配电架空电缆混合线路单相接地故障定位技术的研究

配电架空电缆混合线路单相接地故障定位技术的研究一、目的和意义配电网通常是指110kV及以下电压等级的电网，在电力系统中担负着向用户直接供电的职能。配电网供电的可靠性直接影响用户用电的安全性和经济性。据统计，电力用户遭受的停电时间95%以上是由于配电系统原因造成的，电力系统损耗约有一半产生在配电网。近年来，随着国民经济的发展，用电负荷大幅增加，部分地区由于配电网建设跟不上用电负荷水平的增长而出现拉闸限电、故障频发等现象。与此同时，用户对电能质量要求也越来越高。无论是电网调度人员还是用户都迫切希望能够对配电网供电的安全性和经济性进行量化分析，以提高调度员决策的精确性和配电网的智能化水平。研究分别针对短路故障和单相接地故障的快速故障定位方案对于提高配电网运行的可靠性具有举足轻重的地位，而在配电网实时运行过程，对配电网当前存在的风险进行合理评估并相应做出预警报告是有效降低配电网停电故障发生率，提高运行稳定性的有效措施；断路器动作隔离故障并恢复非故障区域供电后，根据断路器信息，保护信息以及相关的电压电流信息进行配电网故障诊断，可以进一步有效提高配电网的故障处理能力。基于此，研究故障前的配电网风险评估与预警技术，故障过程中的快速故障定位技术以及故障后的配电网故障诊断技术对于当前配电网智能化建设具有重要的理论研究意义和工程实践价值。配电网存在两种故障情况，第一种是短路故障，包括两相短路、两相接地短路及三相短路，第二种是单相接地故障。当发生短路故障后，位于变电站的出线断路器跳闸隔离故障，如果不具备配电自动化功能，需要查寻并排除故障后再恢复供电。我国配电网绝大多数采用中性点非有效接地方式，包括中性点不接地及中性点经消弧线圈接地方式。配电网发生单相接地故障的概率远大于两相短路故障的概率，由于中性点非有效接地系统发生单相接地故障时，单相接地电流很小，多数情况下接地点电弧能自行熄灭，不需要断开线路就能恢复正常运行，规程规定中性点非有效接地系统发生单相接地故障后可以带故障运行1-2小时。但正是由于单相接地电流很小，继电保护装置无法准确识别并断开故障线路，DTU和FTU装置也无法准确确定故障区段。因此，研究关键技术提高配电自动化系统相间短路故障的处理能力具有重要的意义。随着当前配电自动化系统不断深入开展，大量的配电终端（FTU,TTU,DTU）为实时掌握系统的运行状况提供必要条件。通过对配电终端上传至主站控制中心的实时运行状态信息（包括正常运行信息和故障信息）进行深入挖掘分析，就可以在快速准确确定故障区段的同时制定供电恢复优化策略，提高系统运行的可靠性和安全性。特别是针对全网数据进行分析，可以有效解决多重故障的复杂情况。目前我国输电线路故障定位技术已取得重大进展，定位效果很好，但是由于配电线路与输电线路相比有很大差异，从而导致广泛应用于输电线路的阻抗法、行波法等定位技术在配电线路上难以应用。我国配电线路有三个特点：（1）分支众多，往往存在多级分支，主干线只占其中一小部分，绝大部分线路都是分支线，无论哪一点发生单相接地故障，全网的故障相电压都会下降，而非故障相电压都会升高，即使在变电站确定了故障线路，也难以确定故障点的位置。（2）信号测量功能不足，目前很多DTU和FTU无法检测零序电流和零序电压，因此对单相接地故障的定位难度较大。（3）单相接地情况复杂，包括金属性接地、经高阻接地、经电弧接地多种情况。特别是经高阻接地时故障电流信号微弱、经电弧接地时故障电流信号复杂。因此单相接地故障定位问题长期以来困扰运行部门，对这个问题大力开展研究工作具有重要而深远的意义。第一、单相接地故障定位技术有利于提高供电可靠性小电流接地系统发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，如果发生间歇性弧光接地时，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路。因此应尽快找到故障点，尽快排除故障。