基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据概要.docx
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基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据概要
第30卷第31期中国电机工程学报Vol.30No.31Nov.5,20101182010年11月5日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号:
0258-8013（201031-0118-05中图分类号:
TM73文献标志码:
A学科分类号:
470·40
基于零序电流突变量的
配电网单相故障带电定位判据
倪广魁1,鲍海1,张利2,杨以涵1
（1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市昌平区102206;
2.北京信息科技大学自动化学院,北京市海淀区100192
CriterionBasedontheFaultComponentofZeroSequenceCurrentfor
OnlineFaultLocationofSingle-phaseFaultinDistributionNetwork
NIGuangkui1,BAOHai1,ZHANGLi2,YANGYihan1
（1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,ChangpingDistrict,Beijing102206,China;2.SchoolofAutomation,BeijingInformationScience&TechnologyUniversity,HaidianDistrict,Beijing100192,China
ABSTRACT:
Whensingle-phaseearthingfaultoccurs,theresonantgroundedsystemcouldkeeponrunningfor1or2hours.Ifthefaultisremovedduringthisperiod,powerwillbecontinuouslysuppliedtothedistributednetworksystem.Inordertodealwiththeproblemproposedabove,anewonlinefaultlocationcriterionwasproposedusingzero-sequencecurrentdifferencethroughanalyzingthecharacteristicofthebranchfaultonsubstationoutlet,thebranchfaultonnon-outlet,andthecharacteristicofthefaultcomponentofzerosequencecurrent.Bythiscriterion,thesingle-phaseearthingfaultinresonantearthingdistributednetworkcanbelocatedonline.ATPsimulationresultsdemonstratedthecorrectnessandvalidityofthecriterion.
KEYWORDS:
powersystem;resonantgrounded;single-phaseearthingfault;zerosequencecurrent;faultlocation;criterion
摘要:
谐振接地配电网发生单相接地短路故障时,可以继续运行1~2h,如果在此期间可以排除故障,将可实现配电网的持续性供电。
针对谐振接地配电网单相接地故障,通过分析变电站出线端的线路分支故障、非出线端线路分支故障以及故障点前后的零序电流特征,提出一种利用零序电流突变量进行带电故障定位的判据,利用此判据可以很好地解决谐振接地配电网单相接地故障带电定位的难题。
通过ATP仿真,验证了该判据的正确性和有效性。
关键词:
电力系统;谐振接地;单相接地故障;零序电流;故障定位;判据
0引言
中国中压配电网一般采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地（小电流接地的运行方式。
长期以来,单相接地故障定位是一个难题。
目前,配电网线路故障定位主要依靠人工巡线,但随着配电网的发展,线路增长,分支增多,线路变得越来越复杂[1],用传统的巡线方法找到具体故障点的位置非常困难,对于类似绝缘子击穿的隐蔽故障[2],人工寻找很难发现,不仅耗费了大量人力物力,而且延长了停电时间,影响了供电可靠性。
可见,一种有效的故障定位方法是非常重要的。
配电网故障定位方法已有研究,如在三相不换位情况下,利用传递函数法进行故障定位[3];利用逐次判别法和误差向后传播算法实现故障区段的在线识别[4];通过建立新的故障定位数学模型,开发高级遗传法改善定位方法的容错性[5];采用贝叶斯不精确推理法和面向对象技术,排除少数故障投诉中错误信息的不利影响,获得比较可信的故障定位结果[6]。
但是,这些方法都没有达到实用化水平。
利用S注入法[7-8]进行故障定位较为常见,但它容易受到接地电阻和线路分布电容的影响。
目前,利用行波法[9-10]和交直流综合法[11-12]的离线定位技术基本解决了配电网离线故障定位的问题,并且已经达到实用化水平。
但是实际应用中有些用户对供电可靠性要求很高,希望在不停止线路供电的情况下进行故障定位,所以有必要研究实
基金项目:
国家863高技术基金项目（2009AA122328。
TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program（2009AA122328.
