>基于新型配电自动化开关的
馈线单相接地故障区段定位和隔离方法夏雨1，贾俊国2，靖晓平3，胡正民3，王章启1（1．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074；
2．国电公司农电工作部电力处，北京100031；
3．湖北省电力局，湖北武汉430077）摘要：针对配电网馈线单相接地故障定位隔离问题，提出采用具有测量和远程通信功能的新型配电自动化开关构成分布式馈线自动化系统，通过监测一条馈线上各开关处的零序电流和零序电压，计算由区段的各端点流入该区段的零序电流的相量和（即流入区段零序电流），以识别故障区段，判断此馈线故障状态，实现对故障区段的快速隔离的新原理。文中亦简要介绍了新型配电自动化开关的特性。此故障定位方法适用于各种中性点接地系统；理论上不受接地点过渡电阻的影响。matlab仿真结果证明原理分析正确，此故障定位方法具有实用价值。
关键词：馈线自动化；零序电流；故障区段定位；单相接地1引言
我国的配电网属于中性点不直接接地系统，系统发生单相接地虽不形成短路回路，但有引发严重继发事故的可能性，必须迅速地查找出故障区段。
现有的单相接地故障选线方法可以分为三大类：采用基波或谐波零序电流、零序能量的大小和方向实现故障选线[1~4]，基于负序电流故障选线方法[5]，检测注入异频信号的故障选线方法[6]。基于以上方法的保护装置大多集成于变电站综合自动化系统中，一般需采集并比较各出线开关处的电量信息，才能确定单相接地故障线。
在馈线上安装具有测量和通信功能的新型配电开关，能获取大量的线路电量信息，为新方法的采用提供了可能[7,8]。本文提出的新方法只需测量一条馈线上各开关处的零序电流和零序电压，即可实现对此馈线单相接地故障判断和区段定位。采用此方法，在单条馈线上的新型配电自动化开关间建立通信网络，构成分布式馈线自动化系统，系统可独立地实现此馈线单相接地故障区段的定位和快速隔离功能。
2新型配电自动化开关简介
新型配电自动化开关具有以下特性：
（1）出线开关具有开断短路故障电流的能力，线路分段开关具备开断正常工作电流的能力。
（2）出线开关、线路分段开关具有三相电流电压传感器（一体化电压电流传感器已在作者的配电开关试验样机中成功应用），以获取三相电流、电压信号。
（3）出线开关、线路分段开关具有以高性能单片机为核心、有远程通信接口的控制器，该控制器具有相应的硬件接口电路将三相电压、电流信号转换为零序电压、零序电流信号。
在由上述配电开关构成的馈线自动化系统中，出线开关、各线路分段开关之间的通信联系不受开关分合状态的影响。
3流入区段零序电流分析
以两条出线的小配电网系统为例，两出线均分为三个区段。设系统的e区段某处c相发生单相接地，零序等效网络如图1。图中节点1、4为出线断路器，节点2、3、5、6为线路分段开关；ZN为中性点接地元件等效阻抗（对于中性点不接地系统ZN=∞），R为接地点过渡电阻；为系统零序电压，为流过各节点的零序电流，为流过各区段单相对地电容的电流，为流入故障点的零序电流。
记由i区段的各端点（开关）流入i区段的零序电流的相量和为其为同一电流参考方向下，流过区段i的电源侧节点的零序电流与流过区段i的所有负荷侧节点的零序电流之差。如下式所示。流入各区段零序电流矢量示意如图2。由图2可知，流入非故障区段零序电流超前零序电压90º。流入故障区段零序电流的相位特征与系统的中性点接地方式有关：NUG（中性点不接地）系统中滞后零序电压90º；NRG（中性点经电阻接地）系统中流入故障区段零序电流含有功分量；在NEG（中性点经消弧线圈接地）系统中，由于消弧线圈的电阻分量，且消弧线圈一般并联电阻或串联电阻运行，流入故障区段零序电流含有一定的有功分量。
由式(1)、(2)可知，流入各区段零序电流的幅值之比与接地点过渡电阻R无关；流入各区段零序电流与零序电压的相位差与R无关。故障区段的识别可以依据流入区段零序电流的幅值和相位特征实现。
4单相接地故障定位方法
4.1流入区段零序电流幅值判据
由于流入故障区段零序电流的幅值必为故障馈线上流入各区段零序电流幅值的最大值，本方法中采用馈线上的流入各区段零序电流幅值的最大值I0max与流入其余区段零序电流幅值的均值之比KM来判断馈线是否发生单相接地故障，由式(1)、(2)可知KM与接地点过渡电阻R无关。
已知馈线M分为nM段，最长区段的长度为其他区段长度均值的dM倍。若接地故障点不在馈线M上，即馈线上的区段都处于健全状态,，KM仅与此馈线各区段对地电容有关，则KM≈dM；若接地故障点在馈线M上，I0max对应故障区段，，则
