小電流接地故障選線技術探討

李科峰，張海臺，樊曉峰，劉翔宇，咸日常

（1.國網成都供電公司，四川 成都 610036；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255087；3.山東理工大學，山東 淄博 255049）

小電流接地故障選線技術探討

李科峰1，張海臺2，樊曉峰1，劉翔宇1，咸日常3

（1.國網成都供電公司，四川 成都 610036；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255087；3.山東理工大學，山東 淄博 255049）

我國中壓配電網廣泛采用小電流接地方式。該系統發生最多的是單相接地故障，故障選線方法原理眾多，實際應用中故障選線準確率不高。系統歸納和比較了小電流接地故障選線主要方法的基本原理、優缺點及適用范圍，提出了尚需解決的工程問題。故障選線后應用自適應跳閘技術能夠兼顧提高供電可靠性、減少接地過電壓危害，為今后此類工程應用提供參考。

小電流接地系統；故障選線；消弧線圈；穩態算法；暫態算法

0 引言

我國中壓配電網廣泛采用小電流接地方式，包括中性點不接地方式與中性點經消弧線圈接地方式。小電流接地方式下，配電網發生單相接地故障（又稱小電流接地故障）時，雖然三相對地電壓會發生變化，但三相之間的線電壓基本保持不變，不影響對負荷的供電；同時，單相接地故障時接地電流數值比較小，對電力設備、通信和人身可能造成的危害也較小。因此，允許系統在單相接地的情況下繼續運行一段時間，以提高供電可靠性。然而，小電流接地故障產生的過電壓容易導致非故障相絕緣擊穿，引發兩相接地短路。

在現場，大多數變電站小電流接地故障選線裝置的平均正確動作率達不到實用化的要求，往往采用人工試拉路的方法查找故障線路，導致非故障線路的短時停電。近年來，配電網發生了一些人身觸電事故，通過社交媒體廣泛傳播，引起了社會的極大關注，給供電企業帶來了極大的供電安全壓力。

因此，小電流接地系統單相接地故障選線問題亟待解決，以減少不必要的短時停電，防范導線墜地等危害人身安全的觸電事故，提高供電質量與配電網的安全運行水平。

1 小電流接地故障選線方法

小電流接地系統單相接地故障選線 （以下簡稱小電流接地故障選線），是以變電站、開閉所內專用選線設備或共用設備（如線路保護等）為基礎，利用故障產生的信息或其他設備附加的信息確定故障線路的方法。按照所利用電氣量的不同，可以將選線方法分為穩態電氣量選線方法和暫態電氣量選線方法兩大類。

1.1 穩態電氣量選線方法

利用穩態量的選線方法，必須建立在接地電弧穩定、接地電阻固定的前提下，而現場實際接地故障中包含一定比例的間歇性弧光接地故障。由于間歇性弧光接地故障不具備穩定的接地電弧，接地電阻隨時間不斷變化，對穩態量選線的可靠性產生影響。

零序電流法。在中性點不接地系統中，故障線路的工頻零序電流等于所有非故障元件 （不包括故障線路本身）的對地電容電流之和，其幅值遠大于非故障線路，方向由線路流向母線。非故障線路工頻零序電流的方向與之相反。零序電流法利用上述特征實現故障選線，主要有零序過電流法、群體幅值比較法、極性比較法、群體比幅比相法等［1-3］。對于中性點經消弧線圈接地系統，消弧線圈的補償作用使得故障線路的幅值減小，甚至可能小于非故障線路，因此不適宜采用零序電流法。

零序無功功率方向法。中性點不接地系統中，線路串聯零序阻抗遠小于對地電容的阻抗，在忽略線路阻抗的情況下，故障線路零序電流相位滯后零序電壓90°，零序無功功率從線路上流向母線；非故障線路零序電流相位超前零序電壓90°零序無功功率從母線流向線路。零序無功功率方向法利用上述特征實現故障選線［1-2］。對于間歇性弧光接地故障，故障電流嚴重畸變，計算工頻零序電流誤差較大，影響選線的準確性。與零序電流法類似，零序無功功率方向法不適用于中性點經消弧線圈接地系統。

