中低压配电线路的维护与故障识别技术研究

陈涛涛

（浙江幸福航天科技有限公司，浙江湖州 313000）

1 中低压配电线路故障识别方法

1.1 故障起动判定

中低压配电线路发生故障时电流信号会产生奇异性特征，利用Hankel 矩阵对中低压配电线路电流信号进行解析，然后比较电信号细节分量元素的门槛值与绝对值，可以实现快速定位中低压配电线路故障的目的。具体故障检测方法如下：

中低压配电系统如图1 所示，首先，采集中低压配电网运行过程中线路两端位置电流信号，并将采样数据构造为Hankel矩阵，对电流信号奇异值进行解析；其次提取分量信号P1，寻找中低压配电网运行过程中的电流分量信号P1中绝对值最大值PN，设定中低压配电线路故障起判依据门槛为PT=k′PN，k′为门槛系数，其满足k′＞1 的要求。

图1 中低压配电系统

在明确门槛值的情况下，中低压配电线路上保护设备可以定时采集线路电流信号，并将最新电流信号转换为Hankel 矩阵，通过对Hankel 矩阵奇异值进行解析可获得分量信号P1，中低压配电线路故障起动判据为：

其中，PT为门槛值；｜P1｜max为分量信号P1元素绝对值最大值。当式（1）故障起动条件成立时，表明中低压配电线路存在故障。

1.2 故障方向判别

通过区分中低压配电网区内故障和区外故障，可以实现对线路故障方向的判别。当中低压配电网区内发生故障时，中低压配电线路两端保护装置故障电流增加，且增加方向一致，而分量信号P1中不同元素突变方向也保持一致；当中低压配电网区外发生故障时，中低压配电线路两端保护装置故障电流增加，但两台保护设备电流增长方向不一致，此时分量信号P1中不同元素突变方向相反。

因此主要通过对比中低压配电线路两端分量信号P1找不同元素符合变化情况来判断中低压配电网区内故障或区外故障，实现中低压配电线路的纵联保护，纵联保护故障识别依据为：

其中，P2MP为中低压配电系统M 端负正极分量信号P1发生故障时的元素；P2NP为中低压配电系统N 端正分量信号P1发生故障时的元素；P2MN为中低压配电系统M 端负极分量信号P1发生故障时的元素；P2NN中低压配电系统N 端负极分量信号P1发生故障时的元素。如果故障乘积大于0 时表示分量信号P1符号相同；如果乘积小于0 则表示分量信号P1符号相反。

2 中低压配电线路纵联维护方案

2.1 纵联维护方案

在中低压配电线路纵联维护中，故障判据的作用是判断线路故障类型，并明确故障极。提出中低压配电线路纵联维护方案通过对比中低压配电线路正极分量P1和负极分量P1中的元素异同情况来判断线路故障类型，并明确故障极。

当中低压配电线路出现双极故障时，中低压配电线路正极和负极分量信号P1中各元素符号均相同；当中低压配电线路正极出现接地故障时，正极分量信号P1中各元素符号相同，负极分量信号P1中各元素符号相反；当中压配电线路负极出现接地故障时，正极分量信号P1中各元素符号相反，负极分量信号P1中各元素符号相同。根据以上特征可以得到中低压配电线路故障选极判断依据如式（3）所示：

根据中低压配电线路故障识别判据、起动判据和选极判据，提出中低压配电线路维护方案，维护方案流程如图2 所示。该保护方案可以提高中低压配电系统断路器起动速度，当中低压配电线路出现故障时，Hankel 矩阵通过解析线路电流奇异值判断线路是否存在故障，如果线路正负极电流满足线路故障判断依据，线路断路器起动，并向终端发送中低压配电线路正负极信号；然后根据故障判断依据辨识线路故障为区内故障或区外故障，如果为区内故障则发送跳闸信号；如果为区外故障则不发送跳闸信号。只有在中低压配电线路维护方案故障识别判据、检测判据和选极判据均符合保护条件的情况下，保护装置才会动作。

