小電流接地系統單相接地故障選線方法綜述

姜 健 鮑光海

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

智能配電網作為智能電網的核心部分之一，其中故障選線技術作為保證配電網安全可靠穩定運行的基礎性工作，具有重要現實意義[1]。

我國6～66kV 中壓配電網的中性點一般采用小電流接地系統，具體包括：中性點不接地系統（neutral ungrounded system，NUS），中性點經消弧線圈接地，即諧振接地系統（neutral resonant- grounded system，NES）和中性點經高阻接地系統（neutral resistor-grounded system，NRS）。當配電網某一相發生接地故障時，不構成短路回路，且接地點的故障電流小，故這類系統稱為小電流接地電系統[2]。這類接地方式特點有：①故障穩態信號微弱。小電流接地系統發生單相接地故障時產生的是系統對地電容電流，數值小。經消弧線圈補償后（過補償、欠補償、完全補償），數值更??；②單相接地情況復雜，受電弧影響大。單相接地故障可分為：直接接地、經高阻接地、電弧接地以及雷擊放電接地。單相接地往往伴隨著電弧現象，而電弧又是典型的暫態過程；③故障暫態特征復雜，隨機性強。故障電壓和電流在暫態過程中有著豐富的特征量，并且不受消弧線圈的補償的影響。但是暫態信號特性復雜，在不同的故障發生條件下，暫態量信號又有所差異。

由于上述技術難題，中性點諧振接地接地系統，基于故障穩態量的選線方法存在不可避免的缺陷。因而對于諧振接地系統基于故障暫態量的選線方法成為了許多相關學者的研究重點。本文闡述了小電流接地系統故障信號的特點，總結目前廣泛采用的選線方法，介紹了相應的原理，并分析其優缺點。

1 小電流接地系統故障信號分析

1.1 穩態特征信號分析

在中性點不接低地的配電網中發生單相接地故障時，接地點流過的是全系統的對地電容電流。為抵消系統的電容電流，可在中性點接入一個消弧線圈產生感性電流，補償容性電流從而減少經接地點的故障電流。這種諧振接地系統中的消弧線圈改變了故障電流的大小方向，使傳統基于穩態量的選線方法失效。

由圖1可看出，故障點電流為

式中，Il為消弧線圈補償電流； Σic為非故障點對地電容電流之和。

圖1 單相接地故障示意圖

1.2 暫態特征信號分析

根據現有研究，通過對單相接地故障時零序等效網絡列寫方程，可計算單相接地故障電流[3]。健全線路和故障線路首端測得零序電流分別為

式中，i1為健全線路首端零序電流，i2為故障線路首端零序電流。

從公式可以得以下結論：

1）影響單相接地電流的暫態特性主要有故障時供電線路相電壓初相位、接地點過渡阻抗以及線路參數，并且這些條件的影響是耦合的。

2）單相接地故障暫態零序電流振蕩頻率和衰減特性由接地點過渡電阻決定。

3）接地零序電流由容性分量和感性分量組成，故障初相角決定二者比例和振蕩特性。

4）接地電阻的大小影響接地零序電流的暫態過程。

5）配電網的線路長度和線路結構會對暫態特性產生影響。

2 小電流接地系統選線方法

長期以來，國內外學者對小電流接地系統單相接地故障提出了多種不同原理的選線方法。這些方法按照其利用信號的不同可分為兩類：①以“S 注入法”為代表的注入信號的選線方法；②以單相接地故障時產生的電氣量為依據的選線方法，其又可劃分為基于故障穩態分量信號選線方法或暫態分量信號選線方法。因中性點接消弧線圈的應用與發展，目前基于暫態分量的算法成為研究熱點。

2.1 基于外加注入信號的選線方法

“S 注入法”作為外加注入信號選線方法的代表[4]。其原理沒有利用小電流接地系統單相接地故障的電氣量，而是通過接地相PT 向系統注入個信號電流，該信號感應到一次側，通過接地點構成回路，利用尋跡原理跟蹤該信號實現選線。

圖2 信號注入原理示意圖

但該方法在接地電阻較大時，往往不能正確選線。原因在于注入信號不僅在接地點構成回路，還經系統對地電容，消弧線圈構成回路。當過渡電阻較大時，流經接地回路的信號電流不一定是最大值，導致無法選線。

