配电网单相接地故障的电场检测装置研制

陈继祥，张自伟，盛启玉，牟宪民

（1.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏连云港 223000；2.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116000）

我国配电网接地大多采用中性点不接地或者经过消弧线圈接地的方式。在实际中，系统发生单相接地故障的情况占比很高[1]，当中性点不接地系统发生接地故障后，输电线路与大地没有直接电路关系，线电压幅值和相位不变，所以在系统发生单相接地故障后短时间内还可以运行[2]。然而，由于线路接地，中性点的参考电位发生变化，输电线各相对地电压即相电压发生了变化，故障相对地电压下降，非故障相对地电压增大，导致输电线路各相周围的空间电场强度也发生了变化[3]，对处于电场增大区域的作业人员安全造成了一定威胁[4-6]。同时,非故障相的电压升高也可能导致线路绝缘遭到破坏，使故障进一步扩大。因此，为带电作业人员实时提供电场强度信息，保证第一时间发现接地故障线路、进行线选和抢修工作、避免发生电场危害非常有必要。

为解决上述问题，该文研发了配电网单相接地故障的电场检测装置，并通过实验验证其有效性。

1 接地故障分析与传感器设计

1.1 单相接地故障分析

当不接地的三相输电线路系统发生单相接地故障时，接地点电位为零，三相电源各相对地电压的大小和相位都会发生变化[7-8]，线路各相电压之间的联系可以采用如图1 所示的相量图来表示。

图1 单相接地故障电压相量图

正常运行时，三相输电线路的电压对称。若C相发生接地故障，为简化分析，假定C 相金属性接地，即C 相的相电压为零，零电位参考点发生变化，变为图中点O1，三相对地电压变为：

由式（1）和电压相量图易知，非故障相电压升高根号3 倍，相位同时也发生了改变。工频50 Hz 交变电场的波长约为6 000 km，远远大于所研究区域内的最大距离，可将工频电场视为准静态场[9]，静电场强与电势梯度的关系为[10]：

式中,E是电场强度，φ是电势，∇是散度算子。因此，当输电线路发生单相接地故障后，由于零电位参考点转移到接地点，空间电势发生改变进而输电线周围的空间电场强度较接地故障前也会发生变化。

1.2 平行半圆板电场传感器等效电路模型

交变电场会使电场传感器极板表面产生感应电荷，利用电荷和电场之间的数学关系，可以获得电场测量信号[11-12]。输电线路周围的电场发散，为了增大极板感应面积，设计了半圆形极板的电场传感器，等效模型如图2 所示。

图2 平行半圆板电场传感器等效模型

假设t时刻空间电场强度为E(t)，在传感器传感单元表面感应出感应电荷Q(t)。假定传感单元表面积大小为s，产生的感应电荷面密度为σs，则极板的面电荷大小为：

式中,k为变换系数。

感应电荷作用在极板间的耦合电容上产生感应电压，大小为：

式中，Cp为极板间耦合电容[13]。

即通过测量电容上的电压就可以计算出电场[14-15]。将低通调理电路进行拉普拉斯变换，利用回路电流法得到：

联立方程组求得传递函数为：

计算频域增益，得到调理电路输出电压Uo与电场强度E(t)的关系式为：

式中,ω为角频率。

因此，通过测量调理电路的输出电压即可以得到输电线周围的电场强度值[16]。

2 有限元与电路仿真结果

2.1 多物理场模拟

COMSOL MULTIPHYSICS 是一款多物理场仿真软件，功能十分丰富。该文选取10 kV 电杆的单回输电线路进行分析。则A 相发生接地故障前后的电压仿真结果如图3 所示。

图3 A相接地故障电压仿真结果

仿真结果可以看出当输电线路A 相在发生接地故障后电压迅速减小，非故障相电压升高，其大小接近线电压，会导致输电线路周围电场强度发生变化。

在A 相和B 相正下方距电缆中心0.15 m 处设置电场强度测量点，分析当A 相和B 相发生接地故障前后电场强度的分布情况，仿真结果如图4-5 所示。

图4 A相接地故障前后电场仿真图

图5 B相接地故障前后电场仿真图

从仿真结果中可以看出，A 相在发生接地故障后电场强度急剧减小，而其余两相电场强度增大。由于B 相为中间相受到A、B 两相的耦合影响，电场强度在接地故障前后都要高于其余两相。B 相在发生接地故障后电场强度也急剧减小，而其余两相电场强度增大，且其余两相在接地故障前后的电场强度值基本一致。输电线路发生接地故障后，电场强度变化趋势与电压大小变化趋势相同。

2.2 电路模拟

使用MUTISIM 绘制了电场传感器的调理电路并进行仿真分析，电路仿真模型如图6 所示。

图6 MUTISIM电路仿真模型

设输入的交流电压信号Up幅值为200 mV，频率为50 Hz，仿真结果如图7 所示。

图7 调理电路仿真图

仿真结果表明，电场传感器的调理电路可以同比例获得电场传感器极板上感应的交流电压信号。

3 输电线路模拟实验

为了模拟实际输电线路和其单相接地故障情况，在实验室搭建了一个简单的拉线门型杆输电线路实验模型。输电线路长3 000 mm、距地面1 000 mm、相间距270 mm，采用隔离变压器和自耦变压器连接模式，可实现输电线路变压式单相接地故障电场测量，电场传感器设备A、B、C 分别对应线路三相水平放置。实验模型如图8 所示。

图8 拉线门型杆实验模型

参考传感器位置，将校正后的PCB 传感单元放置在距输电线正下方15 mm 处，测量输电线周围的电场强度，绘制测量数据曲线与COMSOL 仿真数据曲线，曲线关系如图9 所示。

图9 PCB传感单元测量曲线与COMSOL仿真曲线

从图9 中曲线可以看出，在输电线的绝缘皮、平整度以及环境因素的影响下，电场强度实际测量值要略小于COMSOL 仿真值。但从曲线分布可以看出，两者趋势相同，均具有参考性，因此，使用COMSOL 仿真数据校正平行半圆板电场传感器具有合理性。校正后的平行半圆板电场传感器测量数据曲线如图10 所示。

图10 平行半圆板传感单元测量曲线与COMSOL仿真曲线

可以看出经过校正后的平行半圆板传感单元测量线性度明显优于PCB 传感单元测量，与COMSOL电场强度仿真值基本重合。

为验证上述输电线路发生单相接地故障后的电场强度变化情况，利用图8 搭建的实验模型进行单线接地实验，输电线电压为0.26 kV，线路A 相接地，并通过折现图显示记录的实验结果。实验结果如图11 所示。

图11 电场强度折线图显示

从实验测量效果中可以看出，当线路A 相发生接地故障时，其周围电场强度迅速减小，而B、C 两相周围电场强度增大，与COMSOL 单相接地故障仿真结果一致，说明研制的电场检测装置能够通过监测结果判断接地故障，电场检测精度较高，实际应用效果好。

4 结论

该文通过对配网单相接地故障前后的电场分布情况进行仿真分析，搭建实验模型对故障状态的电场分布进行检测。结果显示，利用平行板型电场传感器和分布式通信功能可以快速捕捉到接地故障发生后的电场变化情况以及故障线路信息。文中方法在单相接地故障的检测中具有较好的有效性和实时性。在后续研究中，希望通过增加传感器平行半圆板传感单元数量，进一步提高分布电场的检测质量。