目前的人工巡视方法不仅耗费了大量的人力物力，而且对于绝缘子击穿等隐蔽故障不易发现。所以快速准确的故障定位技术有利于提高供电可靠性，提高供电部门和用户的经济效益。第二、故障选线和定位技术有利于维护电网设备小电流接地系统发生单相接地时，非故障相的电压升高，对电网设备的绝缘产生破坏作用。如果发生间歇性电弧接地，由于过电压较高破坏作用相当大；即使发生恒定电阻接地，工频过电压也会对设备产生损伤，这种损伤积累到一定程度会破坏设备绝缘性能。部分配电网在单相接地持续长时间后发生了电弧燃火、人身触电、绝缘子闪络情况，因此虽然规程规定单相接地后可以带故障运行1-2小时，但实际上多数供电部门都要求在20-30分钟内切除故障线路。目前在现场工作人员往往通过试拉路法确定故障区段，即首先断开变电站内故障线路的出线断路器，然后断开线路中间的分段开关，最后重合变电站的出线断路器，如果没有故障发生说明故障点位于分段开关的后面，以此类推。每一次开关的断开和闭合都会对电网造成冲击，容易产生操作过电压和谐振过电压，频繁的开关操作也会减少开关使用寿命。对于无人值班变电站，需要远方遥控操作，更增加了设备的负担。所以快速准确的故障定位技术有利于维护电网设备，提高设备的使用寿命，减少维护检修负担。综上所述，小电流接地系统单相接地故障定位技术能够提高供电可靠性、提高供电部门和用户的经济效益、维护电网设备，具有重要的意义。实施配电自动化是解决配电网目前存在的问题的根本保证，而配电网故障定位是配电自动化的关键技术之一，如何快速准确地对配电网故障进行定位对我国配电网系统的经济可靠运行起着重要的作用。但是故障定位的方法多种多样，而且得到的定位结果各有差异，因此有必要研究配电网故障处理性能测试的方法用以保证故障定位的准确性，不仅保证电网安全、稳定和经济运行，而且有助于新能源技术在电力系统的推广使用，能够提高供电部门和用户的社会和经济效益，对电力系统的安全生产具有重要的意义。在配电自动化系统故障处理测试方面，现有的工厂验收、现场验收和实用化验收手段一般是针对配电自动化主站、子站和终端的功能和性能进行测试。现有的故障处理性能测试方法并不是试验结果且不能完全反映现场的实际情况，就是与真实故障现象不完全相符，带来的测试效果都不理想，不能很好地满足配电网故障处理性能测试的需要。因此，在配电自动化系统故障处理测试方面，需要研制全新的配电网故障处理性能测试方法以满足配电网故障处理性能测试和验证的要求。基于上述背景，对电缆架空混合线路单相接地故障特征进行详细深入的研究，对基于智能融合算法的配电架空电缆混合线路单相接地故障定位技术深入研究，当发生故障后，主站实现综合故障区段定位及故障测距功能。并构造出故障定位系统的软硬件功能架构，开发出相应的软件平台和相应接口模块。本研究适用于中性点不接地方式和中性点经消弧线圈接地方式下的电缆架空混合配电网，能够解决金属性接地、经高阻接地、经电弧接地等多种类型的接地故障定位问题，并能够充分保证故障定位的准确性。本研究提出的新型在线故障定位将极大提高供电可靠性和经济性。本研究的研究成果可以应用到全国中性点采用小电流接地方式的配电网中，能够以标准产品的形式推广应用，解决现场的问题。本研究的研究成果推广后将解决三个问题：1)利用基于智能融合算法的定位技术，提高故障定位的正确性；2)研制出实用化的电缆架空混合线路故障定位系统；3)实现小电流接地系统配电网单相接地故障点精准定位问题。配电网络线路长、分支多、拓扑关系复杂，发生故障时一般仅出口断路器跳闸，即使在主干线上用开关分段，也只能隔离有限的几段，要找出具体故障位置往往需耗费大量人力、物力和时间。配电网直接面向用户，其供电可靠性既是电力企业经济效益的直接体现，又对应着不可估量的社会效益。目前用电负荷对供电可靠性的要求日益提高，本研究的研究成果能够极大缩短停电时间、提高供电可靠性、减少停电损失，具有重要的经济效益和社会效益。二、国内外研究水平综述随着配电网电容电流的不断增加，越来越多的10kV系统中性点接地方式由不接地改为经消弧线圈接地。随着而来的问题是单相接地故障选线和定位难度的增加，现场往往采用手动拉路的方法选线，采用人工巡视的方法定位。