关于小电流接地故障定位问题的研究
随着国民经济的高速发展，我国也在电力自动化建设中大力发展，目前，我国中压配电网以架空线为主，多为小电流系统，单相接地故障占到电网故障总数的80%以上。故障监控是配电网运行自动化的一项内容，由于中国现有配网自动化系统基本上没有小电流接地故障定位功能，现场仍然广泛采用人工巡线法确定故障位置，不仅耗费大量的人力、物力，拉路造成的短时停电还给用户造成较大的经济损失，这使得配电自动化系统在提高可靠性的作用上大打折扣。由此可见，中国新一代配电自动化系统应彻底解决小电流接地故障定位问题。
【摘要】文章以小电流系统的中压配电网架空线为例，探讨小电流接地故障区段定位新方法，并基于测点相邻矩阵区段起始测点标识向量和故障路径标识向量概念，提出确定故障区间边界节点算法。物理模拟实验和挂网测试表明：该故障分区分段定位方法能够在线求解小电流接地故障段边界节点，缩小线路维护巡视范围。为线路维护和馈线自动化提供依据。
【关键词】小电流,接地故障区段定位
一、引言
本文研究基于广域相量测量的小电流接地故障信息检测方法，综合分析中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统故障特征，研究其获取方法。针对配电网中线路负载不对称的现象导致不对称运行的情况，设定线路零序电压故障阈值，区分有无故障。以维护巡线距离基本相同为原则划分线路段，以负荷量基本相同为原则划分线路区。研究单相接地故障区间的在线快速定位机制，所给出的确定故障区间边界节点算法可应用于小电流接地故障段定位，也可定位故障区并确认相关的负荷开关。此方法可实现小电流接地故障区段实时定位，解决了配电自动化系统没有小电流接地故障定位功能的缺陷。
二、小电流接地故障分段定位原理
1.辐射型接线方式
配电网一般具有闭环设计、开环运行的特点。配电网不同线路通过双电源连接开关形成环状结构。正常运行条件下，双电源连接开关断开，从变电站引出的配电线路开环运行，形成单电源线辐射接线的树状结构，这是配电网应用最为广泛的接线方式，如图1所示。
2.故障选线与故障定位
在非有效接地系统中，一旦出现小电流接地故障，非故障相对地电压升为线电压，特别是出现间歇性弧光接地时，由于中性点缺少电荷释放通路，将引起弧光接地过电压，线路绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路。因此应尽快找出故障线路，并尽快排除故障。
从连接在同一母线的多条线路中识别出发生小电流接地故障的线路，并给出判断结果的过程称为故障选线。如图2所示，如果线路区间内有一条支路AB发生单相接地故障，根据故障信息特征在故障区间找出故障支路的过程称为故障定位。
在配电网线路上设置检测小电流接地故障的测点，以若干互为相邻的测点为边界，即可划定线路区间，如图1、2所示。可见，测点越多线路区间越小，故障定位也就越准确。
配电网的测点作用各有不同：变电站母线测点获取零序电压相量；在线路上设置的零序电流相量测点若仅用于故障定位，则把它们称为普通线路测点；若某些线路测点不仅用于故障定位还用于馈线控制，则将它们称为特殊线路测点。如果互为相邻的测点中含有普通线路测点，以它们为边界划定的线路区间称为段，全以特殊线路测点为边界划定的线路区间称为区。因此，本文有故障分段定位和故障分区定位的不同概念。
3.小电流接地故障特征信息的获取
（1）中性点不接地系统故障特征
单电源辐射结构线路发生小电流接地故障时，零序电流相量存在不稳定性，仅在线路端点母线处无法确定其分布。配电网线路支路多、距离远，人工巡线定位故障位置非常艰难。针对诸多难题，本文研究在线路中设置固定测点的解决办法。实践表明：固定测点受噪声、小电流信号衰减的影响较少，方便监测故障零序电流。
对于中性点非有效接地系统，线路f点发生单相接地故障，相当于在f点接入一个零序电压源，线路的感抗较小且零序电流较小，零序电压在整条线路上近似相等，在变电站设置一个零序电压测点。理论上，非故障时线路零序电压为0。但是由于线路不对称原因也可能产生零序电压，故设定线路零序电压故障阈值，若零序电压超过阈值，则系统出现小电流接地故障，启动故障定位功能。
