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配電網單相接地故障測距方法探討及應用
姚益杰
(國網浙江杭州市余杭區供電有限公司，浙江 杭州 311199)
摘要：介紹了配電網系統線路單相接地故障原因，探討了國內外配電網單相接地故障研究現狀，結合我國配電網系統的供電可靠性和電能質量的要求，提出了“選線+鎖段+定位”的接地故障測距方法，并在余杭某配電線路進行了 驗證，取得了良好的效果。 關鍵詞：單相接地；測距；定位
0 引言 我國配電網主要以小電流接地方式為主，其優點是發生單相接地時故障電流較小，能保證人員和設備的安全；缺點是發生接地故障時故障電流較小，不易采集，無法直接參與故障測距的判斷。配電網中最常見和最易發生的是 單相接地故障，占配電網線路故障的85%。因為其產生的原因很復雜，對運行設備和用電設備的影響較大，所以本文探討了單相接地故障的測距方法，以快速選擇出故障線路，準確定位故障點。
1 配電網單相接地故障原因 配電網發生單相接地故障時，配電線路會對大地直接放電，從而造成巨大的電能損耗，存在一定的安全隱患。單相接地故障不僅影響用戶側的供電可靠性，還增加了人力和物力損耗，造成不必要的經濟損失。由于基層運維人員的技術水平和能力有限，供電公司又欠缺有效的技術手段和解決方法，無法實現單相接地故障的預防、快速定位和自動切除，因此使得配電網單相接地故障的定位問題成為配電網的技術難題。本文對當前的單相接地故障文獻進行了梳理，對配電網供電線路的運行現狀進行了調研，總結出配電網單相接地故障發生類型及原因。 (1) 天氣因素。強風、雨雪、雷電等天氣狀況，使架空線路出現斷線、倒桿和樹木對線路放電等現象，從而引 起配電線路發生暫態或永久性的單相接地故障。產生的危害：造成配電變壓器高壓繞組單相絕緣擊穿；造成配電變壓器上的避雷器或熔斷器絕緣擊穿；造成導線上的分支熔 斷器絕緣擊穿、絕緣子擊穿。 (2) 設備因素。設備自身故障和絕緣體老化未及時發 現或更換，導致線路的機@強度和絕緣水平降低，從而出 現配電線路單相接地故障I產生的危害：造成絕緣子擊 穿、配電變壓器高壓引下線斷線等設備故障；引發電纜自燃、火災事故；停電范圍、時間被擴大，造成不必要的經 濟損失。 (3) 人為因素。外部施工考慮不足，造成地下電纜的 機械破損，電力桿塔的撞斷或倒桿事件，從而引發配電線 路接地故障。產生的危害：造成供電設施損壞；造成人身 傷亡事故；破壞區域電網的系統穩定，造成不良的社會影響。 (4) 動態因素。在配電線路規劃、設計之初，未充分考慮城市的發展和人民用電需求的擴大，使得用電負荷的分配、線路的接人等變得無序和不可控；隨著時間的推移和城市的不斷壯大，導致用電負荷分布和電源點分布不均衡，致使線路長時間處于過載運行狀態，從而發生接地故障。產生的危害：線路發熱燒斷；縮短線路的使用壽命；產生高幅值的諧振過電壓，危及變電設備的絕緣、擊穿絕緣子，造成更大的事故。
2 單相接地故障測距研究現狀 按照配電網的建設程度和發展實際，國內對配電網單相接地故障測距的研究可簡化為三個階段。初期，針對配電網單相接地故障的分析和定位困難的問題，各電力科研院所和高校學院進行了大量的理論分析和試驗室仿真驗證，但實際應用效果不理想。配電網單相接地故障發生的次數和概率依然很高，故障定位仿真值與實際故障位置相差較遠，不能有效指導單相接地故障的排查。加上配電網結構各異、運行環境和工況多變，僅通過各種數學模型的搭建及新型算法等理論分析和仿真，無法從根本上解決配電網接地故障的定位和故障排查。中期，隨著配電網自動化水平和智能化技術的提高，為配電網線路單相接地的定位提供了良好的技術手段。在配電網系統的故障選線方面，能準確定位故障線路，縮短運維人員的故障排查時間，但對于故障點位置的定位，尚無切實可行的方法，仍需人工巡線來排查故障。近期，在深人研究小電流接地配 電網單相接地故障時電氣量特征和故障特點的基礎上，提出了工頻注人法、阻抗法和行波法等故障測距方法，可快速分析和縮小故障排查范圍，提高故障定位的精度，縮短故障排查時間。但這些故障測距方法不具普適性，因此配電網單相接地故障的研究仍需投人大量的人力與物力。
3 配電網單相接地故障測距 本文在總結國內外研究成果的基礎上，提出了“選 線+鎖段+定位”的接地故障測距方法。 第一步，利用目前智能化故障指示器的動作情況和報 警信息選擇出故障線路。配電網改造和建設中絕大多數地 區的配電線路均安裝了故障指示器，在線路出現故障時短 路電流會使故障指示器動作，并自動翻牌和發信至配電監 視系統主站。如圖1所示，當配電網線路發生接地故障 時，根據配電監視系統的故障指示器的動作信息和線路斷 路器的狀態變化情況，可快速判斷接地故障線路為出線3。
圖1 配電網故障線路示意圖
第二步，利用電壓-時間型斷路器與分段開關的配合 邏輯來迅速鎖定故障區段。通過線路電壓與故障時間的保護配合邏輯，閉鎖故障點相鄰的斷路器為分位，并重合非故障區段內的斷路器，從而實現故障區段的隔離與非故障區段的復電。如圖2所示，當線路3發生單相接地故障 時，故障點相鄰的斷路器C2、C3迅速分開，使故障區段被迅速隔離且非故障區段的斷路器經重合閘恢復供電，從而鎖定故障區段b。
圖2 配電網故障區段選擇示意圖
第三步，通過人工巡線的方式查找故障區段內的明顯 故障點，直接定位故障源；或利用專用信號發生設備向故 障區段注人特定(225Hz)電流信號，通過檢測故障線路的 電流返回值查找故障點的位置，如圖3所示。
圖3 單相接地故障點定位示意圖
4 實際應用 為了驗證本文提出的“選線+鎖段+定位”接地故障測 距方法的有效性，選取了余杭地區某配電網的5條配電線 路作為試點區域。首先在試點區域搭建了配電監視系統，在線路上安裝了故障指示器、電壓-時間型斷路器與分段開關。其次任意選取一條配電線路，預先在設定區域進行人為單相接地故障試驗，并采集故障線路的零序電壓與電流(波形如圖4所示），根據試驗結果進行了總結，編寫了相應的定位方法和測試方案。最后經過半年的試運行，證 明了本文提出的測距方法的有效性。
圖4 故障線路零序電壓與電流波形圖
5 結語 配電網單相接地故障測距精度的提高，能改善配電網 現狀和促進配電網系統的健康發展。本文根據配電網單相接地故障的特殊性和技術難點進行針對性分析，并提出“選線+鎖段+定位”的接地故障測距方法。通過在余杭某配電線路上應用該測距方法，準確找到了故障點的位置，并快速將故障區域進行了自動隔離，證明了該非法的有效性。
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