汪从敏¹ 阮浩洁²

（1.宁波电业局运维检修部，浙江 宁波315016；

2.宁波电业局北仑供电局，浙江 宁波315800）

摘要：针对配网单相接地故障工况较为复杂，故障选线装置准确可靠性较低，影响供电可靠性的问题，利用IDT智能配电终端与故障电流暂态分量相结合，研究了小电流接地故障定位新方法。测试试验结果表明：该故障分区定位新方法能够求出小电流接地故障段的故障参数，并经故障参数判别准确判断出地故障区域，提高了故障定位排除效率和准确性，为配电网运行维护和馈线自动化提供重要参考依据。该新故障定位方法具有一定的理论研究和实际应用价值。

关键词：配电网；单相接地故障；小电流；IDT

中图分类号：TM761      文献标识号：B      文章编号：

Research of 10kV Distribution Network Small Current Grounding Fault Location New Method

Wang Cong-min¹  Ruan Hao-hao²

(1.Maintenance Branch, Ningbo power supply bureau, Ningbo 315016,China;

2. Ningbo Beilun power supply bureau, Ningbo 315800,China)

Abstract: According to the problem of the distribution network single-phase grounding fault situation is more complex, and the fault line selection device’s accurate reliability is low, which will affect the power supply reliability, combining the IDT intelligent terminal and fault current transient components ,a small current grounding fault location method has been researched. The test results show that: the new fault section method can accurately calculate and solve the fault parameters of small current grounding fault section, and with the fault parameters can accurately judge the grounding fault area, which can raise the accuracy and efficiency of power network fault location, and can provides most important reference for the distribution network maintenance and feeder automation. This new method has certain value on theory research and actual application.

Keywords: distribution network; single-phase grounding fault; small current; IDT

0 引言

10kV配电网是用户侧重要的电能分配与调控系统，其运行安全可靠性直接关系到整个配用电系统运营的节能经济性，一旦其发生接地故障，不仅会影响到10kV配电系统的供电可靠性，同时还会影响到整个配电网系统运行的稳定性，严重时可能出现较大面积的停电事故，造成重大经济损失。10kV配电网系统中单相接地故障占所有配电网故障的70%以上。对于中性点非有效接地系统而言，尤其是经消弧线圈接地的配电网系统而言，发生接地故障后由于其影响因素较多，选线难度非常大。

目前，国内10kV配电系统中采用较多的终端机械式故障指示器，只能对系统短路故障进行静态指示，需要配合人工巡线才能准确进行故障定位，而对于单相接地故障则无能为力。基于GPRS无线网络的智能电子式故障监测系统，在一定程度上实现了对配电网故障的在线监测定位，但由于10kV配电网存在节点多、分支多、运行模式较复杂等特性，数据信号采集和远程传输的实时性、精确性、可靠性等有待在实践应用中进一步提高。针对配电网系统中数据信号不能大批量同步采集，以及线路沿线的零序电压信号不能可靠准确获取等现状问题，提出一种基于配电网三相故障电流暂态分量的小电流接地故障定位方法。

1接地故障电流暂态分量特性

10kV配电网发生单相接地故障后，其故障电流可等同认为是非故障相的运行电流分量与接地故障相的故障电流分量间的迭加结果。

1.1 线模故障电流暂态分量特性分析

根据故障测距常用的Karrenbauer相模变换关系，假定配电网A相发生单相接地故障，则故障后配电网的相电流与模电流间的函数关系可以表示为：

       （1）

式（1）中：，，分别为故障后的相电流；，，分别为对应的线电流。

由于B相和C相为非故障相，其相间流动的相模分量特性参数相同，则可以认为B相和C相的线电流相同，即：  。

由变压器、线路、用电负荷共同构成的10kV配电系统，其线模网络结构为：

图1 10kV配电系统线模网络结构

图1中，由于变压器的线模阻抗、，以及线路的线模阻抗、、均非常小，而线路终端用户负荷线模阻抗、则非常大，在变压器和线路线模则抗的100倍以上，因此对于整个10kV配电系统而言，当系统发生单相接地故障时线路终端用户负荷侧可以认为处于开路运行工况，即：