零序有功功率方向法。在消弧線圈推廣應用的初期，為了解決零序電流方法不能適用的問題，文獻［4-5］提出利用故障電流中有功分量進行故障選線的方法。故障線路的有功功率從線路流向母線，非故障線路的有功功率從母線流向線路。通過檢測零序有功功率的方向實現故障選線。實際應用中，檢測零序有功功率方向通常采用直接計算有功功率或比較零序電流、電壓相位關系的方法。由于零序電流中有功分量比較小，故障選線的可靠性無法保證。

諧波分量法。忽略消弧線圈對諧波電流的補償作用［6］，故障線路諧波電流幅值最大、極性與非故障線路諧波電流極性相反，故障線路諧波電流由線路流向母線，而非故障線路由母線流向線路。諧波分量法利用上述諧波電流特征，構造幅值比較、極性比較、群體比幅比相或者諧波電流方向等選線方法進行故障選線。線路中諧波電壓的分布并不均勻，隨著電源和負荷諧波源的幅值、相位關系變化而變化［7］。由于故障產生的諧波電流不僅取決于系統中有無諧波源及諧波源的幅值、各諧波源間的相位關系，還取決于故障點相對于諧波源的位置，此外，故障電流中諧波分量幅值較小（一般小于10%工頻電流幅值）且不穩定，檢測靈敏度低。

中電阻法。中電阻法，當配電網發生永久接地故障時，在系統中性點和大地之間短時投入阻值適中并聯電阻，以產生附加工頻零序電流，通流時間大約為數百毫秒到數秒，采用零序有功功率方向法或利用零序電流的變化實現故障選線［8-9］。中電阻法具有簡單可靠、易于實現的優點，但需要安裝電阻投切設備；并聯電阻使接地電流增大，存在使事故擴大的風險。

消弧線圈擾動法。消弧線圈擾動法利用消弧線圈調整前后零序電流的變化信息實現故障選線。中性點經消弧線圈接地系統中，故障時通過調整消弧線圈裝置向系統附加一定幅值的工頻零序電流，同時比較各線路零序電量的變化量。理論分析表明，非接地線路的零序電流與脫諧度的關系曲線關于工頻諧振點是對稱的，而接地線路的則不對稱，因此，接地故障線路的零序電量變化量必然最大，從而被選出［9］。本質上，消弧線圈擾動法與中電阻法與的選線原理是一致的，區別主要在于中電阻法產生的附加電流比較大，某種意義上已經改變了中性點的接地方式。

信號注入法。信號注入法利用專用的信號發生設備，故障時向系統耦合特定的電流信號，注入信號沿母線和故障線路的接地相流動，經故障點和大地返回，根據信號尋跡原理即可確定故障線路［10］。信號注入法原理簡單，需要安裝信號注入設備。在接地電阻較大時，非故障線路上注入信號幅值接近甚至大于故障線路，難以保證選線可靠性；在間歇性弧光接地故障時，會使得注入信號時斷時續，影響選線的可靠性。此外，對于瞬時性接地故障，信號注入法選線裝置來不及響應。

1.2 暫態電氣量選線方法

小電流接地故障的暫態零模電流幅值大，通常達到系統穩態對地電容電流的十幾倍；在出現間歇性弧光接地時，暫態過程持續時間更長、暫態量更豐富，利用暫態量選線可靠性更高。相對于穩態量選線，暫態選線原理相對復雜，對選線裝置數據采集與處理能力要求較高。

首半波法。首半波法利用暫態零模電壓與零模電流極性關系進行故障選線。在故障第一個暫態半波內，暫態零模電壓與故障線路的零模電流極性相反，而與非故障線路的暫態零模電流極性相同。在首半波后的暫態過程中，暫態零模電壓與故障線路暫態零模電流的極性關系會出現變化［11-12］，失去了故障選線的依據。實際配電網中，接地故障暫態信號的頻率較高且在一定范圍內變化，使得首半波極性關系成立的時間非常短（約1 ms以內），而且不確定，無法保證選線可靠性。

