小电流接地系统高阻故障定位示范应用
朱毅勇
（国网泉州供电公司，福建 泉州362100）
摘要
小电流接地系统单相接地故障检测技术是困扰配电网运行管理多年的世界性难题。近年来，基于暂态信号的单相接地故障检测技术成为研究热点，各类选线及定位装置在现场崭露头角；然而，普遍存在对低阻接地有较高可靠性，高阻接地故障时，准确性能大打折扣。针对上述问题，国网泉州供电公司开展了2种接地方式下的2种不同实现方式的一些示范工程建设。首先介绍基于暂态信号的定位方法、分析高阻故障适应性，接着全面阐述工程总体概况，最后介绍实际现场开展的人工接地试验。该示范工程的建成及投运有效验证了基于暂态信号的诊断方法具备高阻接地故障检测能力，可为提高配电网供电可靠性提供有益借鉴。
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引言
小电流接地系统中，接地电流小、稳态特征不明显。传统基于工频信号的故障检测技术缺乏灵敏性和适用性，现场实用性不高。近年来，针对金属性接地或低阻接地故障，基于暂态分量的选线及定位技术已取得一定突破；而对于高阻接地故障，如单相坠地断线、避雷器不完全击穿、树木搭落导线等因素诱发的故障，故障电流更小、故障特征差异更不明显。一方面，造成单相接地故障检测技术大打折扣；另一方面，各类保护装置无法正确做出研判，长期失地运行时人身接近故障点范围内，易引发跨步电压触电伤亡事故。
当前，电网企业已逐步由保人身、设备安全的传统观念过渡到以保障人身安全为首，设备安全为辅的新高度跨越。有效预防人身安全，提高电网安全运行成为当务之急。针对高阻故障，也成为解决问题的突破口之一；然而，现有研究普遍停留在理论研究阶段，针对现场实际应用成果鲜有涉及。
近年来，针对“基于暂态信号的单相接地故障定位技术”研究领域，示范工程建设与应用取得了一定的成果，依托国家“863”计划“智能配电网新型量测、通信、保护技术研究与开发”、国家电网公司科技项目“提高配电网故障处理能力研究与开发”等建成了一套完整的接地故障检测系统，单相接地故障检测准确率大幅提升。然而，高阻接地故障仍是一个待解决的问题。为寻求突破口，依托国家电网公司科技项目“基于配电自动化系统的配电网单相接地故障定位技术研究与应用”，在国内率先开展高阻接地故障定位技术示范建设。
本文主要介绍福建省泉州市开展的示范工程的总体情况，包括：城东洛江片区示范工程，主要实现中性点经消弧线圈接地故障定位技术的应用；河市罗溪变电站示范工程，主要实现中性点不接地系统故障定位技术的应用，两者都实现对高阻接地的定位功能。示范工程的选取秉承技术可行、经济性好为宗旨，选取基础条件优越、交通便捷、配电网通信覆盖率高的地区进行试点。
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配电网小电流接地系统单相接地故障定位方法
1.1 基于暂态电流波形的配电网故障定位方法
无论是不接地系统还是经消弧线圈接地系统，单相接地故障时，故障点两侧的暂态电流存在差异。当末端故障时，暂态电流近似相同，仅极性相反。因此，综合权衡暂态电流相似性及极性的定位方法可有效完成定位。区段定位方法如下：
1）故障点两侧测量点暂态电流相似但极性相反。从母线开始向下搜索，第一个两侧暂态零序电流差异的馈线段就是故障段。
2）当所有的相邻检测点的零序暂态电流波形和极性都相似，则判别为检测点末端故障。
1.2 基于功率方向的配电网接地故障定位方法（略）
1.3 基于暂态功率方向和波形比较的综合定位方法
综合利用暂态功率方向信息和暂态电流波形比较的方法能提高故障定位的有效性和适应范围。暂态功率方法比波形比较可靠性更高。但暂态功率法适用范围较差，而暂态电流波形比较可适用于所有检测点。因此，综合定位法可表述为：
1）针对一些已安装有TV的设备，先行计算暂态功率方向，初步定位故障所处大区段。
2）根据步骤1）定位大区段，接着，针对大区段内的检测点启动临近终端暂态电流波形相似性比较判据实现小区段定位，最终确立故障位置。
如图1所示，STU1具备零序电压信号采集，STU2仅提供零序TA采集，STU3提供CA线电压采集功能。当A、C任意相发生单相失地，计算STU1和STU3功率方向，确立故障区段位于这2个检测点之间；接着，启动波形比较判据最终确立故障区段。而对于B相发生失地的特殊情况，只能通过暂态波形比较原理完成定位。
图1 综合判据示例图
1.4 高阻接地故障适应性分析
根据文献［9-10］，无论何种接地方式，故障线路（区段）与健全线路（区段）功率方向极性始终相反、波形差异明显，故障线路（区段）暂态电流峰值也始终大于非故障区段，当且仅当过渡电阻与对地电容非常大时，才出现难以预测情况。因此，传统基于暂态分量的综合选线与定位方法仍然适用于高阻接地故障研判。
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示范工程总体情况
福建省泉州市开展的示范工程应用主要包括城东洛江片区示范工程和河市罗溪变电站示范工程。
2.1 城东洛江片区示范工程
城东洛江片区示范工程，总面积17 km，涵盖辖区内3个变电站（万安变电站、城东变电站、东星变电站）、20条馈线，采用消弧线圈的中性点接地方式。该区域作为泉州新兴建设区，以电缆线路为主，配电网通信光缆覆盖率高、基础条件较为优越。示范工程累计安装50多套新型智能终端，采用两相TA加零序TA的方式进行电流采集，通信方式采用光缆方式。图2显示了万安变电站示范工程接线图。该示范工程实现了中性点消弧线圈接地方式下，电缆线路的高阻接地定位功能。采用的技术路线是DTU光缆主站方式。