           （2）

从上述分析可知，当配电网发生单相接地故障时，系统线模电流故障暂态分量（）主要流经线路故障点到母线段（），相应故障点下游至终端用户负荷侧（）和非故障相（）的故障暂态分量则非常小，接近于零，即：

             （3）

从式（3）可知，为了简化运算，可认为10kV配电网在发生单相接地故障后，流经母线段的可近似视为系统的线模电流故障暂态分量，即：。

随配电网容量和结构的不断增大和复杂，配电网其分支点和分支线路也越来越多，故障点上游至母线侧和另外两相非故障相线路的总长度，要远大于故障点至终端用户下游侧线路的长度。同理，可以认为故障点上游侧零模电流要远大于故障点下游零模电流，即：。

1.2 相电流中故障暂态分量特性分析

1.2.1故障电流暂态分量特性

假定配电网A相中的N点处发生单相接地故障，则在故障点N处的零模电流、与B相和C相的线模电流、三则间的函数关系为：

                  （4）

结合上面分析，N点发生单相接地故障时，故障点至母线上游侧的线模电流可以转换为：

                （5）

此时，A相的接地故障暂态电流可以表示为：

             （6）

式（6）中可知，当N点发生单相接地故障时，系统故障相A相其故障电流的暂态分量近似等于3倍上游侧的暂态零模电流分量，且电流方向从故障点N流向系统母线侧。

当N点发生单相接地故障时，由于非故障相具有相同的暂态特性，则非故障相B相和C相的故障电流暂态分量相等。从图1和分析公式可知，N点发生单相接地故障时，非故障相B相和C相的故障电流暂态分量的函数表达为：

 （7)

1.2.2  故障电流暂态分量检测

假定故障检测点M设置在故障点N处的上游侧时，非故障相的故障电流暂态分量近似等于故障点N的下游暂态零模电流暂态分量，其方向由母线流向故障点，如式（6）所示。

假定故障检测点M设置在故障点N处的下游侧时，由于线模电流绝大部分流经故障点上游线路，因此在检测点M处测到的故障相电流暂态值可以表示为：

故障检测点处于故障点下游侧时，系统A、B、C三相的故障电流暂态分量基本相等，近似等于故障点下游侧的暂态零模电流，其方向由故障点流向终端用户负荷端。

2 基于相电流暂态分量的故障定位新方法

假定配电网故障时，其任两相的故障电流暂态分量分别为和，则可以定义配电网故障时任两相的暂态电流方向函数为：

            （8）

式（8）中，R为故障数据长度。

为了将数据转换成标准统一数据，将其进行归一化处理，即：

                      （9）

从式（9）可知，当两相暂态电流的流向相反时，则所得的归一化数据；相反，当两相暂态电流的流向相同时，。

结合前面2.2.2节中的分析结果，可以获得以下故障定位判别逻辑，即：

（1）故障点上游侧线路，两非故障相暂态分量的流向相同（均由母线侧流向故障点），且与故障相故障电流的暂态分量的流向相反（由故障点流向母线侧）。此种故障工况条件下，可获得任两相（以A相为故障相计）的故障暂态电流方向参数为：。检测点的故障参数为：。此故障工况下的故障定位判别逻辑为：当检测点位于故障点上游侧时，其故障参数小于零，极性为负。

（2）故障点下游侧线路，两非故障相和故障性的故障电流暂态分量的流向均相同（由故障点流向终端用户负荷端）。此种故障工况条件下，可获得任两相（以A相为故障相计）的故障暂态电流方向参数为：。故障检测点的故障参数为：。此故障工况下的故障定位判别逻辑为：当检测点位于故障点下游侧时，其故障参数大于零，极性为正。

3 基于相电流暂态分量的故障定位新方法的应用研究

3.1基于IDT的故障定位集成模型方案

进行配电网故障定位时，以IDT智能终端开关(进线断路器、分段开关、联络开关)为一个集控节点，以相邻开关间的配电区域作为一个独立的故障检测中心，将相电流暂态分量算法嵌入到沿线路布设的IDT智能终端开关中，利用IDT处获得检测点上下游侧各检测点的三相相电流（）的数据值和状态信息，并通过光纤通信网上传给主站监控系统的带时标故障诊断和定位报警系统进行故障准确定位。基于IDT智能配电终端的故障定位集成模型如图2所示：