目前用电负荷对供电可靠性的要求日益提高，手动拉路和人工巡视的处理措施极大的制约了配电网的正常运行。国外的配电网中性点接地方式多数向小电阻方式发展，不存在选线和故障定位的问题。一些具有中性点经消弧线圈运行方式的国家，其选线和定位技术与我国情况基本一致，也存在很大难度。目前达到实用化的单相接地故障定位技术主要由以下几种：(1)基于故障指示器的定位：故障指示器的工作原理是将指示器装置设定好故障电流定值，并悬挂于线路上，通过判断检测到电流是否超过定值发出信号。故障指示器只能测量相电流，不能测量零序电流。由于小电流接地系统单相接地电流很小，通常都远小于负荷电流，因此故障指示器经实践检验单相接地故障定位准确性是较低的。(2)基于馈线自动化的定位基于馈线自动化的定位装置通过在架空线路开关或者环网柜开关内部安装零序电流互感器测量零序电流，但是仅仅通过零序电流超过定值来判断单相接地故障。配电线路有四个特点，第一是广泛采用小电流接地方式，单相接地后故障线路、正常线路都有零序电流，靠定值启动的方法难以准确检测；第二是消弧线圈日益增加，导致零序电流功率方向出现了变化，正常线路和故障线路的零序电流相位几乎没有差别，增加了选线和定位的困难；第三是架空线路和电缆线路通常混合在一起，结构复杂，不易获得准确的线路参数；第四是单相接地情况复杂，包括金属性接地、经高阻接地、经电弧接地多种情况。因此目前基于馈线自动化的定位装置对于单相接地故障的正确率不高。(3)S信号注入法：其原理是通过母线PT向接地线的接地相注入信号电流，其基波频率处于工频n次谐波与n+1次谐波之间,然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路和故障点。S信号注入法选线定位技术通过向系统中注入220Hz电流信号来实现定位，运行实践表明，当接地点过渡电阻大于1KΩ时，该方法往往会失效。值得一提的是10kV配电网的接地故障的过渡电阻很多都在1kΩ以上。这就是S信号注入法在实际运行中为什么常常失效并没有推广应用的重要原因。S注入法不能圆满解决中压配电网的故障定位问题，只是在一定条件下有效。(4)行波法：行波法是基于故障距离与行波从故障点传输到检测点的时间成正比的原理，一般分为A、B、C、D、E五种。A型行波定位方法是利用故障产生的行波进行单端定位的方法。在线路发生故障时，故障点产生的电流（电压）行波在故障点与母线之间来回反射，根据行波在测量点与故障点之间往返一次的时间和行波的波速来确定故障点的距离。B型定位原理利用故障点产生的行波到达线路两端的时间差来实现定位。双端定位只利用行波第一波头到达线路两端时刻进行定位计算，因而只需捕捉行波第一个波头，不用考虑行波的反射与折射，而且行波幅值大，易于辨识，使得计算处理简单。但要求线路两端测量系统有精确到微秒的同步时钟实现两端的时间同步。随着GPS时钟同步技术和数字光纤通信技术的发展在电力系统中的广泛应用，线路两端的数据交换已成为可能。因此，目前国内外输电线路很多都采用基于GPS系统的双端故障定位方法。C型原理是通过注入信号在注入端和故障点之间往返一次所需要的时间来计算故障距离；与A型行波不同的是它不利用故障时故障点产生的行波信号，而是在故障后，人工向故障线路发射脉冲信号，然后检测发射脉冲信号的时刻和来自故障点的反射波到达检测点的时刻。D型现代行波故障测距原理为利用故障暂态行波的双端测距原理，它利用线路内部故障产生的初始行波浪涌到达线路两端测量点时的绝对时间之差值计算故障点到两端测量点之间的距离。为了准确标定故障初始行波浪涌到达两端母线的时刻，线路两端必须配备高精度和高稳定度的实时时钟，而且两端时钟必须保持精确同步。另外，实时对线路两端的电气量进行同步高速采集，并且对故障暂态波形进行存储和处理也是十分必要的。E型原理是利用断路器重合闸于故障线路时产生的暂态行波在测量点与永久性故障点之间往返一次的时间计算故障距离。这一点对于装设有重合闸装置的高压输电线路尤为有用，它可以补救因故障