配电网离线故障定位方法研究与实现
配电网离线故障定位方法研究与实现
张 利1 ,2 , 杨以涵1 , 杨秀媛2
(1. 华北电力大学电气与电子工程学院 , 北京市 102206 ; 2. 北京信息科技大学 , 北京市 100192)
摘要 : 分析了配电网单相接地故障定位中接地过渡电阻和线路分布电容对注入信号的影响 ,由此
确定了线路的定位模型 ,并进一步分析了接地过渡电阻、线路分布电容与定位可靠性之间的函数关
系 ,得出以下结论 :定位可靠性随过渡电阻的增大而降低 ,随注入信号频率的增大而降低 ,随线路结
构的复杂而降低。进一步提出交直流综合的定位方法以及电阻—长度积的定义 ,用电阻—长度积作
为选用交流或直流方法的依据 ,并通过现场试验对交直流综合方法的有效性进行了验证。
关键词 : 配电网 ; 故障定位 ; 接地过渡电阻 ; 分布电容 ; 信号注入
中图分类号 : TM755 ; TM727. 2
收稿日期 : 2008207206 ; 修回日期 : 2008208214。
0 引言
中国 6 kV～60 kV 配电网大多采用小电流接
地系统方式运行 ,其优点是 :当系统发生非永久性单
相接地故障时 ,接地电流很小 ,接地点电弧大多能自
行熄灭 ,运行可靠性高。但由于接地电流小 ,很难选
出故障线和故障点。传统故障定位采用逐线拉路的
方法选出故障线 ,降低了非故障线路运行的可靠性 ;
选出故障线后采用人工巡线的方法确定故障具体位
置 ,浪费了大量人力和物力 ,延长了停电时间。
故障选线问题在众多学者的不断努力下已得到
基本解决[123 ] ,但故障定位一直是个难题。目前 ,定
位方法主要分为 2 种 :一种是行波法[425 ] ,该方法往
往受到过渡电阻和分支数目的影响 ;另一种是信号
注入法 ,该方法向线路中注入一定频率的信号 ,通过
对该信号的检测来判断故障位置[627] ,但易受过渡电
阻和分布电容的影响。本文分析了接地过渡电阻和
线路分布电容对注入法故障定位的影响 ,讨论了不
同情况下注入信号的有效范围 ,提出交直流综合的
离线定位方法和电阻—长度积的定义。当电阻—长
度积较小时 ,采用 60 Hz 交流信号定位 ,检测简单方
便 ;当电阻—长度积较大时 ,交流法可靠性降低 ,采
用直流法定位 ,准确可靠。交直流综合法将交流法
和直流法的优势互补 ,提升了现场应用价值。
1 信号注入时配电线路的等效模型
1. 1 线路模型的简化
外加信号一般都从线路首端注入 ,为分析注入
信号走向 ,需建立线路等效模型。文献[8 ]仅提到分
布电感对定位的影响 ,本文以一条出线为例 ,对分布
电感、分布电容和过渡电阻对定位的整体影响进行
综合分析。线路分布参数为 : R0 = 0. 262 5 Ω/ km ,
L 0 = 1. 08 m H/ km , C0 = 0. 011 μF/ km。线路总长
20 km ,在 5 km 处经 8 kΩ 和 500 Ω 过渡电阻接地 ,
首端 加 220 Hz 交 流 信 号 , 使 首 端 注 入 电 流 为
100 mA ,观察线路分布电感和分布电容对定位的影
响。通过 EM TP 仿真 ,得出线路各点的电压有效值
如表 1 所示 ,电流有效值如表 2 所示。
表 1 线路各点的电压有效值
Table 1 Voltage of different points of transmission line
故障类型 电压/ V
线路首端 故障点处 线路末端
8 kΩ电阻接地 304. 64 303. 86 303. 30
500 Ω电阻接地 49. 58 49. 46 49. 44
表 2 线路各点的电流有效值
Table 2 Current of different points of transmission line
故障类型 电流/ mA
线路首端 故障点前 故障点后 接地电流
8 kΩ电阻接地 100 79. 16 69. 42 37. 98
500 Ω电阻接地 100 99. 51 11. 32 99. 03
从表 1 和表 2 可以看出 :无论是经大电阻接地
还是经小电阻接地 ,线路首端、接地点和线路末端的
电压几乎相等 ,说明分布电感对线路各点的电压几
乎没有影响 ;故障点后线路上有很大的电流 ,说明当
接地电阻很大时 ,线路上可以产生很大的电容电流。
分布电感对注入信号并无太大影响 ,简化时可
以将其忽略 ;分布电容对注入信号产生了相当大的
分流作用 ,必须保留。据此对单线路进行如下简化 :
去掉分布电感 ,把故障点前、后的分布电容分别用集
中电容来代替 ,与接地过渡电阻构成并联电路。
