【正文】 具有測量和通信功能的新型配電開關(guān)，能獲取大量的線路電量信息，為新方法的采用提供了可能。 單相接地故障定位的研究現(xiàn)狀分析單相接地故障定位要解決的主要問題包括三部分:（1）當(dāng)母線上有很多出線時，首先需要進(jìn)行故障選線。（3）在故障分支或者故障區(qū)段中確定故障點(diǎn)位置。目前國內(nèi)外對故障定位的研究大多數(shù)集中在第一部分。為了不斷適應(yīng)配電自動化水平的要求，許多學(xué)者對配電網(wǎng)的故障定位作了大量研究，定位方法主要可以分為三類：（1）利用戶外故障探測器檢測的故障點(diǎn)前后故障信息的不同確定故障區(qū)段的監(jiān)測定位法。 監(jiān)測定位法監(jiān)測定位法就是在配電線路的主要節(jié)點(diǎn)加裝故障探測器，將故障信息加以匯總分析，得到故障所在區(qū)段。單相接地故障指示器是安裝在配電架空線路、開關(guān)柜出線上用于指示故障電流流通的裝置。由于零序電流與電網(wǎng)的分布電容大小及接地方式有關(guān),此方法探測精度不高。此外，在電纜線路故障定位的研究中，文獻(xiàn)[7]研制了用于配電網(wǎng)故障監(jiān)測的光電式零序電流電壓傳感器，采用零序功率相角監(jiān)測的方法定位故障分支。這些文獻(xiàn)展示了國外的一些研究方向和具體應(yīng)用。國內(nèi)的單相接地故障指示器主要是基于五次諧波電流法[9]。但由于5次諧波幅值較小，不易檢測，如何提高檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力，是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10] 提出了基于區(qū)段零序能量的相對性定位方法，該方法利用非故障區(qū)段零序能量函數(shù)大于零、故障區(qū)段的零序能量函數(shù)小于零的特點(diǎn)來確定故障區(qū)段。文獻(xiàn)[12]提出類似的方法，不過不是基于相量和，而是基于區(qū)段零序電流的有效值法。上述無論基于故障指示器，還是基于FTU的方法所用均為工頻信息，但在配電網(wǎng)中工頻電流很小，且很難精確提取工頻，在實(shí)際中難以準(zhǔn)確定位。（1）故障分析法故障分析法中，阻抗法是一種常用的一種方法。阻抗法多在國外的文章中探討，國外配電系統(tǒng)大多為中性點(diǎn)直接接地方式，故其關(guān)于配電系統(tǒng)的研究成果只能起到參考作用。故障測距的算法是基于暫態(tài)電壓（為故障后總電壓和故障前穩(wěn)態(tài)電壓的差值），并結(jié)合特殊的濾波技術(shù)，準(zhǔn)確的從被測故障信號中提取基頻相位。該方法主要是使用在線路終端測量得到的故障前電壓電流值，和故障后電壓電流值作為研究對象。其故障測距結(jié)果具有可以接受的準(zhǔn)確性。 文獻(xiàn)[17]應(yīng)用相電壓、電流相量，按照高壓輸電線路單端測距方法中零序電流修正的思路，來實(shí)現(xiàn)故障距離的求解。國外的研究主要關(guān)注問題：變化的負(fù)荷模型；過渡阻抗；相不平衡；多分支；沿線為架空線和電纜線的混合。文獻(xiàn)[19]的測距思路與文獻(xiàn)[17]一致，但針對的中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)。另本文應(yīng)用Z變換方法，將方程求解轉(zhuǎn)為時域，利用不同時刻采樣值構(gòu)造方程組，以消除過渡電阻的影響來實(shí)現(xiàn)故障測距。阻抗測距方法優(yōu)點(diǎn)是簡單經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是受限于系統(tǒng)建模，參數(shù)簡化，分量提取等環(huán)節(jié)勢必產(chǎn)生原理性誤差。文獻(xiàn)[20]假設(shè)Z為純阻性，采用了線路分布參數(shù)模型，精確考慮了分布電容對測距算法的影響。 文獻(xiàn)[21]基于對稱分量分解的原理，建立了線路分布參數(shù)模型；從單相接地的特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)正、負(fù)、零序電流分量的模值、相角均相等的邊界條件構(gòu)造測距函數(shù)計(jì)算故障距離，搜索測距函數(shù)的最小值以確定故障點(diǎn)位置。文獻(xiàn)[3]與文獻(xiàn)[21]思路一致，進(jìn)一步提出基于故障分量的單端量測距，消除了負(fù)荷電流的影響。但該文是基于線路的集中參數(shù)模型，忽略了并聯(lián)電容的影響，帶來了一定的誤差。上述方法總的缺點(diǎn)：所利用的電氣量為工頻量。