徐超+邱现民+刘杰+周明

摘 要：在我国10～35kV电网中，普遍采用小电流接地系统，当发生单相接地故障时，在高压侧发生了故障相电压降低和非故障相电压升高，引起中性点位移，虽然线电压仍然是对称的且故障电流小，但单相接地故障有可能发展成为两相接地短路故障或其他形式的故障，为保证设备及人员安全，应及时找出接地故障线路以便迅速处理。对于单相接地故障的检测，传统的方法是采用副二次绕组接成开口三角形的三相电压互感进行检测。为了寻找故障线路，值班员通常采取轮流拉闸的办法来确定具体的故障线路。这种方法，会给安全运行及用户的生产造成一定的影响，降低了用户的供电可靠性。本项目研究将行波测距原理应用到电网线路中，针对其线路结构的特殊性，采用普通电压互感器获取行波信号，结合故障初始相角、接地电阻、混合线路等对检测可靠性的影响因素。利用故障产生的电压行波信号线模分量，及基于双端测距原理，并运用云计算平台，测量短路和接地等故障距离，能有效的解决小电流接地系统线路故障定位难题。

关键词：小电流接地系统；故障；检测；行波测距；因素；

【分类号】：TM862

0 引言

在我国配电网中目前，主要有两种实用方法实现配电网在线故障定位：（1）实现配电自动化（FA），利用线路负荷开关处装设的FTU实现故障分段定位。通过线路FTU检测测量TA二次电流是否出现间断角判断线路过流故障，而将检测结果送至SCADA系统，系统主站根据各FTU上报信息利用相应的故障定位算法确定故障所在区段。该方法只适合于实现了配网自动化的地区，但实现配网自动化造价太高，同时，该方法还是无法克服配电网故障电流微弱、故障特征不明显带来的问题，即使能够进行故障定位，也只能分区段定位，故障点的查找还是比较困难，特别在城网中，大多电力电缆已下地，限制了此方法的大面积使用。（2）沿线悬挂故障指示器，根据故障点前后指示器检测信息的不同实现故障分段定位。利用故障指示器实现线路短路故障的定位，具有成本低，安装方便的优点，故障后需要根据线路上故障指示器的指示状态，人工沿线查找所在区段，费时费力，该方法同样存在方法（1）中的问题。

综上所述，对于小电流接地系统输电线路，其准确的故障定位及成因分析的研究还是一个崭新的研究领域。如能取得突破，将对小电流接地系统实现自动化的贡献是巨大的，对输电网也有十分重要的建设性作用。本项目研究将行波测距原理应用到配电线路中，针对其线路结构的特殊性，采用普通电压互感器获取行波信号，结合故障初始相角、接地电阻、混合线路等对检测可靠性的影响因素。利用故障产生的电压行波信号线模分量，及基于双端测距原理，并运用云计算平台，测量短路和接地等故障距离，能有效的解决小电流接地系统线路故障定位难题。

1 行波测距的原理

行波测距方法按照故障测距原理可分为 A，B，C 三类：

① A 型故障测距装置是利用故障点产生的行波到达母线端后反射到故障点，再由故障点反射后到达母线端的时间差和行波波速来确定故障点距离的。但此种方法没有解决对故障点的反射波和对侧母线端反射波在故障点的透射波加以区分的问题，所以实现起来比较困难。

② B 型故障测距装置是利用记录故障点产生的行波到达线路两端的时间，然后借助于通讯联系实现测距的。由于这种测距装置是利用故障产生后到达母线端的第一次行波的信息，因此不存在区分故障点的反射波和对侧母线端反射波在故障点的透射波的问题。但是它要求在线路两端有通讯联系，而且两边时标要一致。这就要求利用 GPS 技术加以实现。

③ C 型故障测距装置是在故障发生后由装置发射高压高频或直流脉冲，根据高频脉冲由装置到故障点往返一次的时间进行测距。这种测距装置原理简单，精度也高，但要附加高频脉冲信号发生器等部件，比较昂贵复杂。另外，测距时故障点反射脉冲往往很难与干扰相区别，并且要求输电线路三相均有高频信号处理和载波通道设备。

目前，国内大部分行波测距采用的是B型电流行波测距的原理，需采用专用传感器，本项目利用电压互感器二次行波电压进行故障定位，安装简单，测量信号少，利用双端测距，线模分量的小波变换等原理作为测距依据，建立正常时间矩阵，完成整个网络的故障测距。

2 配网行波选线与故障定位

从图1可以看出配电线路行波的特点 ：

1）接地线路初始行波远大于非接地线路的初始行波，极性相反

2）非接地线路的初始行波数值相等，极性相同

3）与中性点接地方式几乎无关，故障特征明显

基于行波的单相接地选线原理：

1）故障线路的行波幅值远大于非故障线路

如图1左侧行波电流幅度所示，当线路上有N条馈线，全是电缆或全是架空线或电缆与架空线混合线路，imk为馈线上的行波电流幅值， imf为故障线上的行波电流幅值。若 imk≤ imf /（N-1） ，K=1，2... N ， k≠f， 判定f为故障线，其余为非故障线。

2）故障线路与非故障线路的行波极性相反

如图1右侧红色行波电流流动方向所示，可见行波在故障线中是由故障线流向母线，而非故障线路是行波由母线流向线路。

故障定位原理：

基于行波技术的故障定位方法包括双端行波测距法和单端行波测距法。我们采取的是双端行波测距法。

双端行波测距法原理是利用故障行波到达故障线路两端的时间差计算出故障距离，关键是准确记录行波到达线路两端的相对时间，利用接收GPS的卫星信号并配合高精度恒温晶振的使用，可以获取精度在0.1us以内的时间脉冲，因此GPS可作为同步时间单元。由于母线两端都只检测第一个到达的行波，线路的过渡电阻的电弧特性、系统运行方式的变化、线路的分布电容以及负荷电流等因素对测距复杂性不会造成大的影响，因此双端行波法比单端行波法测距结果更准确可靠。