暫態方向法。暫態方向法根據暫態零模電流的方向特征進行故障選線。故障線路的暫態零模電流由線路流向母線，而非故障線路的暫態零模電流方向由母線流向線路［11-12］。檢測暫態零模電流方向采用暫態零模電流極性法或暫態無功功率方向法。暫態零模電流極性法以暫態零模電壓的導數為參考，通過檢測暫態零模電流的極性實現故障選線：故障線路上暫態零模電流與零模電壓的導數始終反極性，非故障線路暫態零模電流與零模電壓的導數的始終同極性。暫態無功功率方向法通過計算暫態零模電壓的Hilbert變換與暫態零模電流的平均功率Q實現故障選線；如果Q＞0，則暫態無功功率流向線路，判斷為非故障線路；如果Q＜0，則暫態無功功率流向母線，判斷為故障線路。

暫態零模電流群體比較法。暫態零模電流群體比較法根據暫態零模電流的幅值和極性特征進行故障選線。故障線路的暫態零模電流幅值最大，且極性與非故障線路相反［13］。暫態零模電流群體比較法有暫態零模電流群體幅值比較法和暫態零模電流群體極性比較法兩種實現方式。暫態零模電流群體幅值比較法通過比較變電站所有線路的暫態零模電流幅值，選擇幅值最大的為故障線路；暫態零模電流群體極性比較法通過比較變電站所有線路的暫態零模電流極性，如果某一線路和其他所有線路極性相反則判別該線路為故障線路，如果所有線路極性相同則判別為母線接地故障。

庫倫-電壓法。庫倫-電壓法是德國提出的一種暫態量選線方法，通過比較暫態零模電流的積分（即電荷量）與暫態零模電壓的變化鑒別故障線路［14］。庫倫-電壓法與暫態無功功率方向法都利用了暫態零模電壓和零模電流間的容性約束關系，其本質上是相同的。

行波選線法。單相接地故障時，故障點產生電流行波向線路兩側傳播。在母線處，故障線路電流行波為沿故障線路來的電流入射行波與其在母線上反射行波的疊加，非故障線路電流行波為故障線路電流入射行波在母線處的透射波。故障線路電流行波幅值大于非故障線路，且極性與非故障線路相反［15-17］。行波選線法利用電流行波構造幅值比較、極性比較、群體比幅比相以及行波方向等選線方法。與利用暫態零模電流群體比較法相比，只是利用了故障信號的不同分量。暫態零模電流幅值可達數百安培，初始電流行波只有數十安培；暫態零模電流的持續時間在毫秒級，初始行波在微秒級。從能夠利用信號的幅值與持續時間來看，暫態零模電流群體比較選線方法所利用的信號能量均遠大于行波選線方法。

1.3 存在問題與解決方法

小電流接地選線原理多樣化，質量參差不齊。現場部分選線方法從檢測原理上對選線可靠性就沒有保證，此外，不少產品的軟硬件設計不完善或存在缺陷，不能充分發揮檢測原理的效果。由于現場實際選線成功率低、應用效果不理想，配電網運行值班人員失去了對小電流接地選線裝置的信任，更習慣于使用人工拉路方法選擇故障線路。

產品工程安裝質量方面存在缺陷。現場相當一部分裝置不能確保實際接入的零序電流信號有效，如零序電流互感器變比選擇不當、安裝位置不合理、極性反接、電纜屏蔽層接地線沒有回穿、二次回路存在短路或斷線故障等，都使信號不能準確傳遞到選線裝置中，無法保證裝置有效運行。

現場管理存在不到位的問題。現場運行人員忽視小電流接地故障選線裝置的定期檢修或巡檢，裝置運行中出現的問題不能及時發現和處理。

要提高小電流接地故障選線的準確率，首先要選擇選線技術原理可靠、工程應用得到充分驗證的選線方法，然后還需要解決裝置的設計質量、建設安裝與管理維護等問題，要做大量的設計改進與工程化工作。

2 自適應跳閘與高阻接地

2.1 自適應跳閘技術

配電網采用小電流接地方式，在發生單相接地故障時允許短時繼續運行，有利于提高供電可靠性。但單相接地運行期間，非故障相電壓升高為線電壓，長時間帶接地故障點運行可能危害配電網絕緣性能，特別是間歇性弧光接地可能在非故障相上產生超過3倍額定電壓的過電壓，或者非故障相電壓可能疊加雷擊過電壓、操作過電壓等，易導致系統絕緣薄弱點擊穿，從而引發兩相接地短路，擴大事故范圍。對于電纜線路，接地電弧長時間存在，會加重對故障點的破壞，嚴重時引發相間故障。如果能夠在小電流接地系統出現永久接地故障時，選擇出故障線路后自動跳閘切除故障線路或區段，則既可以保留瞬時性接地故障自愈的優點，又能夠避免系統長時間帶接地故障點運行帶來的危害。

