智能配电网环境下基于 FTU 的单相接地故障研究

赵婷婷

河南恒能电气科技有限公司

摘要：电力系统正在逐步向智能化发展以及电力市场开放，配网可靠性及安全性尤为重要，单相接地故障成为了提高智能配网环境可靠性的手段之一。本文通过智能配电网环境下基于FTU的单相接地故障进行了研究。

关键词：智能配电网、单相接地故障、馈线自动化

引言

伴随着能源互联网的提出以及以发展和电力市场改革的不断深化，营造出了新的智能配电网环境，智能用电作为智能电网的重要环节，快速判定并有效预防断线故障，成为了重中之重。据统计，用户停电事故中80%以上均是配电网发生故障引起，故此，对配电网运行过程中存在的故障风险进行有效预警，及时采取风向防范措施，对保障供电安全性和可靠性显得尤为重要。

1. 智能配电网概述

智能电网主要有智能输电网和智能配电网两方面的内容，其中，智能配电网具有新技术内容多、与传统电网区别大的特点，对实现智能电网建设的整体目标有着举足轻重的作用。且配电网由于直接面向客户，是保证供电质量、提高运行效率的关键环节，配电网是电网直接将电能分配给用户的部分，其供电可靠性直接影响用户的用电体验，据统计有80%的用户停电原因是配电网停电引起的，其中40%是配电故障引起的^[1]。

2. 单相接地故障概述

2.1研究单相接地故障的必要性

我国中压智能配电网以中性不直接接地方式为主，配电网线路故障主要分为相间短路故障和单相接地故障。配电线路发生单相接地故障，根据规程可允许带故障向负荷供电1-2h以提高供电可靠行性。但其造成非故障项相电压升高至线电压，长时间带故障运行可使之扩大为相间短路，影响电力系统安全。因此，研究单相接地故障区段定位技术成为提高配电网可靠性的热点之一。

2.2配电线路中常见故障

配线线路位于电力系统的末端，担负着为用户供电的重要责任，近年来，因气象灾害，导线过载和外力破坏等原因，断线故障呈多发态势，断线故障会导致负荷三相电压、电流不再对称，出现的负序、零序分量会对各类负荷特别是旋转设备造成严重损害。此外，断线故障常常伴随着接地故障形成复杂故障，易导致火灾和人畜触电危害，甚至发展为相间短路故障，扩大停电范围。常见故障有六种，包括单相断电、三相断一相、三相四线制断中性线、压断一相线、单相相线接地、导线接触不良等。

2.3单相接地故障分析

2.3.1单相接地故障点分析

在单相接地故障点中，查找这类型的故障，需从实际情况出发，结合相关历史查找经验，对发生过大量单相接地故障的相关信息进行整理归纳，通过相应统计和分析技术，总结出输电线路发生单相接地故障的主要原因是配电网遭受雷击，致使线路上电流过大，出现短路，进而引发单相接地故障，由于雷击，导致熔断器，避雷器之类的绝缘装置被击穿，难以为输电线路提供正常的保障机制，归类起来主要有短路、断线和绝缘击穿。^[2]

2.3.2中性点不接地系统的单相接地故障分析

针对中性点不接地系统的单相接地故障，可划分如下：

（1）10KV变电站出线满足，故障线路的零序电流稳态量最大；

（2）环网单元出线满足，故障线路的零序电流稳态量最大，且大于变电站出线的故障线路零序电流；

（3）环网单元出线的故障首半波波形仍满足故障线路上暂态零序电流与零序电压的首半波相位相反，非故障线路上暂态零序电流与零序电压的首半波相位相同；

（4）环网单元的故障线路与电源仅限数值相差不大，特别是在出线线路长度较短时，相差更小。

3. 单相接地故障下FTU的应用

馈线自动化借助与通信网络，实现保护终端之间的对等通信，完成故障判定的选择性和快速性，将故障识别、故障隔离、恢复供电一次性完成。

我国原有处理单相接地故障的主流方法是：通过10kv变电站的选线装置选出故障线路，或通过“试拉”的方法，确定故障线路；用巡线的方法找到故障点，但是，配电网线路错综复杂，有的是长达几十千米的架空线，有的是电缆、架空混合线，所以当线路发生单相接地故障时，由于故障点难以准确定位，往往延误了事故处理时机，造成故障的扩大，进一步发展为相间短路，或损坏电气设备。配电网安装了自动化终端后，可以借助终端的采样和主站的网络拓扑实现故障的检测与定位，有效解决单相接地故障判断和定位困难的问题。^[3]

目前，故障选线功能无论是由微机选线装置实现，还是集成在配电变电站自动化里，主要采用比较单相接地故障发生后各条馈线出口特征量的大小，属于“横向识别”。借助于馈线终端（FTU）的快速通信和协同处理，配网单相故障处理可以实现“纵向识别”，此种方式并不排除现应用于“横向识别”的一切原理，还可以实现单相接地故障定段功能。

4. 基于馈线自动化终端（FTU）的研究

4.1馈线自动化终端的应用

馈线终端单元FTU，除了具有电压——时间型馈线自动化功能外，对于单相接地故障检测同时具有通过开关投入检测零序电压是否超过整定值或小于门限值来启动单相基地保护功能，完成故障区段的隔离。

FTU出厂时将基准值设为最大，在FTU上杆第一次通电时线路一般正常，在此基准值作用下，FTU能够完成开关关合正常确认时间延时并使开关保持合闸状态，FTU认为线路正常，并将此时检测到的零序电压作为基准值，该基准值在FTU掉电后能够自动保存。

基于时限零序电压的小电流系统单相接地故障定位方法，一方面保留了以就地保护理念为主的电压型馈线自动化系统的主要优势，另一方面又增强了线路单相接地故障定位系统，目前已证实单相接地故障区段的检出、隔离功能的可行性和实用性。^[4]

4.2馈线自动化故障处理案例分析

4.2.1主站监控式馈线自动化

这种模式属于集中处理模式，这一方案在传统的配电自动化系统中使用较为适宜，主要不足在于：自动化程度低，反应速度不理想，主站软件十分复杂。

4.2.2子站监控式馈线自动化

这种模式进行了相应的分层，在子站层中包含有主站层的部分功能。在该方案中，主站的部分功能下放给子站，因此，其处理速度明显提高了。

4.2.3馈线系统保护

与上面讲述的２种方案不同，馈线系统保护中的紧急控制功能被放到了智能终端设备上，能够实现分布式控制。在这种方案中，故障判别在配电终端上实现，有效减小了子站的压力，处理速度更快；另外，由于只需要进行纵向上的比较，其封装性能较好。^[5]

5. 总结

本文通过对单相接地故障进行分析，对馈线系统的保护原理进行研究，发现自动化终端FTU与完善的通信网络相结合，采用分布式配电终端，能够实现全线速动。能够做到对故障进行一次性处理，非故障段的供电不会受到影响，从而推动智能电网的推进。

参考文献：

1. 郭亮、李升健、范瑞祥、安义、刘蓓、陈琛.配网线路开关分级保护配置研究[J].电力系统保护与控制,2018年8月，第16期，46卷.

2. 邹海鹏.中压及低压配电网单相接地故障精确定位方法的研究[J].电网规划，2019年第3期.

3. 杜东威，许永军、金红卫.一种基于DTU的配电网单相接地故障检测和定位方法 [J].浙江电力，2015年第3期.

4. 汪宏慧.基于馈线自动化的配网单相接地故障定位研究[J].中国设备工程，2017，05（下）.

5. 张秀媛.浅谈基于馈线自动化的单相接地故障处理，电气工程与自动化.