配电网线路相间故障重合前无故障识别方法探究
发表时间：2020-09-08T10:18:58.277Z 来源：《中国电业》2020年10期 作者： 臧立帅
[导读] 目前现有配电网线路相间故障采用自动重合闸技术存在重合于未消失故障导致重合不成功的风险，有必要重合前进行无故障识别来避免盲目重合
摘要：目前现有配电网线路相间故障采用自动重合闸技术存在重合于未消失故障导致重合不成功的风险，有必要重合前进行无故障识别来避免盲目重合。据此特征，提出了利用相间故障过渡电阻的辨识结果进行重合前故障状态的识别方法及判据。最后，PSCAD建模仿真计算分析表明，所提出相间故障重合前无故障识别方法的正确性和有效性，有助于提高配电网相间故障的重合成功率。关键词：配电网；相间故障；无故障识别
我国电力事业随着社会经济的进步而取得快速发展，现阶段，在我国配电网中，架空电缆混合线路的使用比例明显提升，会让重合闸成功率受到影响，进而对供电可靠性造成影响。为让自动重合闸盲目动作问题得到有效解决，需要对配电网线路相间故障重合前无故障识别方法进行研究。
一、配电网线路相间故障重合前无故障识别主要原理
在配电网较长线路中，通常会将并联电容器配置在线路侧，让无功补偿得以实现，在跳闸情况发生后，并联电容器放电持续时间和放电回路电感、电阻与并联补偿电容具有直接联系，其放电时间数量级通常为100ms，在配电网线路出现相间故障跳闸后，在短时间内可能会有可用电气信息存在，这种电气信息可以为无故障识别提供思路。
针对包含并联补偿电容器配电网线路，以简单系统为例完成分析工作，其中并联电容器可以实现无功补偿，让配电线路的电压稳定性得到有效维持，系统组件主要为电源、变压器T1，配电线路、并联电容器、保护开关、变压器T2。在BC相间故障跳闸情况出现后，等值电路为图1所示。
图1跳闸故障等值
结合图1，在线路中，并联补偿电容器各相电流为、、，线路侧并联电容器各相端电压为、和，线路各相电流为、和，在线路中，其自电阻为，自电感为，配电降压变压器的等值电感是,故障点两相电压分别是与，故障过渡电阻是，线路首段至故障点长度所占线路比为p。 在跳闸情况发生后，放电回路电感、电阻以及电容都会影响到并联电容器放电持续时间，相间故障持续过程中，利用相间回路，故障相间并联电容器会进行放电，并联电容器的线路电感、串联电感以及故障电阻、线路电阻共同影响了时间常数。瞬时故障熄弧后的放电回路结构类似于非故障结构，故障位置、回路电阻会影响到故障持续放电时间常数以及熄弧后放电时间常数。利用并联补偿电容器，可以帮助工作人员识别相间故障性质。
在线路发生故障跳闸后，故障消失状态和故障持续状态的电路结构之间差别明显，应用学者的研究思想，可以有效识别跳闸后电路特征参数，如利用故障回路过渡电阻辨识，可以判断相间故障的消失情况。结合图1，可以对B相与C相端电压、故障相电流故障点电压关系进行分析，即：
二、配电网线路相间故障重合前无故障识别判据构建
在配电网相间故障中，电弧性瞬时故障数量相对较多，而在电弧阶段当中，普遍包含具有较高非线性特征的故障回路等值电阻，在跳闸后，多数电弧可能会发生熄灭情况。在熄灭情况发生后，其性质和经大过渡电阻永久故障基本相同，在熄弧情况发生后，电弧阶段计算值和过渡电阻计算值具有明显差异，而和断线类似的实质永久故障过渡电阻类似于一稳定值。依照此特点，可以区别实质永久故障与瞬时故障，可以构造相间故障性质的有效识别判据，设整定门槛为Rset，即：
设计算结果的序列长度为m（10~20），计算电阻瞬时值为，那么在此判据中， 在配电网中，很少会有相间高阻故障出现，因此，主要对闪络电弧性故障进行考虑，其具有相对较小的等值故障电阻，所以，在本文的仿真分析过程中，整定门槛数值主要被设定在50Ω到100Ω之间。
应用此判据可以有效甄别故障状态，如果判据不能成立，那么可以判断是永久故障，即重合闸不会发生重合现象，如果判据成立，那么可以判断为相间瞬时故障，有熄弧情况出现，重合闸会进行重合。为让跳闸后的瞬时故障电弧熄灭前后电阻突变情况得到表征，可以计算过渡电阻偏差，来确认瞬时故障熄弧，判据为：