零序网络阻抗仅由线路的对地电容成分构成，零序电源在线路上产生零序容性电流。母线至故障点最短距离经过的线路路径称作故障路径。定义由电源侧指向负荷终端的方向为该网络各分支的正方向。零序电流滞后零序电压90o的支路是故障路径的一部分，零序电流超前零序电压90o的支路不在故障路径上，如图3所示。
（2）消弧线圈接地系统故障特征
对于中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈的补偿作用，使故障线路零序电流相位与健全线路相同、零序电流幅值小于健全线路情况，应采取技术措施获取故障特征。线路发生单相接地故障后，电网允许带故障运行不超过2h，对消弧线圈发出控制信号，调控消弧线圈在过补偿和欠补偿之间交替变化，零序电流相量在-90o和90o交替变化的测点在故障路径上，零序电流相量保持90o不发生变化的测点不在故障路径上，从而获取故障信息特征。完成单相接地故障检测后，消弧线圈转入正常补偿状态。
（3）故障特征信息的获取
测点采用广域相量测量技术实现零序电压或零序电流相量数据采集，通过全球定位系统（globalpositioningsystem，GPS）授时确保各测点测取相量数据的同步性，通过通用分组无线服务技术（generalpacketradioservice，GPRS）组网实现信息传输，根据各测点相位差获取单相接地故障特征信息。各测点相位差定义为：
式中：为号零序电流测点绝对相位；为变电站零序电压测点绝对相位。综合中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统2种情况，的取值保持90o不变的测点在故障点下游；否则测点在故障点上游，即在故障路径上。4.故障分段定位法
故障分段定位自动地从每个测点处采集零序电流相量数据，识别出发生故障的线路段，并给出判断结果。图4是典型的单电源辐射结构线路分段示意图，相邻测点将线路分成了不同的段。
一个段可能由2个测点界定，如f1所在故障段由起始节点9号测点及其子节点10号测点界定标识，段边界节点集合表示为{9，10}，起始节点及其子节点为边界节点集合元素；一个段也可能由多个测点界定，如f2所在故障段由起始节点1号测点及其子节点2、7和9号测点界定标识，集合表示为{1，2，7，9}。第i段的区间边界节点集合Wi定义为：
单电源辐射线路内流过的故障零序电流带有方向，如图3所示。单电源辐射线路拓扑结构是有向图，用一棵树表示。在定位故障段的方法中，变电站0号根测点只采集零序电压相量数据，故障点一定在该点下游；叶节点是假想测点，故障点一定在这些测点的上游。除根节点和叶节点外，其他节点是零序电流测点。设零序电流测点数为m，叶节点假想测点数为n，则所有测点数为m+n+1。根节点和m个电流测点可定义m+1个线路段。M+1维起始测点标识向量保存根测点和零序电流测点标识号。图4所示系统的起始测点标识向量为：
=[0，1，2，7，9，3，5，10]
采用测点相邻矩阵描述线路变电站根节点、零序电流测点节点和线路末端假想节点之间的相邻关系。测点相邻矩阵S的元素Sij定义为：
确定故障区间边界节点算法（algorithmtofindfaultareaboundarynodes，AFFABN）的输入量为测点相邻矩阵S和区间起始测点标识向量r，输出量为故障段边界节点集合W，AFFABN的描述如下：
1）获取变电站零序电压相量数据和每个测点零序电流相量数据，计算各测点相位差。定义故障路径标识向量e的长度与向量r一致，其元素与向量r元素存在对应关系。当线路零序电压大于等于阈值时，线路出现故障，e1=1；无故障时，e1=0。若i号（i>1）真实测点在故障点上游，则e1=1；若i号真实测点在故障点下游，则ek=0。
2）从e的第1个元素开始顺序查找，找到e中值为1的最后1个元素，设为ek，则rk为故障区间的起始节点，其子节点集合V为：
定位故障段时，调用AFFABN算法可得到故障段的所有边界节点，故障段内所有支路都可能是故障支路。
三、小电流接地故障分区定位原理
在较长的单电源辐射结构线路干线及分支上安装负荷开关，一般主干线有1～2个负荷开关，负荷较密集地区每公里安装1个开关，远郊区和农村地区按所接配电变压器容量每2～3MVA安装1个开关。
在负荷开关的位置安装零序电流测点，单电源辐射结构线路干线及分支被负荷开关处的零序电流测点分为不同的区。故障分区定位通过某种技术和装置自动地从每个负荷开关处测点采集零序电流相量数据及其分布，识别出发生故障的线路分区，并给出分区边界负荷开关节点，为馈线自动控制提供准确信息。