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第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1. 2 过渡电阻取值范围
本文研究离线定位方案 ,此时故障线已经从电
网中切除。如果是树枝搭线 ,线路切断前后故障的
过渡电阻不变 ,不会影响到故障定位 ;若是经电杆接
地故障 ,线路切断时绝缘恢复 ,会导致接地电阻增
大 ,甚至会达到上百千欧。
在实验室中将 220 V 交流电通过自耦变压器接
到变比为 1 ∶20 的变压器上 ,变压器的高压侧可输
出 0 kV～6 kV 的电压。将高压侧一端接地 ,另一
端经导线接到电杆的横担上 ,逐渐增大电压 ,观察电
杆击穿时的电压情况以及击穿后的电压、电流情况。
实验结果显示 :不同天气、不同外加电压导致电
杆的接地电阻不同 ,变化范围在 1 kΩ 至几十千欧之
间 ;击穿电压也不确定 ,一般在 2 kV～6 kV 之间 ,
击穿后的接地电阻值一般在几百欧至几千欧之间。
2 分布电容和过渡电阻对注入信号的影响
以图 1 所示线路为例研究分布电容和过渡电阻
对注入信号的综合影响。若线路在 f 1 点发生金属
性接地故障 ,在 A 1 点注入信号 ,则注入电流由支路
A 1 2A 2 2f 1 注入大地 , 所以 A 1 2A 2 2f 1 支路上有电
流 , A 2 A 3 支路和 f 1 点之后均无电流 ,注入交流信号
的方法非常有效。若线路上发生经过渡电阻接地故
障 ,流过电阻的接地电流会在电阻上产生一定压降 ,
由于线路压降的存在 ,线路上将产生电容电流 ,此电
流会对故障点及故障分支检测造成一定影响。
图 1 线路结构
Fig. 1 Structure of transmission line
2. 1 对确定故障分支的影响
若 f 2 点发生故障 ,线路单位对地电容为 C0 ,线
路总长度为 K , A 2 A 3 支路长度为 K2 , A 2 A 4 方向线
路总长度为 K3 ,接地电阻为 R ,注入的总电流为 1。
将线路进行相关等效 , A 1 A 2 支路等效为电容
C1 , A 2 A 3 支路等效为电阻 R 和电容 C2 , A 2 A 4 侧支
路整体等效为电容 C3 ,等效后的电路见图 2。
图 2 确定故障分支时的等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit for identifying fault branch
A 2 A 3 方向的电容电流为 :
I·
A2 A3 C = jωC0 R K2
1 + jωC0 R K
A 2 A 3 方向的电阻电流为 :
I·
A2 A3 R = 1
1 + jωC0 R K
A 2 A 3 方向的总电流为 :
I·
A2 A3 = 1 + jωC0 R K2
1 + jωC0 R K
A 2 A 4 方向的电容电流为 :
I·
A2 A4 C = jωC0 R K3
1 + jωC0 R K
分支处两边的电流比 S1 为 :
S1 = 1 + jωC0 R K2
jωC0 R K3
= K2
K3
+ 1
jωCR K3
通过以上分析可以得出如下结论 :
1) 若 K2 / K3 > 1 , 即故障发生在长分支侧 , 则
S1 > 1 ,可以很容易判别出故障路径。
2) 若故障发生在短分支上 ,则 K2 / K3 < 1 ,当接
地过渡电阻较大、非故障分支较长时 , 1
jωCR K3
减小 ,
S1 的值可能小于 1 或者略大于 1 ,很难判别出故障
分支。
3) 确定分支的可靠范围与注入信号的频率成反
比 ,当注入信号频率增大时 , 1
jωCR K3
会相应减小 , S1
减小 ,增加了判断分支的困难程度。
2. 2 对确定故障点的影响
设 f 1 点发生故障 ,线路总长度为 K ,线路单位
对地电容为 C0 , 接地电阻为 R ,故障点后的线路长
度为 K2 ,故障点前的线路长度为 K1 ,注入总电流为
1。等效电路如图 3 所示 ,故障点前的线路等效为电
容 C1 ,故障点后的线路等效为电容 C2 。
图 3 确定故障点时的等效电路
Fig. 3 Equivalent circuit for identifying fault spot
电阻电流为 :
I·
R = 1
1 + jωC0 R K
总的电容电流为 :
I·
C = jωC0 R K
1 + jωC0 R K
故障点后的电容电流为 :
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·研制与开发 · 张 利 ,等 配电网离线故障定位方法研究与实现
