基于柔性接地的配网故障选线及类型判别

刘小江，廖文龙，范松海，龚奕宇

(国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610072)

我国配电网普遍采用小电流接地方式。小电流接地系统的优点是供电可靠性高，在单相接地故障情况下仍可带负荷运行，缺点是故障相选相/线不准[1-2]、故障类型难以判断，对于大容量配网系统，小电流接地系统还存在电容电流过大而难以熄弧的问题[3]。国内外普遍采用中性点加装消弧线圈的方式熄灭电弧[4]，但随着电缆长度的不断增大，系统对地电容电流不断增加，消弧线圈容量和采购成本不断增加，甚至出现选型困难。此外，随着城市电缆的大规模使用，配网系统电容越来越大，以及系统中谐波电流的增大和接地点过渡电阻的影响，通过单相接地故障的电流除容性电流外还存在谐波电流和阻性电流，而消弧线圈无法补偿通过故障点的谐波电流和阻性电流，使得消弧线圈在有效处理临时性单相接地故障方面能力不足，而对永久性单相接地故障消弧线圈则完全无能为力，这些问题严重威胁到了配电网的安全运行。因此，急需开展对新型单相接地故障处理技术的研究。

近年来，配网故障选线一直是国内学者的研究热点，主要有信号注入法[5-6]和故障信号分析法[7-9]，前者需要在站内安装相应设备，并且易受线路参数影响，后者信号分析方法复杂，实用性较差。针对小电流接地系统故障选线不准、电容电流过大导致不能熄弧、故障类型难以判断等关键问题[10-11]，提出配网柔性接地技术。该技术在小电流接地系统的中性点与地之间串接一套核心部件为可控硅的装置，单相接地故障发生后，系统检测到母线电压变化，判断配电网发生单接地故障，随即中性点可控硅接通与地的连接，小电流接地系统在短时间内切换为大电流接地模式，安装在各10 kV出线的电压和电流监测装置检测到故障线路大电流信号，准确完成故障选线。选线成功后，位于母线上的可控硅装置接通故障相与地之间的连接，故障点对地电容电流转移至站内，通过母线实现可靠接地，彻底消除故障点弧光接地带来的系统过电压威胁。最后通过控制母线上转移接地开关，区分单相接地故障类型。

1 配网柔性接地基本原理

1.1 脉冲电流选线

中性点非有效接地系统单相接地故障线路难以识别的原因是因为接地电流太小，而接地电流太小是由于中性点非有效接地。如果能够在一段时间间隔内让中性点有效接地，则在该时间间隔内将有大的接地电流出现，这样故障支路会因此大电流而容易被识别出来。由于可以控制时间间隔的大小，这样就可以产生一个大到易于识别但又不引起系统不良反应的故障电流，称这种方案为脉冲电流选线。当中性点非有效接地系统发生单相接地后，接于系统中性点与地之间的可控硅在其两端电压过零点附近使中性点与地之间瞬时短路，以产生一短路脉冲电流。该脉冲电流绝大部分流经接地线路接地相后于接地点入地，脉冲电流识别器通过对各出线识别该脉冲电流以实现接地线路的判定。脉冲选线系统示意图见图1。

图1 脉冲选线系统示意图

1.2 容性电流转移消弧

容性电流转移技术原理见图2。当发生单相接地故障，系统完成脉冲选线后，发出闭合软开关触点消弧装置上对应相开关(K1或K2或K3)的信号，故障相系统对地电容通过金属电阻R接地放电。由于R的限流作用，可以有效抑制弧光过电压峰值合闸产生的放电电流的峰值和频率。另外，通过对R电流的检测可以判断出K1，K2，K3的动作是否正确：如若通过R的电流大于系统电容电流，可判定K1，K2，K3的动作有误，令其分开后重新判定；如若R的电流小于系统电容电流，则K4闭合，通过单相接地故障点的容性电流转移至消弧装置的开关上，完成对故障点和弧光过电压的保护。配网柔性接地技术流程图见图3。

图2 容性电流转移技术原理图

图3 配网柔性接地技术流程图

1.3 故障类型识别

故障类型识别主要是判断是临时性故障还是永久性故障。当配电网系统发生单相接地故障时，系统的零序电压由于接地阻抗的差别会上升到一定的范围内，控制系统依据判据判断是否是单相接地故障。若控制系统确认为单相接地故障，控制器首先发出选线指令，发出脉冲电流，选线完成后立即启动消弧线圈和软开关触点消弧。故障相软开关接地触点闭合，对故障点进行保护，同时消除可能发生的弧光过电压。随着调式消弧线圈启动，将电流从接地相接地触点转移到了消弧线圈内。打开故障相软开关接地触点，判断是瞬时性接地故障还是临时性或永久性接地故障，如果接地故障消除，可判定为瞬时性单相接地故障，记录发生接地故障的支路和故障相，系统恢复正常运行；如果接地故障重现，判定为永久性接地故障。对于临时性接地故障还是永久性接地故障的区分，还需要通过对瞬态电压在线监测到的数据的实时分析来加以判定，如果故障相电压逐步趋于稳定在一个较高的数值可以判定为临时性接地故障，有可能通过控制流过故障点的电流和时间来安全地清除故障点，恢复系统正常运行；如果故障相电压稳定，无高频分量，并且趋稳于一个较低的数值，故障点很可能是固体绝缘的对地绝缘破坏，应尽快闭合故障相接地触点，防止发生事故扩大化，并可以在单相接地供电模式下继续安全供电2 h。如果暂态电压在线监测发现持续性弧光过电压也必须快速闭合故障相接地触点。