（2）利用暫態(tài)量的方法基于故障暫態(tài)電流中含有大量的高頻和直流分量，以下文獻(xiàn)探討了配電網(wǎng)中，從發(fā)生接地故障的電流、電壓及相關(guān)電氣量找到富含故障信息與故障距離關(guān)系的特征。該文的方法本質(zhì)仍屬于阻抗法。文獻(xiàn)[26]利用PRONY算法對小電流接地系統(tǒng)的故障電流暫態(tài)過程進(jìn)行分析，指出對于不同的故障點(diǎn)位置，故障暫態(tài)信號中的某些分量呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化。所用電氣量為暫態(tài)的某些分量。本文指出只有某些特定頻段的分量對故障點(diǎn)位置的變化較為敏感，而對于故障點(diǎn)定位，哪個頻段分量最能反映故障點(diǎn)位置是不知的。文獻(xiàn)[28]對上文進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合模糊控制理論提出適合于電力系統(tǒng)故障暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)信號分析的小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。文獻(xiàn)[29]提出以故障饋線的非故障相暫態(tài)電流分量作為故障測距的基本依據(jù)，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，主要受故障距離的影響。并提出克服故障瞬時角影響因素的校正算法。以上所述方法的共同缺點(diǎn)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法需要大量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，而這在實(shí)際中不可能得到。行波法是利用故障產(chǎn)生的行波來計(jì)算故障距離。文獻(xiàn)[30][31]中提出的兩種方法從理論上可行，但由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在混合線路接頭處，行波在波阻抗不連續(xù)點(diǎn)的折射和反射造成線路一端測得的行波波形特別復(fù)雜，很難識別故障點(diǎn)的反射波。行波法具有不受系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行方式變化，線路不對稱及互感器變換誤差等因素的影響,在電子技術(shù)日益發(fā)展的今天,利用故障產(chǎn)生的行波信息實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障測距具有重要研究意義。 信號注入法（1）S注入法該法是利用故障時暫時閑置的電壓互感器注入交流信號電流,通過檢測故障線路中注入信號的路徑和特征來實(shí)現(xiàn)故障測距和定位。在發(fā)生接地故障后,通過三相電壓互感器的中性點(diǎn)向接地線路注入特定頻率的電流信號,注入信號會沿著故障線路經(jīng)接地點(diǎn)注入大地,用信號尋跡原理即可實(shí)現(xiàn)故障選線并可確定故障點(diǎn)。文獻(xiàn)[35] 針對此要求，在基于注入信號電流定位法的基礎(chǔ)上,提出了“直流開路,交流尋蹤”的離線故障定位新方法。優(yōu)點(diǎn)：適合于線路上只安裝2相電流互感器的系統(tǒng)。（2）加信傳遞函數(shù)法文獻(xiàn)[36]提出在故障出線處加方波診斷信號根據(jù)故障后電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,用頻域分析進(jìn)行定位的單端測距算法。文獻(xiàn)[37]詳細(xì)推導(dǎo)了三相配電線路接地故障定位的傳遞函數(shù)表達(dá)式。文獻(xiàn)[39]通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了利用傳遞函數(shù)法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障定位的可行性和有效性。文獻(xiàn)[40]在利用系統(tǒng)傳遞函數(shù)作為故障分析的基本方法的基礎(chǔ)上,提出了解決多分支配電網(wǎng)接地故障定位的特征向量法。缺點(diǎn)：理論上可行，在實(shí)用化方面存在很多困難和限制，未得到推廣應(yīng)用。將模擬電路故障診斷理論應(yīng)用于分布參數(shù)傳輸網(wǎng)故障診斷,提出利用單相接地后的故障電壓和電流的特點(diǎn)進(jìn)行測距和定位,從端口方程出發(fā),通過施加音頻正弦信號,以比較傳輸網(wǎng)可測端口故障前后測試信號的變化量為根據(jù),實(shí)現(xiàn)自動在線定位故障分支。