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I·
C2 = jωC0 R K2
1 + jωC0 R K
故障点前后的电流有效值比为 :
S = 1 + jωC0 R K2
jωC0 R K2
= 1 + 1
(ωC0 R K2 ) 2
通过以上分析可以得出如下结论 :
1) 定位可靠性与所注入信号的频率成反比 ,同
等条件下 ,信号频率越小 ,定位可靠性越高。
2) 定位可靠性受接地过渡电阻大小的影响为 :
当接地电阻较小时 ,定位可靠性较高 ;当接地电阻较
大时 ,定位可靠性降低。
3) 定位可靠性与故障点后的线路长度有关。故
障点后线路长度越长 ,定位可靠性越低。
2. 3 注入交流信号定位的有效范围分析
定义电阻—长度积为接地电阻与线路长度的乘
积 ,单位为 kΩ ·km。用该量表示定位有效范围 ,若
实际的电阻—长度积小于一个阈值 ,则定位方法有
效 ,否则可能失效。
有效范围分析方法如下 : 取分支比 K2 / K3 =
1/ 4 ,当可靠系数 S 为 1. 2 和 1. 5 时 ,注入信号分别
为 60 Hz 和 220 Hz ,计算确定分支和确定故障点时
的电阻—长度积(确定分支时 ,该参数表示接地电阻
与非故障分支长度的乘积 ;确定故障点时 ,该参数表
示接地电阻与故障点后线路长度的乘积 ;鉴于故障
位置任意 ,实际应用中可取长度为线路总长度) ,结
果如表 3 所示。
表 3 不同注入信号的有效范围
Table 3 Validity of different injected signals
计算前提
电阻2长度积/ (kΩ·km)
S = 1. 2
f = 60 Hz
S = 1. 2
f = 220 Hz
S = 1. 5
f = 60 Hz
S = 1. 5
f = 220 Hz
确定分支 175 48 110 30
确定故障点 363 99 215 59
上面分析得到的仅是理论值 ,考虑装置测量误
差、磁场检测不同点时距离不可能相等等因素 ,实际
的电阻—长度积阈值要更小一些。
3 交直流综合定位方法
影响定位的主要因素是过渡电阻和分布电容 ,
为此 ,本文提出交直流综合的离线定位方法。当实
际的电阻—长度积较小时 ,采用 60 Hz 交流信号注
入法 ;当实际的电阻—长度积较大时 ,采用直流信号
注入法。
3. 1 60 Hz 交流信号注入法
从前面的分析可以看出 ,交流信号检测效果与
信号注入频率有关。当信号频率高时 ,线路对地电
容电流增大 ,增加了检测难度 ,降低了注入法的有效
作用范围 ;降低信号的注入频率可以极大地提高方
法的有效性。
本文注入的交流信号频率为 60 Hz ,相比于
220 Hz 的交流信号 ,其有效作用范围可以增加 3 倍
以上 ,较大地提高了定位的有效性。交流法在线路
下方通过磁场方式检测 ,易于操作。
3. 2 直流信号注入法
当线路较长且经电杆接地时 (此时接地电阻较
大) ,即实际的电阻—长度积较大时 ,交流信号注入
法的定位效果不太理想 ,此时采用直流信号注入法。
3. 2. 1 直流信号注入法分析
对于直流 ,配电线的电感、电容都不起作用 ,线
间电导非常小 ,也可以忽略不计 ,定位准确、可靠 ;此
外 ,采用直流信号确定故障支路不需要考虑电杆是
否被击穿的问题 ,只要能够在线路中注入 100 mA
的直流电流即可。
如图 4 所示配电线路 ,在 A 5 点发生故障 ,在线
路始端 A 1 点注入直流信号 ,则直流信号通过 A 1 ～
A 5 点 ,然后从大地返回 , 其他分支没有电流通过。
在分支处进行检测 ,若有信号则为故障分支 ,若无信
号则为非故障分支。在 A 2 , A 3 , A 4 , A 6 点检测 4 次
便可确定 A 4 A 6 支路为故障支路。如果故障支路较
长 ,还可以通过二分法继续检测 ,将故障支路的长度
限定在 1 km～2 km 以内 ,也可继续检测一直到故
障点。
图 4 直流法应用举例
Fig. 4 Application of DC method
3. 2. 2 直流法的优点
采用直流法有以下优点 : ①直流电流信号在中
途没有衰减 ,为准确测量提供了条件 ; ②不怕线路有
分支 ,因为对于直流信号 ,分支及其下游若没有接地
故障就相当于开路 ; ③不受故障点接地电阻的影响 ;
④线路的分布电容不影响定位效果。
3. 2. 3 直流法的检测
直流信号的检测是应用直流法的关键。本文所
采用的方案是检测人员通过登杆 ,将具有一定长度
绝缘杆的直流检测器挂于线路之上 ,保证了检测人
员与带电线路之间的绝缘距离。检测数据通过蓝牙