2 仿真分析

以某供电公司某10 kV配网为例，该配电网共有5条10 kV出线，线路长度2～10 km，10 kV系统采用中性点不接地方式运行，系统电容电流约为94 A。在PSCAD仿真程序中建立仿真模型(见图4)，分析配网柔性接地技术的有效性。

图4 柔性接地配网仿真模型

假设线路1在线路末端发生单相金属性接地，考虑到现场实际情况，设置接地电阻值为5 Ω。仿真得到所有10 kV出线的零序电流如图5所示。单相接地发生时间为0.06 s，站内10 kV中性点在零电压为零时刻0.906 s短暂直接接地0.010 s，产生脉冲电流。由图5可见，故障线路1出线零序电流产生一明显电流脉冲，其幅值远大于其他非故障线路，通过零电流波形曲线可准确实现单相故障选线。

图5 各出线脉冲选线电流波形

在0.205 s，母线故障相A相对地电压为零时刻，闭合转移接地开关，A相直接接地，得到故障点和转移接地点电流如图6所示。由图6可见，在转移接地开关闭合后，故障点电流最大值明显降低，由此前的0.131 kA减少为0.092 kA，减少30.0%。若故障点更靠近变电站出线，则减少幅度将更加明显。

图6 容性电流转移电流曲线

3 结语

(1)由于脉冲电流特征可控，使脉冲电流在不同接地电阻的情况下都能保持足够大的强度以被检测到，这使得短路脉冲电流有别于其他干扰信号而使选线准确度大为提高。

(2)故障点容性电流转移消弧技术能够有效地转移现场故障点的电流，根据故障点位置不同，可使故障点电流幅值出现不程度的降低，避免故障点出现弧光接地过电压，稳定系统的过电压水平。

(3)通过合理的控制逻辑和综合判别方法，实现了单相临时性接地和永久性接地故障的准确判别，对配网的安全稳定运行有重要参考作用。

参考文献：

[1] 朱佳.10 kV配电线路故障定位技术的研究[D].南京:江苏大学,2013.

[2]肖锋.中性点非有效接地系统单相接地的选线与定位方法研究[D].长沙:湖南大学,2008.

[3]代姚. 配电网铁磁谐振及弧光接地过电压特征识别与抑制方法[D].重庆:重庆大学,2010.

[4]齐郑，白芮瑄，杨以涵，等. 智能变电站中自动调谐消弧线圈的设计[J]. 电力系统自动化, 2011，35(20):65-67.

QI Zheng, BAI Ruixuan, YANG Yihan. Design of auto-tuning arc-suppression coil for smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems,2011,35(20):65-67.

[5]张慧芬，张帆，潘贞存. 基于注入信号法的配电网单相接地故障自动定位算法[J].电力自动化设备,2008(6):39-43.

ZHANG Huifen, ZHANG Fan, PAN Zhencun. Automatic fault locating algorithm based on signal injection method for distribution system[J]. Electric Power Automation Equipment,2008,28(6):39-43.

[6]樊淑娴,徐丙垠,张清周.注入方波信号的经消弧线圈接地系统故障选线方法[J].电力系统自动化,2012，36(4):91-95.

FAN Shuxian, XU Bingyin, ZHANG Qingzhou. A new method for fault line selection in distribution system with arc suppression coil grounding with square-wave signal injection[J]. Automation of Electric Power Systems,2012,36(4):91-95.

[7]杨涛，黄纯，江亚群，等.基于高低频段暂态信号相关分析的谐振接地故障选线方法[J].电力系统自动化,2016，40(16):105-111.

YANG Tao, HUANG Chun, JIANG Yaqun, et al. Fault line selection method in resonant earthed system based on transient signal correlation analysis under high and low frequencies[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(16):105-111.

[8]张均，何正友，贾勇.基于S变换的故障选线新方法[J].中国电机工程学报,2012， 31(10):109 -115.

ZHANG Jun, HE Zhengyou, JIA Yong. Fault line identification approach based on s-transform[J]. Proceedings of the CSEE,2011,31(10):109 -115.

[9]束洪春，彭仁欣.利用全频带综合小波能量相对熵的配网故障选线方法[J].高电压技术, 2009，35(7):1559-1564.

SHU Hongchun, PENG Shixin. Distribution network fault line detection using the full waveband complex relative entropy of wavelet energy[J]. High Voltage Engineering,2009,35(7):1559-1564.

[10]吕军，陈维江，齐波，等.10 kV配电网经高阻接地方式下过电压及接地故障选线[J].高电压技术,2009，35(11):2728-2734.

LV Jun, CHEN Weijiang, QI Bo, et al. Overvoltage and feeder detection for earth fault under high-resistance grounding mode in 10 kV distribution networks[J].High Voltage Engineering,2009,35(11):2728-2734.

[11]黄艳玲，司马文霞，杨庆，等.电力系统实测过电压信号的特征量提取与验证[J].高电压技术,2013，39(1):60-66.

HUANG Yanling, SIMA Wenxia, YANG Qing, et al. Features extraction and validation from measured overvoltage signals of power system[J]. High Voltage Engineering,2013,39(1):60-66.