>基于新型配電自動化開關的
饋線單相接地故障區段定位和隔離方法夏雨1，賈俊國2，靖曉平3，胡正民3，王章啟1（1．華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430074；
2．國電公司農電工作部電力處，北京100031；
3．湖北省電力局，湖北武漢430077）摘要：針對配電網饋線單相接地故障定位隔離問題，提出采用具有測量和遠程通信功能的新型配電自動化開關構成分布式饋線自動化系統，通過監測一條饋線上各開關處的零序電流和零序電壓，計算由區段的各端點流入該區段的零序電流的相量和（即流入區段零序電流），以識別故障區段，判斷此饋線故障狀態，實現對故障區段的快速隔離的新原理。文中亦簡要介紹了新型配電自動化開關的特性。此故障定位方法適用于各種中性點接地系統；理論上不受接地點過渡電阻的影響。matlab仿真結果證明原理分析正確，此故障定位方法具有實用價值。
關鍵詞：饋線自動化；零序電流；故障區段定位；單相接地1引言
我國的配電網屬于中性點不直接接地系統，系統發生單相接地雖不形成短路回路，但有引發嚴重繼發事故的可能性，必須迅速地查找出故障區段。
現有的單相接地故障選線方法可以分為三大類：采用基波或諧波零序電流、零序能量的大小和方向實現故障選線[1~4]，基于負序電流故障選線方法[5]，檢測注入異頻信號的故障選線方法[6]。基于以上方法的保護裝置大多集成于變電站綜合自動化系統中，一般需采集并比較各出線開關處的電量信息，才能確定單相接地故障線。
在饋線上安裝具有測量和通信功能的新型配電開關，能獲取大量的線路電量信息，為新方法的采用提供了可能[7,8]。本文提出的新方法只需測量一條饋線上各開關處的零序電流和零序電壓，即可實現對此饋線單相接地故障判斷和區段定位。采用此方法，在單條饋線上的新型配電自動化開關間建立通信網絡，構成分布式饋線自動化系統，系統可獨立地實現此饋線單相接地故障區段的定位和快速隔離功能。
2新型配電自動化開關簡介
新型配電自動化開關具有以下特性：
（1）出線開關具有開斷短路故障電流的能力，線路分段開關具備開斷正常工作電流的能力。
（2）出線開關、線路分段開關具有三相電流電壓傳感器（一體化電壓電流傳感器已在作者的配電開關試驗樣機中成功應用），以獲取三相電流、電壓信號。
（3）出線開關、線路分段開關具有以高性能單片機為核心、有遠程通信接口的控制器，該控制器具有相應的硬件接口電路將三相電壓、電流信號轉換為零序電壓、零序電流信號。
在由上述配電開關構成的饋線自動化系統中，出線開關、各線路分段開關之間的通信聯系不受開關分合狀態的影響。
3流入區段零序電流分析
以兩條出線的小配電網系統為例，兩出線均分為三個區段。設系統的e區段某處c相發生單相接地，零序等效網絡如圖1。圖中節點1、4為出線斷路器，節點2、3、5、6為線路分段開關；ZN為中性點接地元件等效阻抗（對于中性點不接地系統ZN=∞），R為接地點過渡電阻；為系統零序電壓，為流過各節點的零序電流，為流過各區段單相對地電容的電流，為流入故障點的零序電流。
記由i區段的各端點（開關）流入i區段的零序電流的相量和為其為同一電流參考方向下，流過區段i的電源側節點的零序電流與流過區段i的所有負荷側節點的零序電流之差。如下式所示。流入各區段零序電流矢量示意如圖2。由圖2可知，流入非故障區段零序電流超前零序電壓90。流入故障區段零序電流的相位特征與系統的中性點接地方式有關：NUG（中性點不接地）系統中滯后零序電壓90；NRG（中性點經電阻接地）系統中流入故障區段零序電流含有功分量；在NEG（中性點經消弧線圈接地）系統中，由于消弧線圈的電阻分量，且消弧線圈一般并聯電阻或串聯電阻運行，流入故障區段零序電流含有一定的有功分量。
由式(1)、(2)可知，流入各區段零序電流的幅值之比與接地點過渡電阻R無關；流入各區段零序電流與零序電壓的相位差與R無關。故障區段的識別可以依據流入區段零序電流的幅值和相位特征實現。
4單相接地故障定位方法
4.1流入區段零序電流幅值判據
由于流入故障區段零序電流的幅值必為故障饋線上流入各區段零序電流幅值的最大值，本方法中采用饋線上的流入各區段零序電流幅值的最大值I0max與流入其余區段零序電流幅值的均值之比KM來判斷饋線是否發生單相接地故障，由式(1)、(2)可知KM與接地點過渡電阻R無關。
已知饋線M分為nM段，最長區段的長度為其他區段長度均值的dM倍。若接地故障點不在饋線M上，即饋線上的區段都處于健全狀態,，KM僅與此饋線各區段對地電容有關，則KM≈dM；若接地故障點在饋線M上，I0max對應故障區段，，則