技术传送至地面 ,地面人员用配套装置接收电流数
据并显示。
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由于所加入直流信号的电压很高 ,因此登杆是
否安全是需要考虑的问题。在实验室进行实验时 ,
在某电杆上每隔 50 cm 加装 1 个铁圈 ,用来分析电
杆击穿后的带电情况 ,发现距顶端 1 m 左右位置的
电压仍然很低 ,仅为 50 V 左右 ,电压主要降落在横
担附近的间隙上。关于这一点是否正确 ,有待以后
进一步研究。
出于安全考虑 ,本文仍建议在登杆之前先验电。
交直流两用电源调至交流挡位上 ,加上交流信号 ,用
交流信号检测器判断该电杆中是否有电流。若有电
流 ,该电杆即为故障杆 ;若无电流 ,该电杆不带电 ,可
以登杆用直流信号检测。
采用直流法的缺点是检测比较麻烦 ,需要验电
和登杆测量。因而建议仅在交流信号失效的情况下
采用直流法确定分支 ,之后继续采用交流法在已确
定的区段上检测故障点。
4 现场试验
定位装置包括 1 个交直流两用电源、1 个交流
检测器和 1 个直流检测器。通过输出高压开关可以
控制输出信号为 60 Hz 交流或直流。2008 年6 月
10 日在河北定兴的固城变电所进行了交直流综合
法的试验验证。
4. 1 514 出线的相关试验
514 出线为末端带一个小分支的线路 ,总长
3 km ,线路结构如图 5 所示。
图 5 514 出线的线路结构
Fig. 5 Structure of transmission line 514
分别在距首端 1 km 和 1. 5 km 处进行了直接
接地、电阻接地及电杆接地试验 ,试验数据见表 4。
表 4 514 线路试验数据
Table 4 Experimental data of transmission line 514
故障
位置
故障
类型
注入交
流信号
电压/ V
注入交
流信号
电流/ mA
故障点
前电流/
mA
故障点
后电流/
mA
距首端
1 km
直接接地 400 100 200 18
20 kΩ电
阻接地 2 000 100 220 27
电杆接地 600 120 220 27
距首端
1. 5 km 电杆接地 1 000 100 200 18
试验表明 ,当实际的电阻—长度积小于可靠性
阈值时 ,60 Hz 交流法有效。
4. 2 517 出线的相关试验
517 出线为一具有复杂分支的线路 ,总长约为
40 km ,线路结构如图 6 所示。
图 6 517 出线的线路结构
Fig. 6 Structure of transmission line 517
分别在 f 1 点和 f 2 点设置了电杆接地 ,分别注
入 60 Hz 交流信号和 100 mA 直流信号 ,验证 2 种
方法的有效性 ,试验数据如表 5 所示。
表 5 517 线路试验数据
Table 5 Experimental data of transmission line 517
故障点 注入信号 各测量点所测电流/ mA
A 8 A 9 ( A 1 A 2) A 9 A 11 ( A 2 A 4) A 9 A 10 ( A 2 A 5) A 5 A 6 ( A 2 A 3) A 6 A 8 A 6 A 7 故障点前 故障点后
f 1
交流 500 V 150 40 130 50 30 6
直流 1 600 V 96 70 14 - 4 70 21
f 2
交流 600 V 75 30 50 390 181 330 30 10
直流 1 000 V 85 80 - 19 90 86 10 83 15
注 : A 1～A 4 点对应 f 1 点故障 , A 8～A 11点对应 f 2 点故障;第 2 点故障时 ,测量分支点 A 6 和 A 9 处没有采用相同增益 ,因而其数值为相对
值 ,只对该分支处测量有意义。
分析上述试验数据发现 :当 f 1 点故障、交流注
入 100 mA 时 ,交流电压为 500 V ,由于电容的分流
作用 ,流经电杆的电流不到 100 mA ,简单估算电杆
的接地电阻约为 10 kΩ ,非故障分支的长度大于
30 km ,实际的电阻—长度积较大 ,所以交流法定位
分支失效 ,但可以定位故障点 ;当 f 2 点故障时 ,接地
电阻大于 10 kΩ ,非故障分支的长度也很长 ,实际的
电阻—长度积较大 ,因此交流法定位分支失效 ,但可
以定位故障点 ;无论是 f 1 点还是 f 2 点故障 ,都能用
直流法准确定位。
2 条线路的定位试验验证了交直流综合方法的
可行性。