文獻[5]在原有“S 注入法”的基礎上提出了改進意見：降低注入信號頻率，應用信號電流的相位信息，使用雙頻信號。但是配電網是一個不斷擴容，擴支路的系統。其系統的參數隨著配電網的規模發展而改變，系統對地電容的改變將影響著注入信號電流的流向。仿真也證明，降低注入信號頻率能減少對較大過渡電阻的誤判，但消弧線圈分流增加，使流經接地回路信號電流絕對值過小難以檢測。

“S 注入法”的提出者在文獻[6]又提出從接地變壓器一次側中性點向故障系統注入較大的半波直流為依據的選線方法。對金屬性接地，選線定位不受消弧線圈影響。但經過渡電阻接地時，消弧線圈，分布電容都會有直流通路，減小了流經接地點的直流電流，選線靈敏度受影響。其可靠性需進一步驗證。

另一方法為脈沖信號注入法[7]，其用周期性的脈沖信號作為注入信號。本質是降低注入信號的頻率，仍無法克服大過渡電阻引起誤判的缺點。

2.2 基于故障穩態分量信號的選線方法

1）零序電流幅值比較法

該方法簡稱幅值法[8]。對于中性點不接地系統發生單相接地故障后其非故障線路流過的零序電流為本身對地電容電流，故障線路流過的零序電流數值等于全系統非故障線路的對地電容之和。幅值法利用故障線路流過零序電流比非故障線路大的特點進行選線。幅值法的缺陷在于不適用諧振接地系統，消弧線圈的補償作用改變了故障相流過的零序電流的大小。

2）零序電流相位法

相位法利用故障線路零序電流由線路流向母線而非故障線路由母線流向線路的特點，根據方向進行選線。在此基礎上又出現了群體比相法，先用幅值法選出幅值最大的幾條線路，在此基礎上進行相位比較。但仍然不適用于諧振接地系統，消弧線圈在過補償運行下改變了故障線路的零序電流流向。

3）零序電流有功分量法

零序電流有功分量法[9]是根據流過故障線路端的零序電流含有中性點電阻或消弧線圈產生的有功電流以及非故障線路對地零序電流之和兩部分。由于有功電流只流過故障線路，利用這一特點可實現選線。

實際運行的問題在于：當線路中性點電阻和消弧線圈阻值較小時，零序有功分量小，對裝置檢測精度要求高。

4）諧波法

消弧線圈的補償作用是針對基波頻率設定的，對于高次諧波補償很小。配電網5 次諧波分量含量最大，因此不少學者提出利用5 次諧波幅值相位選線。但諧波含量較基波分量小，對其提取檢測造成很大困難，且選線易受負荷中諧波源影響。文獻[10]針對這一問題提出基于5 次諧波突變量的選線方法。其原理是對于故障線路，正常相與故障相的5次諧波電流突變量大小不等，方向相反；故障線路與非故障線路的故障相相比5 次諧波電流突變量大小不等，方向相反。但是仍無法解決系統中5 次諧波含量不高的選線精度問題。

5）零序導納法

零序導納法[11-12]的原理是電網正常運行時，饋線的零序導納中電導與電納均為正直，處于直角坐標系中的第一象限。發生單相接地故障時，故障線路零序測量導納隨著消弧線圈的補償度不同處于直角坐標系的二、三象限，如圖3所示。

圖3 零序導納分布圖

該方法的缺陷在于在諧振補償情況下（即v=0），此時故障線路測得的零序導納很接近第一象限，易引起誤判[13]。對于間接瞬時性接地故障幾乎失效。

2.3 基于故障暫態分量信號的選線方法

1）首半波法

首半波法原理是基于大多數單相接地故障是發生在相電壓過峰值時刻的。選線依據是在故障首個半波周期內，故障線路零序電流大于非故障線路且零序電流、電壓與非故障線路極性相反。

識別首半波極性的方法因首半波暫態電流分量很小極易受干擾和諧波影響[14]。實際故障不可能總發生在相電壓過峰值時刻，該方法存在局限。

2）零序能量法

零序能量法[15-16]是利用發生單相接地故障時，故障線路零序電路中存在零序電源提供能量，非故障線路為無源元件，吸收能量。因此，依據故障線路能量絕對值最大，極性與非故障線路相反進行選線。