第31期倪广魁等:
基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据119
用化的带电定位方法,以适应不同用户的需求,这样就需要有一种行之有效的判据作为支持。
对于中性点不接地系统可利用零序功率方向[13]和移动式比相法[14]实现带电故障定位,而谐振接地配电网的带电定位却很少讨论,本文提出了一种针对谐振接地配电网的带电故障定位的判据,利用此判据可以实现谐振接地配电网的带电故障定位。
1谐振接地配电网带电定位的难点分析在谐振接地配电网中,消弧线圈的存在为配电网提供了一种可控手段,但由于消弧线圈的补偿作用,使得各个线路的零序电流大小相差很小,相位基本一致。
发生单相接地故障时,故障线路和非故障线路稳态时的特征无明显差异,这给故障带电定位带来了困难。
利用接地暂态过程中故障线路和非故障线路的特征差异作为故障定位的判据[15]时,由于接地现象复杂,其暂态持续时间的长短差异比较大,在很多情况下当接地保护装置启动后,系统接地的暂态过程就己经基本结束,进入了接地的稳定状态;而故障定位需要有持续保持的信号或者同时得到大量短时信号,对于接地暂态信号则需要足够多的点来进行数据的同步采集以保证定位可以实现,数据采集特别困难,难以实现。
这样就需要寻找一些其他的方法。
要想准确地找到故障点,首先要找出能够明显区分故障线路和非故障线路的特征量;其次要有足够大的被监测信号,同时该监测信号要有足够长的持续时间。
利用零序电流突变量法得到的判据就可以有效地解决这一问题。
2零序电流突变量法
2.1变电站出线端的线路分支故障情况
当线路发生单相永久金属性接地故障时,改变消弧线圈参数（改变消弧线圈的电抗值,以下类同,可以改变补偿电流的大小,而补偿电流大小的变化只会反映在故障线路的零序电流中;当线路发生永久性经阻抗接地故障时,改变消弧线圈参数同样会引起故障电流的变化,从而导致零序电压发生变化,而零序电压的变化会使各条线路的零序电流都发生变化,此时将零序电流折算到同一电压下,补偿电流大小的变化也只会反映在故障线路的零序电流中。
在谐振接地配电网中,安装有消弧线圈的变电站出线端有很多线路分支,配电网的其他地方也有很多线路分支,下文分别对这2种线路分支的零序电流突变量以及故障点前后的零序电流突变量进行特征分析。
先对谐振接地配电网发生单相接地故障后的零序电流进行特征分析。
假设从变电站出线端引出的第N条线路发生单相接地故障,零序电流参考方向如图1所示,消弧线圈参数改变前后,消弧线圈的电抗值分别为
1L
X和
2
L
X,零序电压分别为01U和
02
U,设各条分支在消弧线圈电抗值改变前后的
零序电流分别为
11
I,
21
I,…,
11
N
I
−
1
N
I和
12
I,
22
I,…,12
N
I
−
2
N
I,各条线路的对地电容值分别为1
C,
2
C,…,
1
N
C
−
N
C。
在第N线路发生单相金属性接地故障、消弧线圈参数未改变之前,系统的零序等值电路如图1所示。
线路1
2
N
N−1
…
图1变电站出线端的线路分支故障
Fig.1Circuitbranchfaultofsubstationoutlet非故障线路的零序电流为
101
j
ii
ICU
ω
=
iN
≠（1故障线路的零序电流为
11121111
（
NNL
IIIII
−
=−+++−
"（2消弧线圈参数改变后,非故障线路的零序电流为
202
j
ii
ICU
ω
=
iN
≠（3故障线路的零序电流为
21222122
（
NNL
IIIII
−
=−+++−
"（4由于发生金属性接地故障时,消弧线圈参数改
变前后全网的零序电压基本不变,即
0102
UU
≈
因此可求出消弧线圈参数变化前后各条分支的零序电流的改变量。
12
iii
III
∆=−=
iN
≠（512112111222
（[（NNNL
IIIIIIII
∆=−=−+−−−+−
212011012
]/（j/（jLLL
IIIULUL
ωω
=−+=−+
（6当第N条线路发生单相电阻接地故障时,消弧线圈参数改变前后,非故障线路的零序电流和故障线路的零序电流同式（1—（4。
120中国电机工程学报第30卷
由于消弧线圈参数的改变引起故障电流的变化,导致零序电压发生变化,会使各条线路的零序电流都
发生变化,由式（1和（3得1
01
/iI
U=2
02
/iIU,即120102/iiIIUU=（7
如果将消弧线圈参数改变前后的零序电流折
算到同一个电压下,就可以去除零序电压变化带来的影响,列写各分支零序电流突变量方程:
1
2
01
02
/0i
iiI
IIUU∆=−=,iN≠（81201021121112
22
2
01
02
1
/（[（]/NNNLLLIIIUUIIII
IIUUI∆=−=−+−−−+−=−+
20102011012//（j/（jLIUUULULωω=−+（9
2.2非出线端的线路故障情况
配电网中非出线端的线路故障时的电路如图2
所示。
若消弧线圈参数改变前后s1
I
折算值不变,则处在非故障线路上,后面各分支均为非故障线路;
若s1
I
折算值明显变化,说明其处在故障线路上,后面某分支为故障支路。
线路12N
N−1…
图2非出线端线路故障
Fig.2Circuitfaultofnon-outlet
同样利用零序电流突变量法来确定故障分支,可得
i120102/0iiIIIUU∆=−=,iN≠（10
1
2
01
02
11
21
s1
/（N
NNI
IIUUIII∆=−=−+−−1222s20102s1s20102[（]//IIIUUIIUU−+−=−+（11
因s1
I
在故障路径上,由2.1节类推可得:
