配电网柔性接地装置注入非工频小信号的接地故障检测与区段定位方法

2022-07-14 07:47刘红文曾祥君柴晨超喻锟贺世庚李理

南方电网技术 2022年6期

刘红文，曾祥君，柴晨超，喻锟，贺世庚，李理

(1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217；2. 智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学电气与信息工程学院)，长沙410114；3.云南兆讯科技有限责任公司，昆明650217)

0 引言

配电网结构复杂，运行工况多变，易发生线路故障，其中发生单相接地故障的概率高达70%，严重影响配电网安全稳定运行[1 - 4]。当发生瞬时性故障时，现有消弧线圈及多种消弧手段可在短时间抑制接地故障，使配电网内自行恢复正常运行。但发生永久性接地故障时，尤其高阻接地故障信号极其微弱，若未及时感知、查找与处置，长时间运行将导致非故障相电压上升，对电力设备绝缘产生危害，过高过电压导致绝缘击穿，发展成为相间故障，威胁整个电力系统的安全运行，同时存在极大的人身安全隐患[5]。为保障配电网接地故障处置准确性与安全性，故障发生时需迅速准确进行定位，并快速切除故障[6 - 7]。因此，研究配电网故障检测与定位技术具有重要意义。

目前，根据故障定位所获取信号的方式将定位方法主要分为两大类：1)利用故障量本身的稳态或暂态特征进行定位，即被动式定位方法[8 - 14]；2)通过外加信号或人为手段进行定位，即主动式定位方法[15 - 16]。第一类方法受中性点接地方式、过渡电阻和装置灵敏度等因素影响，单纯地利用故障量本身特征的被动式定位方法因配电系统的运行和结构复杂性缺乏工程实用性[17 - 21]。第二类方法是小电流接地系统单相接地故障定位研究的主要研究方向之一。其中特定频率信号法是目前应用较多的方法之一，除了常用的“S”注入法之外[22 - 24]，采用中性点在线注入信号识别单相接地故障的方法也得到了较为广泛的应用。通过中性点向故障系统注入直流电流信号，对信号寻踪查找故障点，但注入电流的大小需要依赖检测精度[25]。文献[26]提出了向配电网络注入单一特征信号的故障处理方法，但过渡电阻较大时，经过渡电阻流入大地的特征信号会大幅减弱。电容的分流作用也会分掉部分信号能量，判别准确度降低。文献[27]利用短时注入电容电流增加故障稳态特征量，提高了基于故障稳态特征选线定位判据的准确率和抗过渡电阻能力，该方法仅适用于中性点不接地系统。文献[28]增大注入频率以提高检测的电流水平，但在接收端用于提取注入频率的带通滤波器会导致测量过程延迟。

面对配电网非有效接地系统接地故障消弧、选线与处置的世界性难题，曾祥君教授课题组研制了柔性接地装置，该柔性接地装置通过控制算法产生脉宽调制信号控制有源逆变装置，向中性点注入工频零序电流，实现中性点电压灵活调控，降低故障相电压实现单相接地故障消弧。同时，可根据零序电压调控策略，实现故障辨识、故障选线、对地参数测量等接地故障检测功能[29 - 30]。此外，柔性接地装置具有响应速度快、准确性好、能够灵活调控输出。又因为工频高阻接地故障信号微弱，难以进行感知和处置，因此，当发生永久性接地故障时，经柔性接地装置进行故障消弧、辨识、选线等功能后，可灵活调控柔性接地装置向中性点注入非工频电流信号，利用配电网自动化终端检测不同区段下电压电流变化，实现接地故障区段定位，提升高阻接地故障下感知灵敏度，从而实现柔性接地装置与故障区段定位功能的结合。由于该柔性接地装置处理接地故障的先进性、实用性以及多功能特性，现在已经得到了规模化的应用。

基于此，针对现有配电自动化设备在高阻接地条件下故障稳态特征微弱，感知困难与定位失效的问题，本文提出了通过柔性接地装置注入非工频小信号的接地故障检测与区段定位方法。当故障发生时，通过柔性接地装置进行接地故障检测，当判定为永久性接地故障时，柔性接地装置向谐振接地系统中性点注入非工频电流信号，通过故障线路故障相各配电网自动化终端对特征频率电流信号进行检测提取，根据故障相故障区段与非故障区段检测的特征频率电流幅值特征差异，准确定位故障区段。最后在PSCAD仿真平台上搭建区段定位仿真模型，验证了所提故障定位方法的有效性和适用性。