图2 IDT智能配电终端集成模型

图2中，IDT智能配电终端是以断路器或分段开关或联络开关作为一个节点，通过CT采集10kV线路三相电流（）信号，通过光纤以太网与高级配电运行ADO系统和其它IDT智能配电终端进行实时通信。IDT智能配电终端具有数据采集、状态监测、故障检测、故障诊断、故障定位、远程操控等功能，能够通过内部保护控制逻辑检测判断线路是否存在失压、过流等故障，以及利用暂稳态电流和暂稳态电压来动态判断配电网故障类型和故障点，继而操作对应的控制开关动作，将故障分支从系统中隔离出来，确保其它非故障线路供电的可靠性；另外还可以通过对故障排除程序的判别，尤其是对瞬时故障的甄别，可以在故障消失后，通过自动重合闸装置等恢复配电网供电。主站根据沿线IDT智能配电终端上报的故障信息，确定准确故障区段（配电网故障点位于故障参数和极性不相同的两相邻 IDT故障检测点之间）。

3.2 实例概况

以一个110kV/10kV降压变电站作为试验对象，其共有5条10kV线路。10kV系统的正序阻抗为：，正序对地导纳为：；零序阻抗为：，正序对地导纳为：。为了简化分析，认为线路的等效负荷阻抗相等，统一为：。单相接地故障发生在10kV线路处，其故障点距离母线侧工2km，在线路上设置4个IDT故障检测点，其中Q和M为故障点上游侧检测点，N和P为故障点下游侧检测点。整个10kV配电网系统的结构及相关参数如图3所示：

图3 10kV配电网的网络组成

3.3 测试结果分析

由于10kV系统发生单相接地故障时，其接地故障电流的暂态分量通常只有几安或几十安，相比正常运行电流要小很多；同时正常负荷电流的频率为工频分量，而接地时所产生的暂态信号频率通常可以达到几百甚至几千赫兹。为了准确检测到配电网故障电流，以工频信号作为检测过滤对象，在IDT智能配电终端的CT信号采集前端增设滤波器以有效滤除故障电流信号的工频信号，并结合前置放大、隔离、调理等电路，滤除工频负荷电流信号，进而准确提取出配电网故障时的故障电流暂态分量。

按照图2所示的IDT模型和图3所示的电网结构，建立好对应的测试模型。系统采样频率设置为100kHz,取故障后10ms内的2000个暂态电流采样信号数据用于IDT内部模型运算分析。分别设置六种故障工况来验证不同接地电阻、不同故障初始角的故障工况条件下的暂态电流分析和故障定位的正确性和可靠性。经测试试验，其测试结果如表1所示：

表1 10kV配电网故障定位测试结果

从表1所示的测试结果可知，在不同接地电阻和故障初始相角的工况条件下，如：在接地电阻为5Ω，故障初始相角为90°的故障工况条件下，故障点上游侧检测点的故障参数小于零(即：F_Q和F_M的故障参数为-1)，故障点下游检测点的故障参数大于零(即：F_N和F_P的故障参数为3)，故障点位于两极性相反的检测点之间（即故障区域为M-N）。经测试判别获得的故障区域与实际故障区域完全相匹配，充分验证了基于相电流暂态分量的故障定位新方法的正确性和可靠性。

4 结束语

在考虑到故障电流暂态分量比正常负荷电流小很多，且故障电流频率要比工频高很多等特性的基础上，结合检测点故障参数判别逻辑，提出基于IDT智能配电终端的配电网小电流接地故障定位新方法。经10kV配电系统的实例测试分析结果可知，基于接地故障电流暂态分量的故障定位新方法，其经测试判别获得的故障区域与实际故障区域完全匹配，所获得的故障定位结果准确可靠。基于IDT智能配电终端和接地故障电流暂态分量的故障定位新方法，提高了配电网故障定位的效率和可靠性，为配电网故障准确定位的研究提供了一种新的研究视角。

参考文献

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