s1s20102120102//NLLIIIUUIIUU∆=−+=−+=
01
1
01
2
/（j/（jU
LULωω−+（122.3故障点前后零序电流的特征分析
故障支路的电路图如图3所示。
消弧线圈参数改变前后,对故障点前后的零序电流进行特征分析。
图3故障点前后零序电流的特征分析
Fig.3Characteristicanalysisofthezerosequencecurrent
fore-and-afterfaultpoint
通过2.1和2.2节可以确定s
I与消弧线圈电流的变化保持一致。
在消弧线圈参数改变前,故障点
前后的零序电流分别为
11
s1
1
01
jI
ICUω=−（1321201jICUω=（14
在消弧线圈参数改变后,故障点前后的零序电
流分别为
12
s2
1
02
jI
ICUω=−（1522202jICUω=（16
改变前后的零序电流折算到同一个电压下,故
障点前后的零序电流突变量方程为
11120102s1101s21020102s1s20102/（j（j//IIUUICUICUUUIIUUωω−=−−−=−+=
01
1
01
2
/（j/（jU
LULωω−+（173故障特征判据
由第2节可得,当消弧线圈参数改变前后的零
序电流折算到同一电压下时,消弧线圈参数的改变只会导致故障线路中的零序电流变化。
以此为依据,构造以下判据:
1
2
01
02
/i
iiI
IIUU∆=−,1,2,,iN="（18式中N为分支数。
0iI∆≠的那条线路为故障线路;若s1I折算前后明显变化,且各条分支的i
I∆都等于零,则是母线故障。
根据故障特性可知:
消弧线圈参数改变前,各个采集点的零序电压模值基本相等,消弧线圈参数改变后也是如此;并且零序电流折算到同一电压下后,前后对应的相角相差很小。
据此,将式（18简化:
1
2
01
02
1
2
01
02
//i
iiiiI
IIUUIIUU∆=−≈−=120102/iiIIUU−（19
式中1iI,2iI,01U,02U为对应的零序电流、电压的有效值。
利用零序电流突变量法进行带电故障定位,只需要测量消弧线圈参数改变前后的零序电流和零序电压模值,利用判据方程（19便可确定故障支路。
在故障支路范围内,同样可利用判据方程（19进行故障点的确定。
4ATP仿真分析
通过ATP仿真验证该判据的正确性和有效性,仿真线路如图4所示。
线路AB长5km,BD长10km,DE长10km,DF长5km,支路AG长30km,支
第31期倪广魁等:
基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据121
路BH长10km,线路BD的中点C处发生单相1kΩ电阻接地故障。
数据采集点为AB、AG、BD、BH、DE、DF的始端以及故障点C的前后2点。
图4仿真模拟线路Fig.4Linesimulation
对采集数据进行运算处理,得消弧线圈参数改变前后各个采集点的零序电流波形,如图5、6所示。
−−1t/msi/A
1—线路AB始端零序电流ABI;2—BCI;3—1
CI;4—2
CI;5—DE
I,6—DF
I;7—AG
I;8—BH
I。
图5消弧线圈参数改变前的零序电流波形
Fig.5Zerosequencecurrentwaveformsbeforetheparameterofthearcsuppressioncoilchanges
−−t/msi/A
1—线路AB始端零序电流ABI;2—BCI;3—1CI;
4—2
CI
;5—DE
I,6—DF
I;7—AG
I;8—BH
I。
图6消弧线圈参数改变后的零序电流波形
Fig.6Zerosequencecurrentwaveformsaftertheparameterofthearcsuppressioncoilchanges
将消弧线圈参数改变前后各个采集点的零序电流模值以及折算到同一电压下的零序电流模值列于表1中。
由表1可知,将各采集点的零序电流折算到同一电压下后:
对于变电站出线端的2个分支AB和AG,AB线路的零序电流突变量较大（1.3388A,AG线路的零序电流突变量几乎为零（0.4mA,可判断故障点在AB线路或其后方的线路分支上;对于配
电网中非出线端线路分支BD与BH,同理可判断出故障点在线路BD或其后方的线路分支上;故障支路中C点前的零序电流突变量较大（1.2606A,C点后的零序电流突变量几乎为零（0.9mA,据此可确定故障点为C点。
表1各采集点的零序电流有效值变化
Tab.1Zero-sequencecurrent-changeateachsamplingpointA
各零序电流模值电流大小变化情况IAB
IBC
IC1
IC2IDEIDFIAGIBH
改变前2.11471.82401.72700.38820.19410.09710.58110.1938折算前改变后2.03321.86181.80460.22910.11460.05730.34240.1143改变前2.11471.82401.72700.38820.19410.09710.58110.1938折算后
改变后
3.4535
3.1624
3.0652
0.3891
0.1946
0.0973
0.5815
0.1941
5结论
本文通过对谐振接地配电网带电定位难点分
析以及零序电流突变量法的介绍,针对谐振接地配电网发生单相接地故障时的特殊性,提出了利用零序电流突变量法进行带电故障定位的判据。
利用此判据可以有效地解决谐振接地配电网发生单相接地故障时带电定位的难题,通过ATP仿真验证了该判据的正确性和有效性。
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