1 非工频信号注入故障区段定位方法

1.1 非工频信号注入故障区段定位原理

假设C相发生单相接地故障，通过柔性接地装置注入一非工频零序电流信号，应用对称分量法得其复合序网如图2所示。

图1 谐振接地系统单相接地故障示意图Fig.1 Schematic diagram of single-phase grounding fault of resonant grounding system

图2 注入非工频电流系统复合序网图Fig.2 Composite sequence network diagram of injected non power frequency current system

图3 非工频电流作用下零序等效电路Fig.3 Zero sequence equivalent circuit under non power frequency current

(1)

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(4)

(5)

当发生金属性接地故障时(Rg=0 Ω)，由式(5)可知，金属性接地时，有源柔性接地装置向中性点注入的电流将全部经故障线路流入接地点。此时，只有故障上游检测点才可检测到注入的电流信号，因此金属性接地故障时，可根据是否检测到注入的非工频电流信号对故障区段进行定位。

(6)

(7)

因此，由式(6)、(7)可得健全区段与故障区段的区段电流幅值为：

(8)

式中：ΔI(n,n+1)、 ΔIf(n,n+1)分别为健全区段和故障区段两侧检测点n与检测点n+1的区段电流幅值；C(n,n+1)为检测点n与检测点n+1之间的分布等效电容。

由式(8)可知，健全区段的区段电流幅值为该区段对地电容电流的幅值，而故障区段的区段电流幅值为对地电容电流与接地电阻电流矢量和幅值。由此可得，区段故障时区段电流幅值要大于该区段电容电流幅值。根据此特征，设计各区段的区段电流幅值阈值为：

(9)

由式(8)—(9)可知，健全时，区段电流幅值等于阈值ΔIset(n,n+1)；故障时，区段电流幅值大于阈值ΔIset(n,n+1)，Y(n,n+1)为各区段对地导纳和，现有多种方法可以测得[31]，考虑实际运行时各种因素的影响，令实际对地导纳Y′(n,n+1)=μY(n,n+1)，μ为可靠系数(μ取0.95～1.05)。此时，健全区段的区段电流幅值ΔI(n,n+1)与区段电流阈值ΔIset(n,n+1)差绝对值|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|=σ，σ∈(0， 0.05ΔIset(n,n+1))，σ为保留的幅值裕度。

因此，可定制定位判据：当发生单相接地故障时，根据故障相区段电流幅值特征，若检测计算得到某区段特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|>σ，则判定故障发生在该区段，从而实现故障区段定位。

1.2 影响因素分析及参数选取

由式(8)可知，区段电流幅值除了与对地参数相关外，还与注入电流波形、幅值、频率以及过渡电阻有关，这些因素都会影响该故障区段定位方法的准确性和有效性。因此，为了确保所提区段定位方法能够有效可行，有必要对特征量的影响因素进行分析，并选取合适的参数，增大幅值特征量，确保区段定位判据在高阻及低阻接地故障工况下均能有效判别，并有较强的抗过渡电阻能力，能对故障区段准确进行定位。图4为故障时通过柔性接地装置向系统中性点注入不同波形非工频电流信号后，检测到的故障区段的区段非工频电流波形。

图4 不同波形注入后故障区段电流Fig.4 Fault section current after different waveform injection

由图4可知，以方波注入时故障区段电流幅值最大，三角波注入时最小，正弦波注入时区段电流幅值介于两者之间。区段电流幅值越大，更容易被感知，但以方波注入时会导致波形畸变，并会带来更多的谐波成份，对电气环境造成污染[32]。因此综合考虑，当发生永久性接地故障时，通过柔性接地装置向中性点注入非工频正弦电流信号对故障区段进行定位。

图5 区段电流幅值与频率f和过渡电阻Rg的关系Fig.5 Relationship between section current amplitude and frequency f and transition resistance Rg