國內的原配電網運行規程允許小電流接地配電網帶接地點運行2 h。歐洲國家中，奧地利與德國允許小電流接地配電網帶接地點運行，其他國家都是在檢測到發生接地故障且經過一段時間不能自行熄弧后直接跳開故障線路［8］。日本也采用直接跳開故障線路的做法。

目前，國家電網公司和南方電網公司都有推行選線后自動跳閘切除小電流接地故障的做法，主要是考慮到目前小電流接地故障檢測技術本身日趨成熟，已經擁有了自動隔離故障區段的技術手段，而且目前配電網廣泛采用環式結構，能夠通過負荷轉供將停電區域控制在盡可能小的范圍內。

采用小電流接地故障自適應跳閘技術，能夠兼顧提高供電可靠性、減少接地過電壓危害的要求。所謂自適用跳閘是指根據選線結果、故障條件與負荷情況決定是否直接跳開發生接地故障的線路。在選線結果可靠、間歇性弧光接地故障且過電壓幅度很高、負荷不是特別重要的情況下，盡快跳閘，避免引發相間短路故障；而當發生穩定的接地故障、過電壓幅度較低時不必跳閘，以保持供電的持續性。自適應跳閘能夠發揮小電流接地配電網可帶接地故障運行的優點，同時又可避免過電壓造成事故擴大，能夠兼顧供電可靠性和配電網運行的安全性。

2.2 高阻接地故障選線技術

由于受到配電網電壓等級低、絕緣擊穿不徹底等因素的影響，小電流接地配電網發生高阻接地的概率較大，且接地電阻值遠大于輸電網的接地故障電阻。高阻故障對配電網對負荷正常供電的影響并不大，但是高阻故障中相當一部分是導線墜地故障，極易引發人體或牲畜接觸導線造成觸電事故。因此，應及時地檢出存在高阻接地故障的線路并將其停運。

為減少配電網觸電事故，美國電氣電子工程師協會（IEEE）電力工程委員會（PES）就成立了工作組，調研配電網高阻故障檢測與墜地導線檢測問題。研究結果表明，小電流接地配電網發生高阻接地時，故障產生的工頻電流和諧波電流等大幅降低；注入、附加電流隨過渡電阻增大而減小，同時非故障線路分布電容將分流更多的故障線路附加電流；故障暫態過程不明顯，暫態電壓電流信號幅值小。因此，對于高阻接地故障，難以通過簡單改進現有的小電流接地選線方法或提高選線裝置的檢測靈敏度解決問題，需要采取特殊的檢測方法與技術措施。目前，國際上先后開發出了基于零序電流、模式識別、諧波電流等原理的商業化產品，但這些產品的實際應用效果并不十分理想。IEEE PES發表專題報告指出，現有的技術還不能完全解決高阻接地（導線墜地）故障的檢測問題，為保障公共安全，需進一步研發配電網高阻故障保護新技術。考慮到高阻接地故障的電流微小、存在嚴重的非線性現象以及成本約束等方面的因素，在研究開發高阻接地故障檢測技術時不能要求其具有100%準確率。

3 結語

本文系統梳理了小電流接地故障選線方法的技術優缺點及適用范圍。利用穩態量的選線方法在間歇性弧光接地故障時選線可靠性得不到保證，零序電流法、零序無功功率方向法等不能適用于中性點經消弧線圈接地系統；利用暫態量的選線方法不受消弧線圈補償的影響，在發生間歇性弧光接地故障時可靠性更高。要充分發揮選線技術本身的工程應用效果，除了選線方法本身技術原理可靠、成熟外，還需要在選線裝置設計質量、工程安裝與管理維護方面進行改進。