由上述分析，可依據下式對饋線M是否發生單相接地故障進行判斷，若KM滿足下式，則故障發生在饋線M上，I0max對應區段為故障區段。
式中KK為可靠系數，Kk應根據IF0/max(Ioci)取值?？紤]到目前的10kV配電網大多滿足單相金屬接地故障電流大于2A，饋線的最長區段小于5km的條件；對于上述電網中的饋線，均有（電網單相金屬接地故障電流相對于饋線上最長區段電容電流的倍率等于IF0/max(Ioci)，則KK可取定值3。
對于不滿足條件的電網，可以適當放寬對系統單相金屬接地故障電流的限制，或適當縮短線路區段的長度，并結合相位判據實現饋線單相接地故障定位和隔離。
4.2流入區段零序電流相位判據
設夾角為i，對NUG系統依據式(4)，對NRG、NEG系統依據式(5)識別單相接地故障區段：
工程中可采用幅值判據與相位判據相結合的故障判斷方法，其中以相位判據為輔助判據。為了提高系統的保護精度，要適當放寬對系統單相金屬接地故障電流的限制：對于電容電流規模較小的配電網，建議改為高阻接地方式；對于電容電流規模較大的配電網，建議改為消弧線圈并電阻接地方式，保證單相金屬接地故障殘流在5～10A，這樣既能使瞬時接地故障電弧自動熄滅，又能使永久接地故障被準確定位。
5故障定位隔離過程
設某饋線M上有nM個配電開關，開關間已建立通信網絡。
（1）各開關對零序電壓、零序電流的當前采樣值按遞推DFT算法[9]計算；
（2）計算相鄰兩周波零序電壓變化量的有效值，判斷是否大于10Up，作為判斷接地故障發生的前提判據[5]；
（3）采用零序電流突變量保護，計算故障前后流過各開關的零序電流突變量，分別為各開關的零序電流計算值在該開關的零序電壓計算值方向上的投影△(I0jcosj)(記與夾角為j)和在-j方向上的投影△(I0jcosj)，依據流入各區段零序電流和流過各開關零序電流i0i的函數關系，求出流入各區段零序電流突變量△在方向上的投影△(I0icosi)(記與△夾角為i)，在-j方向上的投影△(I0icosi)，進而求出△的幅值I0i和cosi、cini。
（4）求取各區段I0i的最大值I0max和KM，以式(3)作為主要判據；若滿足，依據系統中性點接地方式，對I0max對應的i采用式(4)或式(5)作為輔助判據；若兩判據均滿足，則判斷饋線M發生單相接地故障，故障區段為I0max對應的區段，與故障區段端點相應的開關分閘閉鎖隔離故障。
6仿真分析
運用Matlab的simulink工具箱對某配電網進行了仿真，系統描述如下：
10kv系統中，ZN為中性點接地元件等效阻抗；系統所有出線均為架空線，其中一條出線M分為3個區段La=2km，Lb=3km，Lc=1km，則根據饋線M的各區段長度，得dM=2。
（1）系統1為中性點不接地方式(ZN=∞)，架空出線總長為18km。
（2）系統2為中性點高阻接地方式，ZN=RN=2000W[10]（實際上RN愈小，愈有利于故障定位），架空出線總長為81km。
（3）系統3為中性點經消弧線圈接地方式，ZN=6000 j345.4W，架空出線總長為506km。
上述3個系統中，饋線M的最長區段b為3km。中性點不接地系統1的出線總長與區段b長度的比值為6，約等于系統1單相金屬接地故障電流相對于區段b電容電流的倍率，因此KK可取為3；由于系統2、系統3的單相金屬接地故障電流大于系統1，KK亦可取為3。
對NUG系統1中饋線M的區段b發生單相接地故障，接地點過渡電阻R=5W的情況仿真，流入各區段零序電流如圖3。圖中流入故障區段b零序電流i0b與流入健全區段零序電流i0a、i0c幅值差異明顯，相位相反。
當系統1、2、3中單相接地故障發生在線路M的b區段時，對R=5W、R=2000W、單相接地故障發生在其他線路的情形分別進行仿真，所有仿真結果匯總如表1。由仿真結果可知，在接地點過渡電阻R=5W和R=2000W的情況下，KM和I0max對應的jb僅有微小變化，運用流入區段零序電流的幅值、相位特征可以準確判斷單相接地故障區段，此方法具有很強的抗接地過渡電阻能力。7結論
（1）采用具有測量、遠程通信功能的新型配電自動化開關，為新的饋線單相接地故障定位方法的應用提供了可能。
（2）流入故障區段零序電流與流入故障點的零序電流大小近似相等，流入健全區段零序電流與該區段單相對地電容電流相等；且流入故障區段零序電流具有不同于流入健全區段零序電流的相位特征。流入各區段零序電流之比、流入[1][2]下一頁