缺點(diǎn)是需要外加聲頻信號，分支上的故障點(diǎn)位置只能歸結(jié)為分支與主支的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，確切故障距離無法確定，且采用線路兩側(cè)信息，需要數(shù)據(jù)通信，實(shí)用性不強(qiáng)。本文所做的工作如下：（1）對中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)的單相接地故障進(jìn)行暫態(tài)過程分析，尋找故障區(qū)段和非故障區(qū)段暫態(tài)電氣分量的特征差異，及存在特征差異的頻帶。并用EMTP故障仿真數(shù)據(jù)在MATLAB計(jì)算程序中檢驗(yàn)其定區(qū)段效果。（4）提出利用配電自動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單相接地的故障定位技術(shù)方案。2 小電流接地系統(tǒng)單相接地的故障特性分析2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的特性分析 引言在過去關(guān)于故障區(qū)段定位的研究中，定位方法多利用的是故障信號穩(wěn)態(tài)分量。在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)單相接地故障時，存在一個明顯的暫態(tài)過程，電氣量中含有大量豐富的高頻分量和直流分量。而消弧線圈對于暫態(tài)量中的高頻分量相當(dāng)于開路，所以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的暫態(tài)過程基本是相同的。本章的主要工作即尋找故障區(qū)段和非故障區(qū)段暫態(tài)電氣分量的特征差異，及存在特征差異的頻帶。這時的電容電流分布如圖21(a)示。發(fā)電機(jī)端的零序電流為 （23）其有效值為 （24）即發(fā)電機(jī)零序電流為其本身的電容電流，電容性無功功率的方向?yàn)槟妇€流向線路，這個特點(diǎn)與非故障線路是一樣的。此電流要從A相流回去，因此從A相流出的電流為。(a) (b)圖21 中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，單相接地時的電流分布(a) 用三相系統(tǒng)表示 (b) 零序等效網(wǎng)絡(luò)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在接地點(diǎn)要流過全系統(tǒng)的對地電容電流，如果此電流比較大，就會在接地點(diǎn)燃起電弧，引起弧光過電壓，從而使非故障相的對地電壓進(jìn)一步升高，容易使絕緣損壞，形成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，造成停電事故。上述故障線路電流特點(diǎn)對消弧線圈接地系統(tǒng)不再適用。通過對中性點(diǎn)不接地（或經(jīng)消弧線圈接地）系統(tǒng)零序電流的分析，可知：（1）當(dāng)中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，全系統(tǒng)將出現(xiàn)零序電壓。電容性無功功率的實(shí)際方向?yàn)橛赡妇€流向線路。電容性無功功率的實(shí)際方向?yàn)橛删€路流向母線；2）若為經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)，零序電流為全系統(tǒng)所有非 故障元件對地電容電流與消弧線圈電流之和。②當(dāng)采用過補(bǔ)償方式時，流經(jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，而電容性無功功率的實(shí)際方向仍為母線流向線路，和非故障線路的方向一樣；因此，在這種情況下，首先無法利用功率方向的差別來判斷，其次由于過補(bǔ)償度不大，也難利用零序電流的大小來判斷。而當(dāng)發(fā)生接地故障時，接地電容電流的暫態(tài)分量比穩(wěn)態(tài)量大很多倍，因此可以考慮利用暫態(tài)分量來實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位。對于圖21(b)所示的零序網(wǎng)，零序電壓源 的瞬時值為： （210）式中：—— 正常狀態(tài)的相電壓幅值；—— 故障時刻的A相（故障相）電壓相角。則零序電流的時變波形中存在一個先突變、后衰減的暫態(tài)過程。