小電流接地系統發生永久接地故障時及時跳開故障線路，可以兼顧供電可靠性和配電網安全性的要求。小電流高阻接地故障電流微弱，而且非線性現象嚴重，目前還缺少成熟的檢測技術，是下一步研究的重點。

［1］徐丙垠，薛永端，李天友，等.小電流接地故障選線技術綜述［J］.電力設備，2005，6（4）：1-7．

［2］郭清滔，吳田.小電流接地系統故障選線方法綜述［J］.電力系統保護與控制，2010，38（2）：146-152．

［3］要煥年，曹梅月．電力系統諧振接地（第二版）［M］．北京：中國電力出版社，2009．

［4］何奔騰，胡為進.能量法小電流接地選線原理［J］.浙江大學學報（自然科學版），1998，32（4）：451-457．

［5］楊漢生，趙斌，姚晴林，等.基于零序功率的小電流選線方法［J］.繼電器，2002，30（11）：30-32．

［6］薛永端，高旭，蘇永智，李長安，等.小電流接地故障諧波分析及其對諧波選線的影響［J］.電力系統自動化，2011，35（6）：60-64.

［7］CHIHLARD O，CLEMENT M，PERRAULT L，et al．New Neutral Grounding System at EDF［C］∥1st China International Conference on Electricity Distribution．Shanghai，17-20 Oct.，2000．

［8］MATTI Leheton.Working Group Report.15th International Conference on Electricity Distribution［R］.Turin，1-4 June，Nice，1999.

［9］陸國慶，張瑞紅，劉味果，等.小擾動法與并聯電阻法選線方式的比較分析［J］.電力設備，2007，8（8）：24-27.

［10］曾祥君，尹項根，于永源，等.基于注入變頻信號法的經消弧線圈接地系統控制與保護新方法［J］.中國電機工程學報，2000，20（1）：29-32，36.

［11］薛永端.基于暫態特征信息的配電網單相接地故障檢測的研究［D］.西安：西安交通大學，2003.

［12］薛永端，徐丙垠，馮祖仁，等．小電流接地故障暫態方向保護原理研究［J］．中國電機工程學報，2003，23（7）：51-56.

［13］薛永端，陳羽，徐丙垠，等.利用暫態特征的新型小電流接地故障監測系統［J］.電力系統自動化，2004，28（24）：83-87.

［14］DRUML G，KLEIN R W，SEIFERT O.New adaptive algorithm for detecting low-and high ohmic faults in meshed networks［J］.2009（CP 550）：1-5.

［15］金鐵，宋勵鑫，陳利軍.小電流接地故障暫態選線與行波選線的技術分析［J］.西南民族大學學報（自然科學版），2010，36（4）：664-669.

［16］董新洲，畢見廣.配電線路暫態行波的分析和接地選線研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（4）：1-6.

［17］戴宇.暫態行波在小電流接地故障選線中的應用［J］.南方電網技術，2011，5（1）：95-98.

Methods of Fault Line Detection for Low Current Grounding System

LI Kefeng1，ZHANG Haitai2，FAN Xiaofeng1，LIU Xiangyu1，XIAN Richang3
（1.State Grid Chengdu Power Supply Company，Chengdu 610036，China；2.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，China；3.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

Low current grounding system is widely used in medium-voltage distribution network in China.In this system，the most common fault is the single-phase-to-earth fault.There are many fault line detection methods but the accuracy of these fault detection is not satisfactory.In this paper，the principles，advantages，disadvantages and the application range are analyzed and compared for different fault line detection methods，and the unsolved engineering problems are put forward.The application of adaptive tripping technology is a good solution to this problem.This can not only improve the reliability of power supply but also reduce the grounding overvoltage，which provides references for the future engineering applications.

low current grounding system；fault line selection；arc suppressing coils；steady state algorithm；transient state algorithm

TM77

B

1007－9904（2017）12－0041－04

2017-06-12

李科峰（1967），男，高級工程師，從事電氣設備安全運行管理工作；

張海臺（1972），男，工程師，從事配電網繼電保護與配電自動化工作；

樊曉峰（1963），男，工程師，從事配電運行及管理工作；

劉翔宇（1981），男，高級工程師，從事配電運行及管理工作；

咸日常（1965），男，教授，研究方向為供用電技術、電力變壓器運行與故障分析診斷。