配电网单相接地故障定位技术的运用

朱志坚，伊长春，蒲友

（1.国网浙江宁波市鄞州区供电有限公司，浙江宁波，315100；2.国网衢州供电公司，浙江衢州，324000；3.金华珂玛电气有限公司，浙江金华，321000）

1 配电网单相接地故障定位系统的设计

1.1 故障定位装置

该装置中包含的核心设备有变压器、检测器、高压信号源等，以3线路、2分支的简单电力系统为例，其结构框图如图1所示。

图1 故障定位装置结构框图

配电网的3条线路，每条线路中均设置了A、B、C、D、E五个测试点，线路1、2同线路3，图中不再赘述。在中压配电网运行过程中，假设在K点出出现了单相接地故障，则利用能量法、小波分析法等故障选线方法，确定发生故障的线路，即线路3。然后从线路3的端头注入一个高压直流信号，并且在五个测试点处依次使用移动式直流检测器进行信号检测。根据检测信号，在B点出正常，在C点出异常，则可以判定故障位于B、C之间，从而缩小了故障范围。换用感应电流检测器，在BC段内继续检测，直到最终确定故障点K。

1.2 信号检测器

根据检测对象的不同，又可分为直流、交流两种信号检测器。以直流信号检测器为例，其核心元件包括：（1）霍尔直流检测器。钳形开口可用于连接线路，内部嵌入霍尔元件，基于霍尔效应实现对线路中直流信号的动态检测，测量误差≤5%。（2）采样处理电路。可对电路中的电流信号进行放大、滤波、降噪以及A/D转换等处理。在处理结束后，利用蓝牙无线发送器将信号传送到接收端。要求蓝牙无线收发器的直线距离在15m以内，以保证连接可靠、传输稳定。（3）蓝牙无线接收器。正常接收信号后，将电信号转化为数字信号，并通过显示器显示出来。

1.3 多功能高压信号发生器

该装置的作用是向配电网中注入高压直流、交流、脉冲信号。从组成结构上来看，包括逆变器、调压器、升压变压器、整流器等，结构组成如图2所示。

图2 高压信号源结构框图

逆变器的作用是把车载直流电压逆变成交流电压。正常情况下，车载直流电源提供的是12V直流电，经过电压逆变器的转化后，输出220V、60HZ的交流电压。然后依次经过调压器、升压变压器的处理，得到2000-3000V的高压电，确保故障点可靠击穿。从升压变压器输出的交流电压经过不同的处理后得到3种信号：其一是未经任何处理、直接输出的高压交流信号，最高电压3000V，电流180mA，频率60Hz；其二是经过整流器处理后的高压直流信号，最高电压3000V；其三是经过高压脉冲信号发生器处理的高压脉冲信号，最高电压10000V，脉冲宽度 200ms。

2 基于同步相量测量的在线定位技术

2.1 故障在线定位原理

以简单配电网为例，假设一条线路上共有3个节点，分别是母线节点A，以及分支节点B和C。在进行故障定位时，由于不确定故障点的位置，因此只能按照电流方向寻找，即从母线节点A开始，沿着主线路寻检到达分支节点B，进行支线寻检。如果未发现故障点，继续回到主线路上沿着B→C的方向寻检。在到达分支节点C后，进行支线寻检，未发现故障点继续回到主线路寻检。在寻检时，主要获取线路中零序电流的相位信息。并且将该信息与变电站传送来的零序电压的相位信息进行对比，如果零序电流滞后于零序电压90°，继续沿着电流方向往下游追踪。如果零序电流超前零序电压90°，则向上游追踪。通过不断缩小检测范围，最终锁定故障点的位置。

2.2 同步相量测量技术

在线同步测量零序电压相量和零序电流相量，是实现单相接地故障精准判定的关键技术。在同一配电网中，线路中任意点出的零序电压相量是一致的。因此，可以将变压站处测量得到的零序电压相量，等同于线路中任意一点的零序电压相量。当发生单相接地故障后，线路中的零序电流会发生变化。只要同步采集零序电压、零序电流的相量并进行对比，即可进行故障追溯。由于两者之间属于异地检测，因此如何做到异地检测中同步获取相量信息就成为关键问题。一种解决方案是将零序电压采样的时标信息附加在幅值和相位信息上，一起传递到零序电流检测装置中。该装置在接收幅值信息、相位信息后，存储到缓冲区内。利用时标信息在缓冲区内准确获得同一个采样时间点的零序电流测量数据，这样就能保证两个不同的相量具有统一的时标，从而实现了同步。