由上述分析，可依据下式对馈线M是否发生单相接地故障进行判断，若KM满足下式，则故障发生在馈线M上，I0max对应区段为故障区段。
式中KK为可靠系数，Kk应根据IF0/max(Ioci)取值。考虑到目前的10kV配电网大多满足单相金属接地故障电流大于2A，馈线的最长区段小于5km的条件；对于上述电网中的馈线，均有（电网单相金属接地故障电流相对于馈线上最长区段电容电流的倍率等于IF0/max(Ioci)，则KK可取定值3。
对于不满足条件的电网，可以适当放宽对系统单相金属接地故障电流的限制，或适当缩短线路区段的长度，并结合相位判据实现馈线单相接地故障定位和隔离。
4.2流入区段零序电流相位判据
设夹角为øi，对NUG系统依据式(4)，对NRG、NEG系统依据式(5)识别单相接地故障区段：
工程中可采用幅值判据与相位判据相结合的故障判断方法，其中以相位判据为辅助判据。为了提高系统的保护精度，要适当放宽对系统单相金属接地故障电流的限制：对于电容电流规模较小的配电网，建议改为高阻接地方式；对于电容电流规模较大的配电网，建议改为消弧线圈并电阻接地方式，保证单相金属接地故障残流在5～10A，这样既能使瞬时接地故障电弧自动熄灭，又能使永久接地故障被准确定位。
5故障定位隔离过程
设某馈线M上有nM个配电开关，开关间已建立通信网络。
（1）各开关对零序电压、零序电流的当前采样值按递推DFT算法[9]计算；
（2）计算相邻两周波零序电压变化量的有效值，判断是否大于10Up，作为判断接地故障发生的前提判据[5]；
（3）采用零序电流突变量保护，计算故障前后流过各开关的零序电流突变量，分别为各开关的零序电流计算值在该开关的零序电压计算值方向上的投影△(I0jcosøj)(记与夹角为øj)和在-j方向上的投影△(I0jcosøj)，依据流入各区段零序电流和流过各开关零序电流i0i的函数关系，求出流入各区段零序电流突变量△在方向上的投影△(I0icosøi)(记与△夹角为øi)，在-j方向上的投影△(I0icosøi)，进而求出△的幅值I0i和cosøi、cinøi。
（4）求取各区段I0i的最大值I0max和KM，以式(3)作为主要判据；若满足，依据系统中性点接地方式，对I0max对应的øi采用式(4)或式(5)作为辅助判据；若两判据均满足，则判断馈线M发生单相接地故障，故障区段为I0max对应的区段，与故障区段端点相应的开关分闸闭锁隔离故障。
6仿真分析
运用Matlab的simulink工具箱对某配电网进行了仿真，系统描述如下：
10kv系统中，ZN为中性点接地元件等效阻抗；系统所有出线均为架空线，其中一条出线M分为3个区段La=2km，Lb=3km，Lc=1km，则根据馈线M的各区段长度，得dM=2。
（1）系统1为中性点不接地方式(ZN=∞)，架空出线总长为18km。
（2）系统2为中性点高阻接地方式，ZN=RN=2000W[10]（实际上RN愈小，愈有利于故障定位），架空出线总长为81km。
（3）系统3为中性点经消弧线圈接地方式，ZN=6000 j345.4W，架空出线总长为506km。
上述3个系统中，馈线M的最长区段b为3km。中性点不接地系统1的出线总长与区段b长度的比值为6，约等于系统1单相金属接地故障电流相对于区段b电容电流的倍率，因此KK可取为3；由于系统2、系统3的单相金属接地故障电流大于系统1，KK亦可取为3。
对NUG系统1中馈线M的区段b发生单相接地故障，接地点过渡电阻R=5W的情况仿真，流入各区段零序电流如图3。图中流入故障区段b零序电流i0b与流入健全区段零序电流i0a、i0c幅值差异明显，相位相反。
当系统1、2、3中单相接地故障发生在线路M的b区段时，对R=5W、R=2000W、单相接地故障发生在其他线路的情形分别进行仿真，所有仿真结果汇总如表1。由仿真结果可知，在接地点过渡电阻R=5W和R=2000W的情况下，KM和I0max对应的jb仅有微小变化，运用流入区段零序电流的幅值、相位特征可以准确判断单相接地故障区段，此方法具有很强的抗接地过渡电阻能力。7结论
（1）采用具有测量、远程通信功能的新型配电自动化开关，为新的馈线单相接地故障定位方法的应用提供了可能。
（2）流入故障区段零序电流与流入故障点的零序电流大小近似相等，流入健全区段零序电流与该区段单相对地电容电流相等；且流入故障区段零序电流具有不同于流入健全区段零序电流的相位特征。流入各区段零序电流之比、流入[1][2]下一页