因为10kV输电线路大多等效为放射状接线，对行波通路来讲认为线路为无限长，因此，双端行波定位法是理想的选择。

3 系统总体结构

系统结构由站内行波选线主站、户外行波测距终端、通信链路组成

1）、站内行波选线主站由前置行波采集单元、GPS同步、后台处理单元、显示器等，整个组成一面屏安装于站内，完成小电流接地选线功能及其故障支路的故障点定位。

2）、户外行波测距终端由高速采集单元、GPS同步、数据处理单元等组成，以挂箱式安装于户外。

3）、分支上各测距终端的信息以GPRS通信模式将数据上送到中心主站，主站分析计算后将测距结果在显示器上显示，同时以远动方式通过光纤将结果送到调度中心。

当P点发生故障时，位于站内的行波选线主站启动选线，选出故障线路并记录行波波形，同时，位于配电线路末端#2、#3位置的行波测距终端装置启动录波，记录行波波头，最后由主站数据处理中心结合三者波头数据，得出故障点位置。

4技术特点

1）利用电压行波测距，抗干扰能力强，与中性点接地方式无关

由于配电线路是正常工作时只由单端电源供电，且末端一般不带有负荷为开路状态。根据行波理论，线路末端不能检测到电流行波信号。而对于为开路状态的线路末端，电压行波的反射系数为+ 1 ，电压加倍，即线路末端可检测到电压行波信号。对于配电母线，根据其为单侧或两侧线路供电分为单出线和双出线两种结构。对于单出线系统，调压器等效电感对于高频行波相当于开路状态。对于双出线系统，电压行波反射系数为0 ，其幅值不变。两种状态下母线处均可检测到电压行波信号。 由于在配电网故障时，系统中存在丰富的行波信号，它既包含低频分量，也包含高频分量，特别是其中的对电容比较敏感的高频分量。行波信号包括很多的故障信息，是一种故障分量，系统正常运行时是不存在的，只有发生故障时才会出现，可排除正常运行不平衡电流的影响，电压行波还具有抗电晕干扰等特点，行波的产生与中性点接地形式无关。

2）采用双端测距，不需要考虑后续的反射与透射行波，测距更可靠

根据行波传输特征，可以利用单端和双端原理分别测量故障距离。单端测距法必须识别出故障点的反射波。由于配网线路一般为架空、电缆混合线路，结构复杂，同时受沿线变压器负荷及复杂环境的影响，行波在各个一次设备、各段线路连接处的反射、折射较为复杂。故障点反射波波头幅值有明显的衰减和畸变，且与阻抗不匹配点的反射波形相混淆，其识别变得非常复杂、困难。因此，配网线路中采用单端方法测距将非常困难。而利用双端法可以最大限度降低上述因素的影响。双端行波测距法只检测故障产生的初始行波波头到达时间，不需要考虑后续的反射与透射行波，原理简单，测距结果更可靠。

3）根据初始行波波头到达时间，可以有效判定区内还是区外故障

电网中输电线路发生短路故障或遭受雷电过电压侵袭时，故障点或雷击点将产生电压行波经线路向整个电网传播。由于故障初始行波在电网中是按照最短路径传播的，各变电站距离故障点的路径越短，则初始行波到达该站的时刻越早；对于故障行波到达同一变电站的不同路径而言，行波经过的路径越短，则到达时刻越早；所以对于各变电站来说，最早到达该站的行波必是初始行波。当线路故障时，电网中各行波测距装置检测并记录初始行波的到达时间，从而进行电网故障点的区内区外判定。

4）通过建立正常时间矩阵，满足T型线路的故障测距要求

首先建立正常时间矩阵，然后根据T型线路内部故障时各变电站记录的初始行波波头到达时间，建立故障时间矩阵，并与T型线路正常时间矩阵相比较，确定故障线路，然后利用双端测距方法计算出故障点位置。在T型线路测距中提出了故障线路的确定方法，只需比较故障时间矩阵和正常时间矩阵，可以准确地确定故障线路，在分支故障时，将2条故障线路的测距结果的平均值作为最终测距结果，可以提高定位精度。

5）根据电网的网络拓扑结构，建立测距网，增加系统冗余

根据电网的网络拓扑结构，利用线路故障后整个电网中安装的行波定位装置记录的有效初始行波到达时间进行故障定位计算，并可消除部分行波定位装置故障、启动失灵或时间记录错误对定位结果的影响。

5结论

随着新型城镇化、农业现代化步伐加快，新能源、分布式电源、电动汽车、储能装置快速发展，终端用电负荷呈现增长快、变化大、多样化的新趋势，增加对配电网的建设和加快对配电网的改造升级势在必行。配电网中存在的接地故障也会越来越多，本研究基于输电线路中的行波测距原理，探讨了行波测距应用在配电网中的可能性，本设计提出了基于行波的小电流接地系统故障选线与故障定位的方法，能够实现对配电网所有10kV线路进行故障选线及故障定位，同时对该配电网的安装分布式行波采集终端进行多级分支线路故障定位，在故障发生后对故障点精确定位。此系统方便供电局工作人员快速查找故障点，及时供电消除故障扩大的隐患，因此能够极大地提高供电局工作人员的工作效率，降低工作强度。希望对今后配电网接地故障的研究能够有所帮助。

参考文献

《配电网综合自动化技术》龚静 机械工业出版社2014

《实用配电技术》 李景禄 水利水电出版社，2006