图2 线路维护方案流程

2.2 仿真验证

基于图1 中低压配电系统进行仿真分析，首先采集N、M 端保护装置正负极电流信号，并将其构造为Hankel 矩阵，其次解析线路奇异值获取分量信号，并根据线路维护方案判断是否存在故障，最后根据分量信号中各元素符号关系判断线路故障为区内故障或区外故障，并确定线路故障极，如果线路故障为区内故障则发出跳闸信号。

2.2.1 区内故障

（1）双极短路故障。当中低压配电线路发生双极短路故障时，线路M、N 端正负极电流分量信号和原始信号如图3 所示。从仿真结果来看，当中低压配电线路发生双极故障时，线路正极电流呈增长趋势，负极电流呈减小趋势，由此可见M、N 两端线路分量信号符号为“+”，符号一致，满足P2MP×P2NP＞0 的条件；线路负极电流P2MP、P2NP符号为“-”，符号一致，满足P2MP×P2NN＞0 的条件。

图3 区内线路双级故障波形

根据线路纵联维护方案中线路故障判据和选极公式，上述线路故障情况满足P2MP×P2NP＞0&PMN×P2NN＞0 条件，由此可以判断中低压配电线路为区内故障，且为双极短路故障，仿真结果与实际情况一致，线路保护装置发送跳闸信号。

（2）正极接地故障。当中低压配电线路发生正极接地故障时，线路M、N 端正负极电流分量信号和原始信号如图4 所示。从仿真结果来看，当线路发生故障时，线路正极电流有增大趋势，而M、N 端正极分量信号中P2MP×P2NP符号为“+”，符号一致，满足公式P2MP×P2NP＞0；M 端负极电流有增大趋势，而且N 端负极电流则下降，因此P2MP符号为“+”，P2NP符号为“-”，符号不一致，满足P2MP×P2NP＜0 的条件，根据线路纵联维护故障判断依据，该故障为区内故障，且满足P2MP×P2NP＞0&P2MN×P2NN＜0 的条件，因此为正极断路故障。此时正极线路保护装置发出跳闸保护信号，负极保护装置不执行保护动作。

2.2.2 区外故障

（1）双极短路故障。当中低压配电线路区外发生双极接地故障时，线路M、N 端正负极电流分量信号和原始信号如图5 所示。从仿真结果来看，中低压配电线路发生故障后，M 端正极电流逐渐减小，N 端正极电流逐渐增大，线路分量信号中P2MP符号为“-”，P2NP符号为“+”，符号不一致；M 端负极电流逐渐增大，N 端负极电流逐渐减小，P2MN符号为“+”，P2NN符号为“-”，符号不一致，根据线路故障判断依据，该情况满足P2MP×P2NP＜0&P2MN×P2NN＜0 条件，由此可以判断线路故障为区外故障，此时断路器不执行保护动作。

图5 区外线路双级故障波形

（2）负极接地故障。当中低压配电线路区外发生负极接地故障时，线路M、N 端正负极电流分量信号和原始信号如图6 所示。从仿真结果来看，终端低压配电线路发生故障后，M 端正极电流逐渐增大，线路分量信号中P2MP符号为“+”；N 端正极电流逐渐减小，线路分量信号中P2NP符号为“-”；M 端负极电流逐渐减小，线路分量信号中P2MN符号为“-”；N 端负极电流逐渐增大，P2MN符号为“+”。根据线路纵联维护方案故障判断依据，以上条件满足P2MP×P2NP＜0&P_P2MN×P2NN＜0，因此可以判断该故障为区外故障，此时线路保护装置不动作。

图6 区外线路负级故障波形

3 结束语

为保证中低压配电网运行稳定性和安全性，提出适用于中低压配电线路的故障判断方案和纵联维护方案，该维护方案主要根据线路故障判断依据辨识线路故障，然后结合线路故障选极判据和识别判据确定线路故障类型。最后为验证线路故障判断和维护方案的有效性，分别选择区内外双极短路和正极或负极断路故障进行仿真验证，分析结果表明，线路故障判断方案可以准确判断线路故障级和故障类型，并且针对区内故障可以实现维护功能。