配电网接地故障选线技术及其应用

张明春，王金波

（1.中石化巴陵分公司，湖南 巴陵 414003；2.莱芜市机关事务管理局，山东 莱芜 271100）

0 引言

我国6～66 kV配电网系统中性点多采用消弧线圈接地方式[1-2]，当系统发生接地故障时，消弧线圈产生的感性电流及时补偿系统的电容电流，减小了故障点故障电流，降低系统过电压水平，使电网系统能够带故障运行2 h。为了增强配电网运行的可靠性，越来越多工业企业的配电网系统采用了消弧线圈接地方式，但当系统发生接地故障时，由于消弧线圈的电流补偿作用，故障线路故障电流较小，很难准确及时判定故障线路。

1 配电网系统故障特点

配电网的中性点采用消弧线圈接地方式，系统发生接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路的电气量变化并不明显，使故障线路查找变得困难。

系统发生接地故障，消弧线圈的补偿过程如图1所示，其中L为消弧线圈，C为系统电容，R为故障点的接地电阻，IL、IC、If分别为消弧线圈补偿电流、系统的电容电流、故障点的残流。

图1 消弧接地系统接地故障原理图

从图1可以得出：线路发生接地故障，系统线路对地的电容电流IC流过故障点，由于消弧线圈的补偿电流IL与电容电流IC是数值相等方向相反，因此故障点的故障电流If几乎为0，大大减小了故障点的电流，当系统发生了瞬时性接地故障，由于消弧线圈的补偿作用，接地故障自行消失，保证系统运行的可靠性；当系统发生弧光接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，弧光接地故障消失，防止非故障相电压继续升高，避免弧光接地过电压产生，保障了系统运行的稳定性；当系统发生永久性接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，接地点故障电流较小，系统可带电运行2 h，大大减少停电次数，提高整个电网的运行可靠性，但故障线路的故障电流较小，使故障线路判定变得困难。

2 配电网故障选线技术

配电网系统中，线路分支较多，运行方式复杂，线路的管理维护工作量很大。当系统发生故障时，故障查找非常困难，而故障选线技术和选线产品的研发，大大缓解了这一问题。

2.1 故障选线方法

行波法。该方法利用根据行波理论（线路发生故障时，会产生向线路两端传播的行波信号），利用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可以实现故障定位。该方法有一定的优点，可以把故障点确定在较小范围内，方便用户快速准确查找故障点，适合于网络分支较少线路。而配电网出线分支较多，线路分支处和负荷处均为波阻抗不连续点，行波在波阻抗不连续点的折射和反射造成线路一端测得的行波波形将特别复杂，很难正确识别出故障点的反射波，故障定位困难。

信号注入法。该方法需要借助外部信号设备，提供故障检测信号，当系统发生接地故障时，安装在变电站的信号源主动向母线注入一个特殊的信号，这样这个特殊信号在接地点和信号源构成的回路上流过，即只在故障线路上流过，选线装置通过检测到这个特殊信号在众多线路中找出故障线路。该方法可以提高消弧线圈系统接地故障选线的准确性，但注入信号的注入时间和注入量如果不能很好地限制，会影响电网系统运行的稳定性。

小扰动选线方法。小扰动选线方法利用现代电力电子技术，采用快速可控式消弧线圈（通过可控硅控制消弧线圈的电感变化）与小扰动选线装置配合实现。小扰动选线原理是依据残流的变化量进行选线，该选线方法不需要获得较大的信号而将残流增多，减小选线过程对电网的影响。该选线方法操作时间短，在短时间内可以连续进行多次选线，扰动机制灵活可变，保证了选线功能的灵活性和快速性。但该选线方法只能在连续可调的相控消弧线圈的接地系统中应用，对于其它消弧线圈则不能使用，另外，该方法的选线准确性与扰动信号的扰动时间和扰动幅度直接相关，在实际使用过程中，由于其它因素影响，扰动信号很难配合得当，影响故障选线的准确性。

首半波法。该方法采样接地瞬间的电容电流首半波与接地瞬间的电压首半波，比较其相位。当采样接地瞬间电容电流突变且大于一定数值，并且与接地瞬间电压首半波同相，同时导线对地电压降低，则判断线路发生接地。首半波法的前提条件是故障需发生在相电压接近最大值瞬间，但如果在接地故障发生在电压的零点附近时，其值较小，导致首半波检测存在检测死区，从选线原理上，该方法存在一定缺陷。

2.2 并联中电阻选线方法

根据以上分析可知，在消弧线圈接地系统中，接地故障时故障电流较小，常用的故障选线方法在实际应用中均存在着一定的局限性。下面介绍并联中电阻选线方法，该方法是信号注入法的一种，它借助投切并联中电阻装置，当系统发生接地故障时，通过投切并联中电阻方法，向系统注入工频信号，该信号仅在故障线路中流通，对该信号进行检测从而选出故障线路。

带并联中电阻的消弧线圈接地系统如图2所示，T为带中性点的变压器，L为消弧线圈，R为并联中电阻，K为真空接触器，M为母线，C1、C2…C6为各出线的对地电容，d为接地故障点。