零序能量法本質是有功功率檢測法，而阻性分量在暫態信號中比例小，特別是金屬性接地時，易誤選。

3）暫態電流特征頻帶法

該方法選取某個頻帶范圍（Selected Frequency Band，SFB），分析故障暫態電流相頻特性：故障線路零序電流的幅值與健全電路差距大，極性相反，據此選出故障線路[17-18]。該方法需在固定頻率范圍內濾波，可靠性不佳[19]，對相電壓過零附近時發生的單相接地故障時無法識別。

4）時頻分析法

時頻分析法原理是把故障暫態信號分解至多個頻帶，提取特征量獲取，進而判斷故障線路。目前主流的時頻變換法有小波變換法[20-21]，S 變換法[22]，HHT 變換法[23-24]，能對故障暫態高頻電流信號進行有效的分解。

小波變換具有時頻聚焦特性，選用合適的小波基是處理突變信號的前提。提取能量集中頻帶[25]對故障線路上的暫態零序電流進行小波變換后，其暫態零序電流幅值高于健全線路且極性相反，這樣即可進行選線。但合適的小波基和小波分解尺度較難選取，對選線結果影響大。S 變換是小波變換的改進，用于提取主導特征頻率的短窗能量大小，但其根本小波的缺陷無法克服。HHT 變換是將復雜的信號自適應的分解成多個單分量信號，其過程或多或少都存在端點效應，其方法有待進一步的改進。

5）波形圖像相似度求解法

文獻[26-27]提出利用諧振接地系統發生單相接地故障時，其故障線路與非故障線路暫態零序電流相似度要小于非故障線路之間的暫態零序電流波形的特點進行選線。如圖4所示，其中線路3 為發生單相接地故障線路。

圖4 零序電流波形圖

文獻[26]把暫態零序電流用小波包進行分解重構并等時間劃分各頻帶系數，從而得到頻譜矩陣再用圖像綜合相似系數進行選線。文獻[27]用不變矩提取暫態零序電流特征量，再用聚類分析算法選出具有不同特征量的故障線路從而避免了人為設定閥值。該方法是否具有通用性有待進一步驗證。

3 未來的發展方向

通過以上分析可以發現，諧振接地系統是目前選線的難點且單一的選線方法無法應用于所有的接地故障，而基于穩態特征量的選線方法由于消弧線圈的補償影響幾乎失效。

當前，基于故障暫態信號與數學算法相結合是一研究熱點，近年不斷有新的選線算法被提出[28-31]。然而就是過分地依賴數學分析工具以及過分的依賴于仿真驗證，缺乏了對單相接地故障發生的機理進行系統的分析和研究和現場環境實際應用。由于單相接地故障邊界條件復雜，隨機性強，受電弧影響大，如何有效的提取故障信息是實現選線的前提?；A性研究工作的缺失，尤其是故障暫態信號特性的研究和利用方式的缺失，導致對故障量的理解和運用出現片面性，是目前選線技術可靠性不高的根本原因。

選線方法的融合也是未來的發展方向[32-34]。文獻[35]利用多孔算法小波包良好變換特性，提出了多頻帶分量重構的選線新方法，極大限度的提取了有效的故障零序電流分量信息。文獻[36]把集成量子神經網絡和證據融合理論應用于小電流接地選線中，解決單一判據選線率低的問題。

4 結論

本文介紹了小電流接地系統常用的選線方法的原理，并結合最新文獻，闡述了目前與數學算法結合的選線方法。本文認為未來可從以下方面加強研究：①仿真時需考慮電弧影響以及故障的隨機性，通過實際運行檢測算法的可靠性；②提高小電流接地故障信號的檢測精度，實現可靠的提取微弱的故障信號。零序電流因過渡電阻的大小可能從毫安級到幾百安級，這導致了對裝置的檢測精度以及檢測范圍要求高；③豐富現場運行數據，根據現有選線方法研發裝置，進行現場或者實驗驗證而不是單一的仿真驗證算法的可靠性。

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