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5 结语
分布电容和接地过渡电阻对小电流接地系统单
相接地故障的定位可靠性有很大影响 ,可能在一定
程度上使得交流信号定位失效。
直流信号不受分布电容和接地过渡电阻的影
响 ,可以用直流法确定故障分支、故障支路甚至是故
障点 ,定位准确、可靠。
在实际的电阻—长度积较小的情况下 ,用 60 Hz
交流信号可以实现很好的定位效果 ,或者在已经确
定故障分支的情况下 ,交流法仍可以进行故障定点。
实际应用中 ,根据电阻—长度积决定采用哪一
种方法。电阻的获得可以通过注入一个交流电流进
行估算 ,长度则近似取所有线路长度之和。
交直流综合的定位方法综合考虑了接地电阻和
线路长度对注入信号的影响 ,为离线状态下确定配
电网单相接地故障的具体故障位置提供了一种切实
有效的方法。
参 考 文 献
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张 利 (1979 —) ,女 ,通信作者 ,博士研究生 ,讲师 ,主要
研究方向 :电力系统分析与控制。E2mail : zzrzl @163. com
杨以涵 (1927 —) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要研究方向 :
电力系统分析与控制。
杨秀媛 (1962 —) ,女 ,副教授 ,主要研究方向 :电工理论
与新技术。
Research and Implementation of Off2line Fault Location for Distribution Network
Z HA N G L i1 ,2 , YA N G Yihan1 , YA N G Xiuyuan2
(1. North China Electric Power University , Beijing 102206 , China ;
2. Beijing Information Science & Technology University , Beijing 100192 , China)
Abstract : This paper discusses the influence of grounded fault resistor and line’s distributed capacitance on the injected signal
for location of single phase grounded fault in a distribution network. It develops a model of line for location as well. Based on
the discussions , functions of location reliability with grounded fault resistor and line’s distributed capacitance are derived.
Based on the functions , following conclusions are obtained : the reliability drops with increasing of resistor value , injected
signal’s frequency and complexity of line’s structure. A location method of combining DC method with AC method is
presented. The definition on product of grounded fault resistor value with line length is made as a basis of choosing DC method
or AC method for location. The location method proposed is validated by field experiments.
Key words : distribution network ; fault location ; grounded fault resistor ; distributed capacitance ; injected signal
—47—
2009 , 33 (1)
? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
配电网离线故障定位方法研究与实现.pdf
