智，陈 勇（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，266590）



适用于架空线路的接地型故障指示器检测方法研究

吕常智，陈 勇
（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛，266590）

摘要：配电网是电力系统的重要组成部分，位于电力线路的最末端，直接与用户相连，其供电质量直接关系到用户的使用情况及经济效益，95%的用户电力故障是由配电网络所引起。由于历史的原因，我国农村和城乡的配电线路大部分都是架空型线路。配电线路主要的故障是单相接地故障，能够达到配电网故障的60%以上。本文以我国架空型配电线路的单相接地故障为例，对接地型的故障指示器检测方法进行了研究与设计。

关键词：架空线路；故障检测；接地故障；故障指示器

0　引言

本文研究的接地故障指示器运用在架空线路上，直接悬挂在线路上，能够检测到故障信号，进行故障位置的确定，快速的发现故障，改变了以往人工巡线查找故障造成人力和物力上的浪费，节约了故障修复的时间，提高了供电质量的可靠性。基于故障指示器的线路在线监测系统，方便简易，适合农村和城乡配电网的安装建设，能够弥足配电自动化系统的不足之处。

2015年，国家能源局印发了配电网建设改造行动计划（2015-2020年）的通知，投资2万亿对配电网进行升级改造。通知中已经明确提出，在农村实行推广基于故障指示器的简易配电自动化，争取到2020年时，配电自动化覆盖率达到90%。所以今后一段时间故障指示器的实际应用将会得到大幅增加。

图1　中性点不接地系统仿真模型

我国的配电网采用了前苏联时期的网络结构，即小电流接地系统，主要包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统、中性点经高祖接地系统。其中我国的配电网络大都采用了中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统。小电流接地系统发生单相接地故障时，接地故障点的电流很小，三相之间的线电压依然保持对称，我国规定可以允许继续运行1~2h，但长时间的运行会发生为多点接地或相间短路的情况，影响系统的稳定性，造成电力系统灾难。因此，非常有必要对接地故障的检测进行分析研究。

1　单相接地故障指示器检测方法分析

目前接地检测方法主要有：零序电流检测法、五次谐波检测法、首半波检测法、电容放电电流幅值法、信号注入法。

1.1零序电流检测法

当线路发生单相接地故障时，正常线路的零序电流为线路本身对地电容电流之和，并且其容性功率方向为从母线流向线路。但是故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，并且容性功率方向为从分支线路流向母线。因此根据零序电流的大小和方向即可检测单相接地故障。此种方法存在以下不足：零序电流互感器的精度低，体积大，精度低，只能选出发生故障的线路，不能具体选出哪一相的故障，不能应用在架空线路的故障指示器上，只适合安装于电缆线路上进行故障选线。在中性点经消弧线圈的线路中，故障时的电流幅值会大大减小，增加检测的难度，会导致误判现象的发生。

1.2五次谐波检测法

配电线路发生接地故障时，系统会产生大量的谐波，特别是大量的奇次谐波。但是3次谐波以及3次整数倍的谐波不会流经线路，所以故障线路的5次谐波占主要部分。5次谐波电流的分布规律和故障时零序电容电流的分布相同，故障相线路的谐波大小等于所有非故障相谐波分量之和。运用到故障指示器中的判断方法即为故障时接地相的对地电压降低，同时线路中会产生大量的5次谐波，当满足这两个条件时，指示器就会判定为线路发生了接地故障，做出相应的动作指示。理论上五次谐波检测法在单相接地故障时有明显的特征，但是实际上效果不是很好，有时故障相的五次谐波电流分量增加，有时会减少，有时变化不明显。因此其可靠性低，不能准确的检测到故障信号的变化。

1.3首半波检测法

图2　中性点不接地系统电压、零序电流、接地电流波形图

首半波检测法利用接地瞬间的暂态电流信号，对接地瞬间产生的零序电容电流与零序电压首半波进行采样分析处理。如果接地瞬间产生正向突变的暂态电容电流，并且电容电流的首半波与电压的首半波相位相同，同时接地相的电压大幅度降低，则说明线路发生了接地故障。对于此种检测方法，是依据接地故障发生在相电压峰值时这个条件下成立的，其依据是不充分的，因为故障也可能不发生在电压峰值处，也有可能发生在电压的零点处，这是首半波方法的缺点，存在理论上的死区。所以首半波检测法也会存在指示器误动作的可能性。

1.4电容放电电流幅值法

配电线路错综复杂，距离远，故障相的电容电流与正常时非故障相的电流大小相差很大，故障指示器可以依据这个原理判断故障的发生情况。但是通常情况下电容电流的工频稳态值很小，只有几安培左右，负荷电流的数值很高，可达上千安培，因此电容电流不易于检测，需要对故障指示器的测量精度有非常高的要求。同时，接地电容电流的大小随故障发生点的位置不同而不同，也受系统运行方式的改变，如当电网处于最小运行方式下时，故障线路的电容电流可能会与非故障相的电容电流数值相接近，影响了故障指示器动作阈值的设定。因此，对电容电流稳态幅值进行判定，需要很高的采集精度，存在采集不到相应动作电流的可能性，导致勿动和拒动现象的发生。