2.3 在线定位装置设计

在线定位装置主要由上位机、下位机组成，其中下位机又包括定位器、相电流测量器，结构组成如图3所示。

图3 在线定位装置结构图

上位机位于变电站内，内置GPS模块，保证能够在接收到时标信息后同步发出脉冲信号。同时，上位机每隔1s触发A/D完成一次零序电压采样。使用FFT算法对采集到的数值进行计算，从而分别得到零序电压信号的幅值和相位参数。最后使用内置的无线通信模块，将幅值、相位、时标信息一同发送给下位机。

下位机是一台便携式设备，可用于在配电线路中进行移动检测。设备上有一个钳形表头，可以夹在线路上，并利用相电流检测器读取线路中相电流的数值。定位器的GPS模块在接收上位机发送过来的时标信息后，同步响应并发出脉冲信号。相邻的蓝牙无线接收模块会向相电流测量器发出指令，由该测量装置获取相电流的瞬时值，并将采集到的数值反馈至定位器。下位机将三相电流瞬时值进行合成，得到零序电流信号，进而使用FFT算法获得该电流的幅值、相位参数。

根据同一时刻测量得到的零序电流信号的幅值和相位，可以求得零序分量的有功功率值（P）。如果P＞0，故障点位于检测点的上游，寻检人员逆着电流方向往上查寻；如果P＜0，故障点位于监测点的下游，寻检人员顺着电流方向往下查寻。通过不断缩小范围，最终确定故障点的位置。

2.4 在线定位装置的仿真实验

在实验室环境下搭建一个10kV配电网模型，接入电压为市电380V，利用变压器将其升高至10kV。有2条配电线路和1条保护线路，以及熔断器、电压互感器、电容器等装置。其中，电压互感器3台，6#互感器位于主干线上，5#和7#互感器分别在支线上，并且5#互感器所在的支线发生单相接地故障。数据处理结果如图4、5所示。

图4 实验原始数据

图5 滤波后数据

结合上图可知，5#互感器测量的零序电流滞后零序电压91.3°，6#互感器测量零序电流滞后零序电压90.8°，7#互感器测量零序电流超过零序电压91.0°，说明故障点位于5#互感器所在的支线上，与理论结果一致。

3 故障定位装置的现场试验及应用

3.1 现场试验情况

某地10kV架空线路连续发生单相接地故障，为保障用户正常用电需求和维护供电公司经济效益，决定对变电站10kV出线进行模拟接地试验。现场技术人员分成3队，一队在1#杆注入信号，二队设置故障点，三对寻找故障点。二队和三对之间不进行交流，模拟真实接地故障情况，分别进行了2次单相接地故障试验。

第一次为线路低电阻接地，实际发生接地故障为10#杆。一队使用定位装置测量接地电阻，显示为1200Ω。三队从变压器处开始沿着线路开始故障寻检，得到数据如表1所示。

表1 线路低电阻接地试验数据

最终三队用时16分钟，确定故障点为10#杆，与二队设置故障点一致。

第二次试验为单相经水泥电杆接地，实际发生接地故障仍为10#杆。一队使用定位装置测得接地电阻1200Ω，三队从变压器处开始故障寻检，得到数据如表2所示。

表2 线路经电杆接地试验数据

最终三队用时19分钟，确定故障点为10#杆，与二队设置的故障点一致。

3.2 现场运行情况

该在线定位装置在现场使用时间2个月，累计进行了5次实际的单相接地故障定位，均能精确地找出发生故障的位置，定位准确率达到100%，应用效果良好。

4 结语

为了更好满足用户的用电需求，近年来中压配电网的覆盖范围不断扩大，线路中的分支越来越多。一旦某个支路上发生故障，只有明确故障定位才能让电力公司技术人员尽快修复故障、恢复正常供电，减少停电损失。本文所述的一种基于同步相量测量技术的在线故障定位装置，经过试验验证可以快速、精确完成故障定位，具有推广应用价值。