配电网架空线路高阻断线路故障隔离优化分析

孙万里

（国网山东省电力公司海阳市供电公司）

0 引言

高阻抗（HiZ）／断线保护（BCP）故障是所有公用事业中众所周知的问题。HiZ故障是那些“不能产生足够的故障电流被传统的过流继电器或熔断器检测到”的故障。HiZ保护主要侧重于保护人员、牲畜和财产，而传统保护旨在保护电力系统。

在持续的客户满意度监管控制的压力下，电网公司面临着提高其系统平均中断持续时间指数（SAIDI）和系统平均中断频率指数（SAIFI）指标的问题［1-2］。如果保护系统正确隔离故障，网络关键性能指标（KPI）将得到改进。为了克服这个问题，回顾了传统保护系统中的挑战，因此开发了一种新的自适应保护概念来隔离HiZ／BCP故障。

1 技术方法分析

随着城市的不断扩张和用电负荷的增加，配电网架空线路已成为城市供电的主要形式之一。在架空线路的使用过程中，高阻断线路故障是不可避免的问题之一。为此，进行高阻断线路故障隔离的优化分析是非常有必要的。

1.1 高阻断线路故障隔离的原理

高阻断线路故障通常是由于架空线路触电、电力设备老化、杆塔损坏等原因引起。当发生高阻断线路故障时，会造成整条线路的电力供应中断。为了恢复电力供应，需要进行快速的故障隔离处理。故障隔离的方法通常分为手动和自动两种。手动故障隔离通常需要人员现场操作，会受到时间和人力的限制；而自动故障隔离则可以实现快速、准确地隔离故障。自动故障隔离采用遥测遥控技术，通过检测故障信号和控制开关的动作来实现故障区域的隔离。

1.2 高阻断线路故障隔离的优化分析

（1）检测方法的优化

检测方法的优化可以提高故障隔离的准确性和速度。传统的故障检测方法主要依赖故障指示器、GIS面板等设备，但这些设备存在灵敏度低、误判率高、检测速度慢等问题。新型的故障检测技术可以更加准确地检测故障，如基于深度学习的故障检测方法、基于视频识别的故障检测方法等。

（2）故障隔离区域的确定

故障隔离区域的确定对于故障隔离的准确性和速度有很大影响。目前，隔离区域主要通过预设分段方式确定，但这种方法无法全面考虑所有可能出现的故障情况。因此，可以采用基于电网拓扑结构和遥测数据的分段方式，可以更加准确地确定故障隔离区域。

通过优化高阻断线路故障隔离的方法，可以提高故障隔离的准确性和速度，为城市的供电安全提供保障。未来，还需要进一步探索新的故障隔离技术，提高故障隔离的自动化程度和智能化水平。

2 配电网带电线路试验观测

本节简要分析在配电网中进行的带电测试。为了分析HiZ／BCP继电器的性能，在两种不同故障类型的架空线路馈线上进行了带电测试。带电线路测试位置的土壤电阻率也不同。

2.1 带电测试目的及类型

带电测试的目的如下： （1）确认网络中接地故障电流的值和接地元件的折减系数； （2）在中性点断开的情况下测量故障期间的电容电流，并评估系统接地性能；（3）评估接地故障电流如何在不同的地表土壤上建立；（4）评估接地故障期间的危险电压；（5）记录波形并测量接地故障过电流、I2（反向）过电流、灵敏EF电流、电流和电压不平衡等参数；（6）为了检查高次谐波，存在电流和电压失真；（7）为了检查电弧产生能量爆发；（8）评估来自多个继电器的不同检测算法的性能； （9）评估泄漏电流的建立［3-5］。

在具有真实网络配置的两个OHL（架空线路）馈线中进行了52次测试。在模拟过程中，五个不同的供应商保护继电器串联连接。应注意的是，继电器设置参数由相关的原始设备制造商工程师正确设置，以分析带电测试期间继电器行为的性能。

（1）开路故障：导体断开，从负载侧接地或不接地；

（2）高阻抗接地故障：测试导线接触地面2m、4m和6m长，测试导线埋深0.2m和0.5m；

（3）金属接地故障：连接到OHGW 和保护接地系统的测试导线；

（4）高阻抗接地故障：接触地面的2m、4m和6m长的薄测试导线（2.5mm2），以及埋在0.2m和0.5m深的薄测试导体（2.5m2），有和没有额外的水分；

（5）高阻抗接地故障：连接在木杆上的测试导线，有或没有额外的水；（6）电源中性点断开的金属接地故障（主站）；（7）金属接地故障：连接到附近杆装变压器保护接地系统的测试导线。

2.2 HiZ／BCP带电测试结果

如图1所示在网络中进行的HiZ带电线路测试期间保护继电器的性能总结。从结果可以看出，大多数HiZ故障都不是由保护继电器检测得到。

图1 正确跳闸与误跳闸

在带电线测试（细导体2.5mm2）中，实验“d”的主要目的之一是激发电弧，并记录电流和电压中的任何能量突发和谐波（畸变）。然而，在将测试导体铺设在表面而不附加水的15个实验中，只有一个明显的电弧被注意到，如图2所示。

图2 试验期间在砂表面记录电弧

从图3中可以看出故障电流中的高失真（谐波），但所有结果都表明，可见的电弧通常很难引起。从测试前的连续记录中可以注意到，电压的“正常”总谐波失序（THD）水平在0.3% ～0.7%的范围内变化，相电流在5% ～7%的范围内变化，这些值在故障期间没有显着变化，主要是因为故障电流相对于负载电流非常低。