由图5可知，故障区段电流幅值在过渡电阻Rg一定时，随着频率f增大，先增大后减小，当频率f=52.44 Hz时，因线路总对地电容与消弧线圈电感发生谐振，即3ωC0-1/ωL=0，由式(8)可知，此时故障区段电流幅值表达式分母取最小值1，因此，当f为谐振频率52.44 Hz时，电流差幅值取得最大值；当频率f一定时，除了谐振频率及附近的频率值外，随着过渡电阻Rg增大，电流差幅值减小，而在谐振频率及附近频率处，ΔIf(n,n+1)表达式分母趋近于1，几乎不受Rg影响，分子与Rg成正比关系，因此随着Rg增大，ΔIf(n,n+1)也增大。

下面分析所提判据特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|的抗过渡电阻能力，特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|与注入信号频率f和过渡电阻Rg的关系如图6所示。

图6 特征量与频率f和过渡电阻Rg的关系Fig.6 Relationship between characteristic quantity and frequency f and transition resistance Rg

2 接地故障检测与区段定位方法实现流程

由于配电网一般为多分支线路，设计多分支线路配电网接地故障检测与区段定位方法实现流程如图7所示。

图7 接地故障检测与区段定位方法实现流程Fig.7 Implementation flow of grounding fault detection and section positioning method

当谐振接地系统发生单相接地故障时，首先通过柔性接地装置进行故障感知、选相，并向中性点注入零序电流控制故障相电压为0，进行故障消弧，之后进行接地故障动态辨识，若判为瞬时性接地故障，熄弧后减小注入电流至0。若判定为永久性接地故障，改变装置注入电流大小，判断零序电流幅值变化量最大的馈线为故障馈线，然后经柔性接地装置向系统中性点注入非工频特征频率的电流信号，根据所提故障区段定位方法进行故障定位。

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建如图8所示的10 kV配电网区段定位仿真模型，对本文所提故障检测与区段定位方法进行仿真验证。

图8 仿真拓扑结构图Fig.8 Simulation topology diagram

仿真模型中包含2条馈线l1、l2，其中馈线l2包含2条分支线路X1、X2。馈线l1和馈线l2的分支线路X1为电缆线路，其余线路为架空线路。馈线仿真参数如表1所示。按测量装置划分各区段，谐振接地系统一般工作在过补偿状态，本文取过补偿度为10%，则电感L为0.352 H。

表1 馈线仿真参数Tab.1 Feeder simulation parameters

图9 区段(H,I)C相5 kΩ接地故障下各区段电流幅值Fig.9 Current amplitude of each section under 5 kΩ grounding fault of phase C in section (H, I)

图10 区段(E,F)C相5 kΩ接地故障下各区段电流幅值Fig.10 Current amplitude of each section under 5 kΩ grounding fault of phase C in section (E, F)

由图9—10可知，当架空线区段(H,I)和电缆线区段(E,F)C相发生5 kΩ高阻接地故障时，故障区段的区段电流幅值比同类型线路健全区段电流幅值大，因此，对于单一型线路故障，可根据区段电流幅值大小对故障区段定位。而对于架空、电缆混合型线路，单位电缆线路对地电容远大于架空线路对地电容，因此，区段故障时，电缆区段电流幅值远大于架空线区段电流幅值。从图9看出，当架空线区段(H,I)高阻接地故障时，电缆区段电流幅值均比架空线故障区段电流大，无法根据区段电流幅值大小定位故障区段。

通过对故障时区段电流稳态幅值特征进行分析，构建了电流幅值故障定位判据。下面对不同线路、不同区段和不同过渡电阻接地情形下进行仿真，验证本文所提故障区段定位判据的有效性和准确性。表2为不同过渡电阻下架空线路区段(H,I)发生C相接地故障时各检测区段的非工频区段电流幅值情况。令区段电流实际测量值f测=ΔI(n,n+1)，区段电流阈值fset=ΔIset(n,n+1)。

由表2可知，由于非故障区段的区段电流为该区段对地电容电流与对地泄漏电流和，而故障区段电流除了对地电容电流与对地泄漏电流外，还包括接地电流。因此，非故障区段的区段电流幅值测量值等于阈值，即|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|=0，故障区段电流幅值测量值大于阈值，即|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|>0。

表2 区段(H,I)C相接地故障各区段的区段电流幅值Tab.2 Section current amplitude of each detection section of section (H, I) phase C grounding faultmA

根据区段定位判据得架空线路区段(H,I)不同过渡电阻下C相接地故障定位结果如表3所示。

表3 区段(H,I)不同过渡电阻下C相接地故障定位结果Tab.3 Location results of phase C grounding fault under different transition resistance in section (H, I)