图2 配电网接地系统示意图

系统正常运行时，真空接触器K断开，并联中电阻不投入运行，当系统发生接地故障时，并联中电阻短时间内投入系统，增大故障线路的故障电流，0.5 s后从系统中切出并联中电阻，根据并联中电阻投切前后故障线路与正常线路零序电流的变化不同，判定出故障线路。

故障选线具体步骤：当系统单相接地，系统地中性点电压升高，超过设定值2 kV，启动并联中电阻装置；控制开关K闭合；并联中电阻在中性点电压的作用下，通过中性点向系统注入工频电流；工频电流流过故障线路，使故障线路的零序电流发生波动；0.5 s后开关K断开，切除并联电阻；选线装置通过计算各线路并联中电阻投切前后的零序电流变化不同，找出故障线路。

投切并联中电阻选线的各线路零序电流波形如图3所示，系统中有6条线路，其中1号线路发生了接地故障，短时间投入并联中电阻，只有1号线路的零序电流发生了较大的变化，而其它线路变化较小，因此可以根据这一变化判定故障线路。

图3 各出线的零序电流波形图

并联中电阻选线方法，简单直接，可以有效解决消弧线圈接地系统故障选线不准确的问题。另外，该方法利用故障时中心点过电压向系统注入工频电流信号，信号注入时间较短，对电网系统影响较小，如果并联中电阻阻值选择得当，将注入电流限制在安全范围内，不会对电网运行造成不利影响。

3 配电网故障选线系统

目前，并联中电阻选线方法得到了较好地发展和应用，国内很多以消弧线圈接地方式配电网系统中都采用此选线原理，选线效果得到了广泛认可。但故障选线仅仅对变电站出线进行故障选线，而配电网线路分支较多，当线路发生接地故障时，检修人员需要从变电站站出线开始，沿着故障线路，找到下一级分支点，然后通过人工试拉的方式确定具体的故障线路区段。该故障查找方法，人力投入较大，故障排查时间较长，给系统的安全运行带来隐患。

如果能够对变电站和开闭所（配电线路分支点）同时进行故障选线，借助并联中电阻选线方法，形成配电网故障选线系统，将缩小故障区域，减小故障排除时间，提高电网系统运行的可靠性。

配电网故障选线系统网络示意图如图4所示，主要由配电网故障选线监控平台、并联中电阻选线装置、监测终端组成。

图4 配电网故障选线系统系统图

并联中电阻选线装置安装在变电站，和消弧线圈控制器配合对变电站的出线进行故障选线，当系统发生接地故障时，并联中电阻的注入信号沿着故障线路流向故障点，该注入信号不但为变电站故障选线提供选线信号特征值，而且为配电网开闭所出线提供选线信号特征值。

图5 配电网系统示意图

监测终端安装在配电网线路的开闭所，通过零序CT获取各出线的零序电流，实现开闭所线路故障检测，当系统发生接地故障时，监测终端实现故障选线，并进行就地报警，同时将故障监测信号通过通信网络上传到监控平台。

配电网故障监控平台负责搜集变电站和各开闭所的故障选线信息和故障数据，并对故障数据进行综合处理和分类，进而确定故障区段，并通过报警告知检修人员及时排除故障。

该配电网故障选线系统有以下优点：

（1）瞬间投切并联中电阻的方法，短时间内增大了故障线路的零序电流，保证电网系统运行稳定的前提下提高了故障选线的准确性。

（2）发生接地故障时，变电站、开闭所、配电站各监测节点的电气信息都上传到故障定位监控平台，故障定位监控平台软件对收集来的信息进行分析、处理、分类，筛选有效的故障信息，然后进行综合分析，避免了错误信息、干扰信息、信息丢失等因素造成的故障判定不准确的情况，进一步提高了故障判定的准确性。

（3）该系统不仅可以实现变电站选线，同时实现开闭所选线，进一步缩小故障查找范围。

4 应用实例

岳阳巴陵石化化肥事业部的配电网系统示意图如图5所示。配电网系统情况：电压等级6 kV，4台配电变压器，中性点采用消弧线圈接地方式，有2级开闭所，每级开闭所都有4段母线，每段母线上都有若干负荷。

配电网系统中性点采用消弧线圈接地方式，当系统发生接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，故障线路电气量变化不明显，导致故障线路判定困难，不能及时找出故障线路，大大延后了故障的排除时间，电网运行可靠性大大降低，给生产运行带来极大的危害和风险。

为了提高配电网系统运行的稳定，在配电网安装配电网故障选线系统成套装置，该成套装置采用并联中电阻选线技术，对变电站层线路、1级开闭所层线路、2级开闭所层线路同时实现故障选线。当2级开闭所III段母线上的负荷9上的线路发生了接地故障，选线装置直接判定故障区段负荷9线路，减少了故障排除时间，提高了系统运行的可靠性，给安全生产带来了保障。

5 结语

针对消弧线圈接地系统故障选线不准确问题，阐述了消弧线圈接地系统接地故障时系统运行情况，以此为基础分析现有主要故障选线方法的优缺点，特别对并联中电阻故障选线方法原理进行详细说明，并在此基础上提出配电网故障选线系统，进一步缩小接地故障的查找范围，提高配电网运行的可靠性和稳定性，在实际的实施应用中取得了较好的效果。