图3 模拟d时变电站中的电流波形THD＝42%

3 隔离高阻抗／断线故障的最佳解决方案

隔离高阻抗故障的最佳解决方案是根据电力公司带电线路测试结果，并应用IEC61850标准，考虑到经济、安全、可靠和最大程度的谨慎，以最大限度地减少设备损坏，并为客户提供不间断的电源。电力系统设备非常昂贵，因此需要投入非常大的资金。为了最大限度地提高这项支出的回报，必须在供应的安全性和可靠性的适用限制范围内尽可能多地使用该系统。

3.1 使用IEC61850的HiZ／BCP保护原理

IEC61850标准广泛使用了可视化的概念。简易故障装置产生的数据以标准格式呈现。这样，从系统设计者的角度来看，IED功能变得通用，但底层功能保留了供应商特定的特性，这些特性在本质上可能是独特和专有的。

本文的HiZ／BCP方案的架构单个集中式IED用于连接到标准间隔控制单元的许多馈线，这些馈线已经存在于相关馈线中。该方案的主要目的是在不影响符合ADWEA／AADC规范的高阻抗／断线保护要求的情况下将成本降至最低。

IEC61850标准使用的数据模型基于包含一组数据对象的逻辑节点，该数据对象在集中式HiZ／BCP IED中定义。数据模型在标准IEC61850-7-4和IEC 61850-7-3中进行了定义。该通信标准旨在确保来自不同供应商的设备之间的互操作性。它还有一个额外的优势，任何供应商的简易爆炸装置都可以更换，以防出现必要的缺陷。

推荐方案的制定方式是，只有当OHL发生故障时，故障馈线才会与系统隔离，而健康的馈线将留在系统中而不会跳闸。根据AADC／ADWEA规范，包括BCU在内的所有IED和保护继电器应符合最新的IEC 61850标准。间隔级装置将接收来自电流和电压互感器的模拟输入。GOOSE（通用面向对象变电站事件）类模型用于通过使用多播服务在间隔级的IED之间分配输入和输出数据值。GOOSE消息是单向的，仅发送请求特定于应用程序的方法以确保消息的发送方和接收方安全操作的消息。

这意味着GOOSE消息的接收器也分发GOOSE信息并且闭合用于通信的循环。这取决于以何种方式进行确认的应用程序。

HiZ元件使用多种算法来实现高阻抗故障检测，例如负载分析算法、电弧爆发模式分析算法、谐波抑制算法、I2／I1检测算法、总谐波检测算法 （THD）和电压监控算法。HiZ元件确定持续电弧是来自倒下的导体还是来自完整的导体，然后产生输出以分别指示倒下的导体的检测或电弧的检测。

需要对输出数据值进行特殊处理，以设置包含在IEC61850标准中定义的几个逻辑节点中的数据，从而允许变电站自动化系统（SAS）内的实体之间的两组通信服务。其中一个组使用客户端-服务器模型，提供报告和远程切换等服务。第二组利用对等模型用于与时间关键活动相关联的通用变电站事件（GSE）服务，例如用于保护目的的智能电子设备（IED）之间的快速可靠通信。

IEC61850-7-4标准。设置数据的值与定义的设置组的值一样多，每个设置组都有一组一致的值。HiZ／BCPIED具有许多设置组，并且根据任何单独的设置组可以用于任何特定的馈线，这将提供改变特定馈线的设置的灵活性。

不同的算法可以由HiZ／BCPIED基于从间隔级单元（BCUIED）接收的模拟测量来检测。此外，一旦接收到来自HiZ／BCPIED的信号，所有间隔级IED将接收该信息，并且相应地，相关健康馈线的跳闸／报警信号被阻断。如图4所示。

图4 逻辑设备构建

3.2 优势

从上述拟议方案中，可以预见到以下优势。

（1）在不影响方案要求的情况下，以最小的成本实现高阻抗／断线故障。

（2）库存成本可以最小化，因为备件数量可以受到限制。

（3）当使用IEC61850定义方案时，可以使用不同的供应商IED。

（4）由于HiZ／BCP方案是通过所有OHL馈线的单个IED实现的，因此总体成本将降至最低，并且还将消除控制线的使用，这是该方案的额外成本节约。

3.3 限值

从上面提出的方案中，观察到以下限制。

（1）如果光纤电缆发生故障或IED之间的通信中断，则无法检测到高阻抗／断导体故障。

（2）当计划为每个馈线使用不同的设置组时，馈线的数量是有限的。但是不需不同的设置组，如果计划在大多数情况下使用一个或几个设置组，则保护设置是相同的。

（3）应评估IED在AlAin现场环境条件下的操作适用性，因为IED在极端温度下的故障已被注意到，尽管文献证实了耐温额定值。

4 结束语

根据带电测试，最终确定了砂中HiZ／BCP故障检测的引用。利用这些标准以及使用GOOSE逻辑的集中式IED提出的断导体保护／高阻抗故障方案，有望在网络中实现HiZ／BCP故障检测。实际上，由于HiZ故障在干沙上很难检测到，因此不可能检测到100%的HiZ并实现对假输出的高度安全性。然而，HiZ／BCP方案对于满足监管机构的要求和防止设备／牲畜的损害至关重要。此外，投资前必须分析投资成本。本方案从经济、安全、可靠的角度出发，最大限度地减少设备的损坏，为AADC网络的用户提供不间断的电力供应。为了使这笔支出的回报最大化，系统必须在安全和可靠性的适用限制范围内尽可能多地使用。配电公司有责任以满足保护要求的方式设计方案，以尽量减少或消除损害。