1.5信号注入法

利用信号注入法进行故障的判断，需要在变电站安装一个信号源，可以实时的监测母线的零序电压并发生信号。发生接地故障时，信号源能够判断出故障线路的故障相，自动产生一个特殊频率的信号，此信号只流经发生故障的那一相线路，不会流入正常无故障的相线。所以在发生故障时，接地点包含了所有非故障相的对地电容电流、信号源注入的特殊频率信号以及消弧线圈产生的电感电流，而在非故障相线路只含有自身的电容电流，没有信号源注入的信号。故障指示器检测到这个特殊信号后进行动作指示，位于故障相的故障指示器进行动作指示，非故障相则不进行动作显示警告。

信号注入法的适用性较强，不受系统的运行方式、拓扑结构以及中性点的接地方式等因素的影响。此种方法省略了故障指示器的阈值设定过程，直接以特殊注入信号进行故障的检测判定，因此该方法检测的可靠性高，准确率也高。但是信号注入法需要安装产生特殊信号的信号源，增加了系统安装的成本，也增加了系统的复杂性。

2　本文设计的故障检测方法

通过以上第2部分现有方法的分析，可以得到依据故障时稳态信息不足以准确的判断故障发生的情况，或多或少都会存在一些不足之处。因此本文根据配电网发生接地故障时的暂态信息进行分析处理。现有理论表明：对于中性点不接地系统及中性点经消弧线圈系统，其接地故障点的电流包括接地暂态电容电流和暂态电感电流；接地电容电流的暂态分量数值很大，为稳态分量的几倍至几十倍；中压配电网的接地电容电流的振荡频率范围为300～3000Hz之间，持续时间一般为0.5～1个周期；接地电感电流的振荡分量很小，接地电流主要由接地电容电流决定。

对于接地故障的暂态电流信息，本文首先对中性点不接地系统进行了MATLAB/Simulink仿真，其仿真模型如图1所示。模型设置在线路III的A相0.04S时发生接地故障。

通过图1所示模型的仿真，得到了线路的电压、三条线路的电容电流以及接地故障点的电流情况，其波形如图2所示。然后对接地电流Id进行频谱分析，利用Powergui/FFT进行分析，对发生故障时第一个周期的电流进行频谱分析，可得如图3所示的频谱分析图。

图3　中性点不接地方式时接地电流频谱分析图

当系统为中性点经消弧线圈接地方式时，在图1模型的发电机中性点处添加消弧线圈，采用过补偿方式，其三条线路的电容电流及接地故障点电容电流如图4所示。其接地故障点接地电流波形的FFT频谱分析如图5所示。

图5　中性点经消弧线圈接地方式时接地电流频谱分析图

通过图3和图5的频谱分析可知，接地故障电流基本符合中压配电网的接地电容电流的振荡频率范围为300～3000Hz数值之间的结果分析。所以本文对接地故障时电容电流的各高频暂态分量（300～3000Hz）信号进行提取分析，得出这些信号真有效值的突变量大小，以真有效值的处理方法来处理信号，进而判断故障的发生。这些接地瞬间的突变高频分量不受其它外在高频信号的干扰以及线路励磁涌流的影响，易于可靠检测，相比常见的故障检测方法，具有一定的优越性。因此本文对发生单相接地故障时，所采用的故障指示器接地故障判据如下（适用于6～35kV配电线路）：

1）线路上电：电流≥5A或线路对地电压≥3kV（上电30S持续检测）

2）故障启动条件：

接地暂态电容电流增量：≥30A（可以设定）+

接地相电压下降比例：≥30%

接地相电压下降时间：≥40S

当满足以上条件时，故障指示器能够检测到故障发生。

3　总结

本文线路故障指示器的接地故障检测方法进行了分析与研究，分析了零序电流检测法、五次谐波检测法、首半波检测法、电容放电电流幅值法以及信号注入法的原理，指明了其中的不足之处。然后利用发生接地故障时暂态的方法，对架空线型故障指示器的故障检测方法进行了分析与设计，利用故障时接地暂态电流的各高频信号分量（300～3000Hz），对其进行真有效值突变量的大小来判断接地故障的发生，一定程度上提高了单相接地故障的精度，具有很好的应用价值。

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The Grounding Fault Indicator Detection Method Research that Suitable for Overhead Line

Lv Changzhi，Chen Yong
（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology Qingdao， 266590， China）

Abstract：Distribution network is an important part of power system，located in the end of power line，directly connected to the user，the power supply quality is directly related to the user’s usage and economic benefit，95% of users power failures are caused by the power distribution network.Due to historical reasons，China’s rural and urban power distribution lines are mostly overhead lines.More than 60% of the distribution network fault is single-phase ground fault.The paper based on the overhead line as an example，for the fault indicator detection method research and design suitable for overhead line .

Keywords：overhead line；fault detection；grounding fault；fault indication

文献标识码：中文分类号：TM912.A

作者简介

吕常智 （1971-），男，副教授，硕导，主要研究方向为电力系统及其自动化，电力电子技术。

陈勇（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化。

图4　中性点经消弧线圈接地方式时零序电流、接地电流波形图