图5是典型的单电源辐射结构线路分区示意图，相邻负荷开关处测点将线路分成了不同的区。分区可能由2个负荷开关处测点界定，如图3所示。根节点0号测点及其子节点1号测点标识界定一个分区；分区也可能由多个负荷开关处测点确定，起始节点2号测点及其子节点3和5号测点作为边界节点标识另一个分区。
与线路分段原理类似，可以采用测点相邻矩阵描述变电站根节点、零序电流测点节点和线路末端节点之间的相邻关系。
可见，只要获得负荷开关处测点相邻矩阵D和起始节点标识向量t，调用确定故障区间边界节点算法即可得到故障区边界负荷开关节点。
设负荷开关处测点为a个，叶测点为b个，则所有测点数为a+b+1。负荷开关处测点相邻矩阵D的元素dij定义如下：
从而得到a+1行a+b列矩阵负荷开关处的测点相邻矩阵D。
将根测点号和所有起始负荷开关处测点节点号保存在长度为a+1的节点号向量t中，则故障路径标识向量e与向量t存在制约关系。调用确定故障区间边界节点算法AFFABN求取故障分区边界节点，存放在集合U中。
四、故障定位物理模拟实验与挂网测试
1.故障定位物理模拟实验
在新能源电力系统国家重点实验室10kV配电网物理模拟平台上对故障定位系统进行了单相接地故障模拟实验，12组数据如表1所示，物理模型电路如图6所示。
2号线路2个零序电流测点分别为1和2号测点，末端有3号假想测点，将2号线路分为3个段，起始测点标识向量r为：
由此可得故障路径为根测点。故障路径标识向量e中最后1个非零元素序号是1，所以k=1，r1=0。测点相邻矩阵S的第1行仅1个非零元素s11，在第1列。可知，故障段起始节点为0号测点，其子节点为1号测点，定位0和1号测点之间的支路有故障{0，1}，如表1所示。
2）表1中5-8号实验，基于广域相量测量技术的线路测点获取故障信息特征，并送至服务器处理，填入故障路径的标识向量e为：
e=[1，1，0]
由此可得故障路径为，根测点1号测点。故障路径标识向量e中最后1个非零元素序号是2，所以k=2，r2=1。测点相邻矩阵S的第2行有1个非零元素s22，在第2列。可知，故障段起始节点为1号测点，其子节点为2号测点。定位1至2号测点之间有故障{1，2}，如表1所示。
3）表1中9-12号实验，基于广域相量测量技术的线路测点获取故障信息特征，并送至服务器处理，则故障路径的标识向量e为：
e=[1，1，1]
由此可得故障路径为，0号测点→1号测点→2号测点。故障路径标识向量e中最后1个非零元素序号是3，所以k=3，r3=2。测点相邻矩阵S的第3行仅1个非零元素s33，在第3列。可知，故障段起始节点为2号测点，其子节点为3号测点，定位2和3号测点之间的支路有故障{2，3}，如表1所示。
2.挂网测试
双电源开关1-3断开后，闭环设计开环运行的配电网某站A号线路成为典型的辐射型线路。故障定位系统现已在A号线路挂网测试，在实际线路上安装了3个测点，测点全部放置在负荷开关处，使得分段和分区重叠，现场线路如图7所示。A号线路被3个零序电流测点分成4个段，测点的下游分别是3个段，变电站根节点与测点为边界节点界定的区间是一个段。段起始测点标识向量r为：
r=[0，1，2，3]
系统分段测点相邻矩阵和分区负荷开关处测点相邻矩阵相同，为：
故障定位系统在获取故障信息特征后，可分4种情况得到故障路径标识向量：
1）1号测点零序电流滞后零序电压900，e=[1，1，0，0]；
2）2号测点零序电流滞后零序电压90o，e=[1，0，1，0]；
3）3号测点零序电流滞后零序电压90o，e=[1，0，0，1]；
4）测点零序电流都超前零序电压90o，e=[1，0，0，0]。
调用AFFABN算法可得到故障段边界所有测点，最终确定故障段，故障段内所有支路都可能是故障支路。祝泽站A号线路覆盖面大，而且小电流接地故障较为频繁，故障定位系统开通后运行稳定，实现了小电流接地故障自动检测和实时显示。
参考文献
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[3]夏雨，姚月娥，刘全志等.配电网故障定位与隔离的新统一矩阵法[J].高电压技术，2002，28（3）：4-6.
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