基于暂态信号的电力系统小电流接地故障定位技术

林源

（国网福建省电力有限公司三明供电公司）

基于暂态信号的电力系统小电流接地故障定位技术

林源

（国网福建省电力有限公司三明供电公司）

小电流接地出现接地故障时，由于其稳态分量相对较小且选线装置通常是基于稳态分析的，所以在进行故障定位时并不能保证准确度。本文对故障的信号特征进行了分析，并阐述了定位技术。

暂态信号；小电流接地；故障定位

目前，在配电系统中由于系统的结构较为复杂，所以经常会出现故障，尤其是单相接地故障，是发生频率最高的故障形式，出现的故障接近八成都是单相接地故障。智能配电网的单相接地故障自我修复是智能系统的最根本要求，因此为了保障配电系统的安全运行和可靠供电，在出现故障时必须对故障点进行及时处理。当前的故障定位方式中，在拥有众多较短的线路的复杂结构配电网中，阻抗原理并不适用，而行波法仅适用于长线路的少分支配电线，难以解决结构复杂的配电线路故障。

1 故障的信号特征

在中、低压电网中小电流接地选线被广泛的应用，其中性点接地方式有三种：经高阻抗接地、经消弧线圈接地和中性点不接地。我国的配网系统电压为6～66kV，在选择接地方式时，通常采用的是经消弧线圈和中性点不接地的方式。在小电流接地接线方式下，当发生单相接地后，接地相对地电压等于零，未接地相对地电压等于线电压，中性点对地电压等于相电压，线电压保持不变，因此可以连续运行2h。但是当接地电流较大时，可能使接地点电弧不能熄灭，并可能在接地点处产生间歇性的电弧，导致电弧过电压。严重时可能发展成稳定的电弧，烧毁设备并导致相间短路故障，因此应尽快处理。在大多数情况下，稳态分量在故障电流中所占比例较小，并不能成为故障选线的依据。在稳态分析下，大部分的接地选线装置都不能产生较好的效果，对故障定位时准确性也较低。而相较于稳态分量幅值，暂态电流则具有几倍到几十倍以上的分量幅值，所以在进行故障选线时，暂态特征是十分重要的依据。

1.1 稳态特征

当单相接地故障发生在中性点不接地的系统中时，零序电流在分布上有以下几个特征：①分布电容电流在下游路线对地的部分就是故障点的零序电流和无故障线路的对地电容电流，从母线出发向线路流动。当母线与检测点之间的距离增大，零序电流幅值随之不断的变小，到达线路的末端时，幅值几乎接近于0；②处于故障点上游的检测点，其零序电流逐渐向着母线流动，流向与下游的电流方向和正常线路的极性一致，并且当母线与检测点之间的距离增大，零序电流幅值随之不断的变大。相较于中性点不接地系统，经消弧线圈出现单相接地时，由消弧线圈所产生的感性电流与对地电容电流相互抵消，所以故障点的电流较小，无故障电力的各点位和故障电路中故障点位下游的点位，其电流极性和幅值都保持不变，出线口及故障点位上游的点位其极性和幅值发生变化。消弧线圈在正常情况下处于过补偿状态，上游电流为线路向母线流动的感性电流，也就是母线流向线路的容性电流，极性与无故障线路和下游电流相同。与此同时，随着与母线之间的距离变大，上游点位的电流幅值会减小，依据线圈的补偿度和系统的相关参数，无故障电路的幅值大小会大于其幅值。

1.2 暂态特征

在通常情况下，配电系统中故障点位的下游长度要远小于上游的线路长度，既Cob+Coh>Coi，在本式中：Coi是故障点位下游对地电容，Cob+Coh是上游线路中的电容和值，由此可以看出两侧之间有较大的暂态电流差异。暂态过程受到消弧线圈的影响较小，因此可以忽略不计。故障点位的上下游具有差异较大的频率和暂态电流幅值，其极性和电流的波形都呈相反状态，并具有相似性；点位上下游的邻近检测点具有接近的电流幅值，并且其频率并不具有较大差异，具有相似度较高的波形；无故障电路和故障点位上下游的检测点的暂态电流，其主要都是线路下游的分布电容电流。所以，暂态电流的流向是从母线到线路，幅值的大小随着距离增加而减小，到了线路的末端时，幅值近似为0；故障点的上游检测点，暂态电流为对地分布的电流和电容的和值，暂态电流的流向为线路到母线，幅值的大小随着距离的增加而变大。通常情况下，检测点距离故障点上游的距离越近，其在整个系统中所具有的暂态电流幅值也就越大。

表1 电流环补偿网络参数及动态响应性能指标对比

2 故障定位技术

2.1 定位原理

故障定位系统的理论依据就是故障点位上下游间的幅值和频率都具有较大的差异性，可以运用相似性进行定位，也就是相似性定位法。①通过选线装置，主站系统从选线结果中对故障的线路进行确定；②FTU上传的电流波形被主站系统所接收，根据邻近两个点位间的电流相似度对波形的相似程度进行判断；③主站系统对两侧的电流相似度进行比较并得出最小的相似系数，根据相似系数的最小值对门槛值进行设定，对故障区段进行确定，如果每个区段的电流相似度都大于门槛值，则最厚一个FTU的下游区域即为故障区段。

2.2 系统构成

在对故障定位系统进行设计的过程中，定位系统的构成部分主要是分段开关处的馈线终端装置、选线系统以及定位主站与通信网络。定位主站的构成部分就是通信设备和定位系统，主站通常安装于地市供电公司的调度部门，选线系统的核心就是XJ-100的选线系统，增加其定位站内的通讯程序和相关算法，馈线终端装置选用PZK-36型号，频率为3.2kHz，主站和馈线终端装置之间的通信方式为GPRS，与选线系统之间的通信通道为光纤。

2.3 故障选线算法

当出现单相接地故障时，相位电压降至零，而非故障相位的电压会出现明显的升高，因此电压信号可以被选择为选线的启动信号，母线的电压一到超过了定值，系统就会启动故障选线程序。将线路中的电路行小波变换，将变换后的电流模的极性与极大值数值大小进行比较，如果某一条线路的极性不同于其他的线路极性，并且该线路电流幅值为最大，就可以判定此线路就是故障线路；如果每条线路在进行小波变换后的极大值极性都一致，则说明是母线出现了故障。对同一信号采用不同的小波基进行分析，会出现不同的结果甚至具有较大的差异性，因此必须在进行分析时选取适合的小波。在进行小波变换时，过多的分解层数会导致频带的宽度较小，与频带相对应的采样的点数就会过少，就会判断的灵敏度产生影响，相反的层数较少也会导致宽度较大，从而导致信息量增加，并且引入其他的干扰成分，在很大程度上对判断的可靠性产生了影响（如图1）。

3 结束语

配网系统发生接地时，基于暂态信号，通过对各线路零序电流进行小波分解，对出现故障后的幅值大小、极性等进行比较，并以此为依据进行选线，判断出现的故障线路，在实际应用中具有很高的实用性和可靠性。

图1 故障选线流程图

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2016-2-20