由表3可知，架空线路区段(H,I)在不同过渡电阻下发生C相接地故障时，根据本文所提故障区段定位判据，均能准确定位故障区段。另外，在5 kΩ高阻故障时，可得电流判据特征量为0.73 A，有效增强了高阻接地时稳态特征，容易被感知。表4为不同过渡电阻下电缆线路区段(E,F)发生C相接地故障时，各检测区段的非工频区段电流幅值情况。

表4 区段(E,F)C相接地故障各区段的区段电流幅值Tab.4 Section current amplitude of each detection section of phase C grounding fault in section (E, F)mA

从表4中可得，电缆线区段(E,F)C相接地故障时，非故障区段的判据特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|均为0，故障区段判据特征量|ΔI(n,n+1)-ΔIset(n,n+1)|大于0。因此，可得区段(E,F)在不同过渡电阻下C相接地故障的定位结果如表5所示。

由表5可知，电缆线路区段(E,F)在不同过渡电阻下发生C相接地故障时，根据区段定位判据，仍精准定位区段(E,F)为故障区段。

根据表3、表5定位结果显示，本文所提区段定位方法在高阻接地故障时，稳态电流幅值特征明显，仍可对故障区段准确进行定位。由此可以看出此区段定位方法有较强的抗过渡电阻能力，可以对故障区段实现宽范围精准定位。

表5 区段(E,F)不同过渡电阻下C相接地故障定位结果Tab.5 Location results of phase C grounding fault under different transition resistance in section (E, F)

当馈线l2分支线路X2末端发生C相接地故障时，各检测区段的非工频区段电流幅值情况如表6所示。

由表6可以看出，当分支线路X2末端在不同过渡电阻值情形下发生C相接地故障时，馈线l2主干线路上区段以及两分支线路X1、X2上区段的电流特征量均为0，根据定位判据，线路上区段均为非故障区段，因此判定故障发生在线路末端。此时，柔性接地装置可根据分支线路X2上零序电流变化量比分支线路X1零序电流变化量大的特征，从而确定故障发生在分支线路X2末端，然后对接地故障进行处置。

考虑到高阻接地故障对传统区段定位方法有较大影响，在该仿真模型下，选取基于中电阻的区段定位方法进行仿真并与本文所提方法进行比较，结合表2、表4仿真数据得不同区段高阻接地故障仿真结果如表7所示，K为区段上游增量系数[10]，F为本文所提区段判据特征量。由表7可知，中电阻法在架空线区段(H,I)经1 kΩ接地故障时，根据故障区段下游K值小于1，上游K值大于1，尚可定位区段，但在架空线区段(H,I)经5 kΩ高阻接地故障及电缆区段(E,F)高阻接地故障时，所得故障线路各区段上游增量系数K值均小于1，无法定位故障区段，受高阻接地故障影响大。而对于本文所提非工频注入法，在不同区段高阻接地故障时，根据所提区段定位判据仍可准确定位故障区段。

上述理论分析及仿真结果表明，当配电网在不同线路、不同区段和不同过渡电阻下发生单相接地故障时，运用本文所提故障区段定位方法均能够准确判别故障区段，并具备较强的抗过渡电阻能力，可对故障区段实现宽范围精准定位。

4 结论

为了解决现有配电自动化设备高阻接地故障时稳态特征微弱、定位困难的问题，提高故障定位的准确性和抗过渡电阻能力，本文提出了中性点柔性接地设备注入非工频信号的故障检测与区段定位方法。最后在PSCAD/EMTDC仿真环境中搭建仿真模型对所提区段定位方法的可行性进行了验证，并得到以下结论。

1)本文所提区段定位方法有效增强了谐振接地系统高阻接地故障时的稳态特征，有较强的抗过渡电阻能力，能够在多分支线路谐振接地系统架空线路、电缆线路区段发生单相接地故障以及线路末端时，对故障区段实现宽范围精准定位。

2)此方法通过柔性接地装置实现，相比传统方法，响应速度更快、准确性更高、调节灵活度更好，其次可以灵活控制输出的波形形态，适应配电网各种变化下的高检测灵敏度。

3)故障区段定位判据无需进行复杂计算，可有效配合柔性接地电压消弧装置，操作简单，便于在工程上实现。