在该判据中，p为，在仿真分析过程中，pset的取值在10Ω到20Ω之间。如果有故障情况出现，断路器会跳开，应用并联补偿电容器可测量电气量计算故障的过渡电阻，对过渡电阻值特性进行计算，可以有效判别故障性质。其判别流程可以概括为：配电网线路发生相间故障→电气量采集与特征量计算→构建参数线性识别方程→辨识参数计算值序列。三、配电网线路相间故障重合前无故障识别仿真验证
在本文中，构建配电网主要应用PSCAD软件，在该配电网中主要包含架空线路L1、L6，和架空-电缆混合线路L2、L3及电缆线路L4、L5。在算例中，假设BC相在0.8s有相间接地故障出现，断路器跳闸在0.9s时出现。采样频率是2000Hz，应用40个连续采样数据，可以对故障回路等值电阻进行有效计算，之后可以对数据窗进行顺次推移。判据门槛分别为50Ω、20Ω。经过仿真分析，在BC相间瞬时故障出现在线路L6时，从故障出现到重合前，会经历故障一次电弧与二次电弧阶段。且具有持续存在一次电弧阶段故障点，故障点会得到电源为其持续提供的短路电流，在断路器出现跳闸情况后，会进入二次电弧阶段当中，并联电容器组会在跳闸时利用储能完成放电，如果故障点持续存在，那么相间电弧等值电阻和故障相BC相的故障回路过渡电阻具有类似性，数值为较小值。如果故障电弧熄灭，那么相间故障回路也会同时消失，过渡电阻计算值转化为较大值，其数值要比判据门槛更大，过渡电阻偏差p经过计算为30Ω。
如果在BC相有永久故障出现，在断路器进行跳闸后，利用并联电容器组储能可以放电，直到储能使用完毕。断路器跳闸后具有较为持续稳定的故障放电回路结构，此时并联电容器的放电时间常数可被理解为定值，在此过程中，具有优先的相间回路过渡电阻辨识数值，其数值小于判据门槛，在此过程中，过渡电阻偏差经过计算小于4Ω，也就是说，故障此时为持续状态。
针对配电网模型中L6线路不同情况故障进行计算分析，取故障置分别为0.1D/km、1D/km、6D/km、10D/km、13D/km，发现在瞬时故障、永久故障发生时，均可以对其进行有效、准确的判别。在瞬时故障中，在电弧熄灭前后，过渡电阻计算值差异相对较大；在永久故障中，不同的过渡电阻情况、故障位置过渡电阻计算值是较小有限制，类似于实际过渡电阻，过渡电阻计算偏差p是较小值，比判据门槛更小，据此可以判断其为永久故障，且具有持续存在的故障点[3]。
值得注意的是，并联电容器的电流幅值、电压值均会受到过渡电阻、故障位置的影响，如果过渡电阻大于50Ω，那么并联电容器储能会发生较快的衰减情况，在断路器出现跳闸情况后，其具有短暂的放电持续时间。如果并联电容器电流发生较为迅速的衰减情况，可能会让判据
性能受到一定影响。在过渡电阻为50Ω以上时，具有很低的较大过渡电阻相间故障出现可能性，为让重合机会得到保证，需要对判据式门槛进行有效降低，与重合时序进行有效配合，可以保证配电网不会有冲击危险情况出现。这种具有过渡电阻特点的配电网在有永久故障及瞬时故障出现时，可以对其进行有效识别，可以让配电网相间重合闸自适应能力得到有效提升。
结论：本文提出了一种利用过渡电阻特征的配电网出线瞬时故障及永久故障的识别方法，具有以下特点。（1）充分利用了配电网并联补偿电容器跳闸后储能放电的电气特征，为实现配电网相间重合前无故障检测提供了一种新思路。（2）构建了利用故障过渡电阻特征的相间故障识别方案，仿真表明所提判据有较好的适用性，适用于带并联补偿电容器的配电网出线相间故障重合前的故障状态识别，有利于提高配电网相间重合闸的自适应能力。参考文献：
[1]邵文权，南树功，张望妮．利用过渡电阻特征的超／特高压输电线路电弧性故障及熄弧时刻识别[J].高电压技术，2014，40（6）：1822-1827.
[2]张志华,乔红,邵文权.配电网线路相间故障重合前无故障识别方法研究[J].智慧电力,2018,4602:66-71.
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