图2 万安变电站示范区接线图
2.2 河市罗溪变电站示范工程
河市罗溪变电站示范工程总面积9 km，涵盖辖区内罗溪变后双线、虹山线及广桥线3条馈线，共装设站内选线装置1套、故障指示器21台，如图3所示。该部分线路为农村架空线路，系统电容电流较小，中性点采用不接地方式。采用的技术路线是新型故障指示器无线通信主站方式。
图3 河市罗溪变电站示范区接线图
2.3 高级配电自动化主站系统建设
此外，还升级了配电自动化主站系统。在原有主站系统正常生产运行的前提下，升级高阻接地单相故障定位模块，将2个示范工程的所有终端数据均接入该主站。通过升级主站能实现对高阻单相接地故障的馈线自动化功能，从而实现了主站对中压配电网故障类型的功能全覆盖。主站系统由众多硬件体系构成，比如服务器、工作站、网络设备、安全防护设备以及同步时钟组成，并配套定位软件。服务器主要包括DSCADA服务器、历史服务器、数据服务器、Web服务器等。服务器均采用双机热备结构，能够提供数据采集、接收、存储、计算、分析功能，通信采用光纤以太网传输，如图4所示。
图4 高级变电站主站系统硬件架构
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现场试验
为检验示范工程中单相接地故障定位理论和性能，在实验室建成一套RTDS动模系统，模拟电缆线路和架空线路故障，针对不同接地类型开展试验，定位性能得到可靠验证。同时，针对示范工程开展了人工接地试验，结果均十分理想。以下将重点介绍河市罗溪变中性点不接地系统高阻接地故障检测技术的示范工程总体成效。
选取泉州罗溪变电站10 kV后双线进行现场接地试验，该线路杆上共装设3套三遥故障指示器，实现定位功能。故障点位于后双线后虹支线32号杆验电接地环处。将适当长度的高压绝缘导线一端固定于实验线路故障点断路器出口线夹处，另一端与大功率电阻（或间隙、熔断器等）连接，并经接地引下线装置可靠接地；其中，在线路中串接入TA完成故障录波。故障线路与虹山线联络，故障点位于线路末端。根据理论分析，末端故障，故障点附近零序电流最小，加大定位难度。现场接线见图5。
图5 罗溪变电站后双线人工接地试验接线图
试验方案确认完毕后，还需确定试验方法，选择接地类型。根据美国德克萨斯农机大学对12 kV直接接地配电网导线坠落至各种类型地面（沙土地、草地等）的接地电流，测试结果如表1所示，计算可得大部分导线故障接地电阻普遍在1 000以下。相比于直接接地系统，不接地系统接地电流更小。因此，参考上述试验接地类型，综合权衡示范工程故障线路现场实际情况，最终选取经电阻（＜3 000）、草地（干燥及湿润）、避雷器击穿、球隙、绝缘子击穿等高阻接地故障的不同种接地类型，验算高阻定位可靠性。
共进行15次高阻接地试验，得到表2所示结果，其中定位成功次数11次，成功率接近70%。针对小于2 000的接地故障，定位系统均能准确实现定位。针对出现的5起故障定位失败，主要原因仍是接地电阻较大，导致零序电流较小，达不到阈值启动条件。然而，根据美国德克萨斯农机大学模拟的有关现场实际中的导线坠地类型实验（除2 000电阻接地故障外），该定位系统均能较准确实现定位功能，因此，高阻接地故障定位可靠性得到有效验证。
表1 导线坠落到不同地面时接地电流
序号 |
地面类型 |
电流/A |
1 |
干燥的沥青 |
0 |
2 |
湿润的沙地 |
15 |
3 |
干燥的草皮 |
20 |
4 |
干燥的草 |
25 |
5 |
湿润的草皮 |
40 |
6 |
湿润的草 |
50 |
7 |
钢筋混凝土 |
70 |
图6为球隙接地和经2 000高阻接地的故障录波图，由于球隙接地局部放电，暂态录波特征差异明显，高频分量占主要成分。而对于高阻接地故障，零序电流无法达到启动阈值，故障指示器未能正常工作。
图6 后双线典型故障录播图
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结语
小电流接地故障定位技术是一项系统工程，涵盖通信、保护、自动化等多学科融合。目前，针对金属性接地或小阻值接地故障已取得一定突破，各类选线及定位系统已在实际应用中崭露头角。而针对高阻接地故障，仍然存在许多瓶颈。为提升小电流接地系统高阻接地故障定位准确性，在泉州市开展不接地系统高阻故障定位技术示范工程建设。结果表明，对于通信条件较好电缆线路，采用DTU方式实现高阻接地的判断效果较好，在架空线路上，可以采用新型故障指示器方式，实现高阻故障的检测。第24届国际供电会议（CIRED 2017）关于高阻接地检测能力逐步升温。今后，加大终端、故障指示器部署，扩大系统覆盖面，捕捉实际运行数据并进行优化改进将成为研究重点。
作者简介
朱毅勇，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为配电自动化及应用管理。
［引文信息］
朱毅勇．小电流接地系统高阻故障定位示范应用［J］．供用电，2018，35（5）：25-30．
ZHU Yiyong．Demonstration application of high-impedance faults diagnosis approach in small current neutral grounding system［J］．Distribution & Utilization，2018，35（5）：25-30．
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《供用电》