另外，當(dāng)一個正弦電壓輸入變壓器后，由于繞組鐵芯的鐵磁材料具有非線性的飽和特性，其輸出電壓將發(fā)生畸變。因此，零序電壓源發(fā)出的工頻零序電壓，在中性點(diǎn)連接消弧線圈的變壓器里，被畸變?yōu)橐唤M串聯(lián)的零序奇次諧波電壓源，其幅值隨諧波次數(shù)的增加而減小。其中三次諧波電流因?yàn)橄到y(tǒng)的三相對稱性，在三相星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)中均無法流通，而僅在三角形閉合回路中流通。以上分析的是故障零序電流諧波的幅值情況。具體到中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)中，就是要分析故障零序電流的諧波是容性電流還是感性電流。而電路結(jié)構(gòu)突變和鐵芯飽和產(chǎn)生諧波電壓的過程，都對電壓的相角沒有太大改變。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障的零序網(wǎng)絡(luò)中，零序電流通路上的主要元件為線路的零序?qū)Φ刈杩购拖【€圈的阻抗。對于低頻帶的線路阻抗分析，使用長線－均勻分布參數(shù)模型可保證其精確性。由圖22可得 （211）解得 （212）式中：—— 線路特性阻抗；—— 線路傳播系數(shù)；—— 單線路末端電壓、電流。如以線路長度l代入x，則可得線路始端的電壓、電流為 （213）本文分析的是線路零序輸入阻抗。將此邊界條件代入公式(213)，有 （214）則從線路始端看入的線路零序輸入阻抗為 （215）代入單位長度的零序線路參數(shù) （216）便是 （217）式中：、—— 線路單位長度的零序電阻、電感和電容；—— 線路長度。S/km)1線路28 + 2線路15 + 3線路15 + 圖23 低頻帶（0～10kHz）內(nèi)不同長度、參數(shù)線路的阻抗頻率特性可見線路零序阻抗的相頻特性（見圖23左側(cè)三個小圖）是在正負(fù)90176。以第一個交變頻帶為首的奇數(shù)次頻帶 都是阻抗角為90176。的感性頻帶。即阻抗角由90176。的過零點(diǎn)頻率對應(yīng)于阻抗值的最低點(diǎn)（此時線路發(fā)生串聯(lián)諧振），阻抗角由90176。的過零點(diǎn)頻率對應(yīng)于阻抗值的梳狀尖峰點(diǎn)（此時線路發(fā)生并聯(lián)諧振）。綜合觀察圖23，可發(fā)現(xiàn)線路參數(shù)和線路長度共同影響著阻抗值的大小，而影響阻抗角的變化周期（即容性頻帶或感性頻帶的長度）卻只有線路長度。線路阻抗的頻率特性自然也影響到線路電流諧波的性質(zhì)。（2）消弧線圈對零序諧波電流的影響消弧線圈的電感值，是針對故障穩(wěn)態(tài)下的系統(tǒng)對地容性電流作過補(bǔ)償整定的。即對基波電流分量有如下關(guān)系： （218）式中：—— 過補(bǔ)償度；—— 消弧線圈電感；—— 全系統(tǒng)對地電容和；——消弧線圈電流的基波分量；——系統(tǒng)對地容性電流的基波分量?？梢姡【€圈的感性補(bǔ)償作用在系統(tǒng)過補(bǔ)償時，能使故障線路零序電流基波分量由一個幅值較大的容性電流變?yōu)橐粋€幅值較小的感性電流。隨著諧波次數(shù)的升高，對于一定頻率以上的零序電流諧波而言，中性點(diǎn)上的消弧線圈基本上相當(dāng)于開路。需要注意的是第一個頻帶，由線路阻抗特性可知這個頻帶是容性的。而這第一個容性頻帶里的其他諧波分量（即頻帶內(nèi)的諧波），受到的消弧線圈感性補(bǔ)償都較工頻基波小，所以仍為幅值較大的容性電流。 區(qū)段的暫態(tài)零序電流特性分析 配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，配電網(wǎng)可分為輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)，如圖24所示。在區(qū)段定位研究中，只需研究配網(wǎng)中的樹狀結(jié)構(gòu)，拓?fù)鋱D可以由圖25表示。所在位置在圖25以符號標(biāo)示。圖26 五個區(qū)段的配網(wǎng)拓?fù)鋱D 區(qū)段定位中的特征頻帶概念：各健全線路零序阻抗在發(fā)生第一次串聯(lián)諧振以前（）呈現(xiàn)容性，也就是在時，健全線路零序電流為容性。在區(qū)段定位中，需要分析線路中每個檢測點(diǎn)處的暫態(tài)信號特征：（1）健全線路上：各檢測點(diǎn)檢測的零序阻抗是下游線路自身阻抗，仍然可以看作末端開路的均勻傳輸線。（2）故障線路上：1）故障點(diǎn)下游檢測點(diǎn)檢測的也是其下游線路自身阻抗，相頻特性和暫態(tài)信號特性等同于健全線路檢測點(diǎn)。