小電流接地系統接地故障選線方法

張馥荔，張紅旗

（內蒙古農業大學，內蒙古自治區 呼和浩特 010000）

0 引言

在我國6～66 kV中低壓配電網中廣泛采用小電流接地系統，但是在各種故障中此系統發生單相接地故障的概率最高，約占各種故障類型的80%左右。在線路發生單相接地故障時，小電流接地系統的線電壓仍然能保持其對稱性，對用戶的供電沒有影響，按照電力規程，可以不必立即跳閘繼續帶故障運行1～2 h[1]。但長時間運行，線路的電容電流在不斷地增大，極易造成多相短路，引起各種危害系統安全運行的問題。因此，發生故障時，檢測人員必須馬上排查線路，找出故障線路并切除故障。配電網發生接地故障時，故障電流很小，且夾雜在比它大很多的負載電流及各種復雜的干擾中[2-3]，使得系統中故障電氣量的特征不明顯，再加上系統運行方式的多變，使得選線的問題變得更為復雜化。長期以來各位學者對選線問題進行了大量的研究，并提出了各種解決方法，但由于我國的配電網不斷地改進與發展，在現場實際的運行效果上，現有的選線方法并不能完全解決各種問題。基于這個原因，應繼續針對故障選線方法進行大量深入的研究，找到更有效的解決辦法，提高電網運行的安全性與可靠性［4］。本文分析了小電流接地系統接地故障信號的特征，并總結現在廣泛使用的選線方法的原理與優缺點。

1 單相接地故障信號特征的分析

1．1 穩態特征信號分析

中性點不直接接地系統發生接地故障時，全系統伴隨零序電壓的產生會有零序電流產生，所有非故障線路上元件的對地電容電流之和在數值上等于故障線路的零序電流，故障相電流方向從線路流向母線，與非故障線路相反［5-6］。為了減少故障點處的故障電流，在中性點處接入了消弧線圈，相當于疊加了一個與故障電流相反的感性電流，在實際運行中，由于消弧線圈過補償的作用，所疊加的感性電流在數值上大于故障電流，使得故障電流方向發生改變與非故障線路相同，由此，使得基于穩態量的選線方法失敗［7］。由圖1可以看出故障電流為

其中iL為消弧線圈補償電流；∑iC為L1—Lk對地電容電流之和。

圖1 中性點經消弧線圈接地系統簡化圖

1．2 暫態特征信號分析

配電網發生接地故障時，所產生的故障電流包含的暫態成分比穩態成分多。可以被利用的有效的信息較多，全網絡的暫態電容電流相當于2個電容電流之和：放電電流，此電流方向由母線流向故障點處，是由于故障線路的電壓突然降低而產生；充電電流，該電流通過電源形成回路，是由于非故障線路的電壓突然升高而產生[5]。一般在相電壓接近最大值時刻較多地發生接地故障，此時電容電流遠遠大于電感電流，消弧線圈補償作用可以忽略不計，所以可以認為中性點不接地系統和經消弧線圈接地系統發生故障時的暫態特征是相似的，因此利用故障時的暫態特征作為選線的基本依據的重要意義顯而易見。

2 小電流接地系統故障選線方法

2．1 基于穩態分量的選線方法

2．1．1 零序電流比幅法

零序電流比幅法所需的特征量是零序電流，是根據系統故障的穩態特征來進行選線，比較母線處各出線零序電流幅值大小，其中幅值最大的線路即為故障線路，此方法比較簡單容易實行。但是，當幅值差距不大或者母線故障時，會造成選線失敗，此外還有各種復雜因素的影響，如不平衡的CT，系統運行方式等問題［8］。由于電容電流在中性點經消弧線圈接地系統中被補償，使得該方法不適用于此系統，但可用于小電流不接地系統，適用范圍較小。

2．1．2 零序電流相位法

配電網發生接地故障時，該方法利用故障穩態特征選出與各條出線零序電流方向不同的線路作為故障線路。當線路很短且零序電很小時容易產生“時針效應”，在零序電流方向的判斷上出現錯誤。同時，系統運行方式、電流不平衡以及過渡電阻也會對故障線路產生一定程度的干擾。同樣，由于消弧線圈的補償作用可以改變故障線路電流的方向，同零序電流比幅法一樣，此方法也不適用諧振接地系統，只能用于不接地系統。

2．1．3 群體比幅比相法

該方法是前兩個方法的結合。首先比較各條線路的零序電流幅值大小，選出3條以上幅值相對較大的線路，然后再比較它們的相位，方向與其他線路相反的即為故障線路，若所有方向線路都相同則為母線故障［9］。但此方法易受過渡電阻的大小以及CT不平衡等因素的影響，且死區和盲點的存在會對相位的判斷產生影響。除此以外，由于是前兩種方法的結合，同樣只能適用于不接地系統。

2．1．4 有功分量法

電網中各條線路存在對地電導，消弧線圈串／并聯的電阻在發生故障時，會產生一定有功電流且不能被消弧線圈補償。以零序電壓作為參考量，將有功分量取出，然后利用故障線路零序電流有功分量比非故障線路大且方向相反來選線[5]。此方法雖然不受消弧線圈的限制，但接地電流中有功分量的成分較少，降低了檢測的靈敏度，且受接地電阻和電流互感器不平衡的影響。

2．1．5 五次諧波法

配電網發生接地故障時，諧波成分是產生的故障電流中主要的一部分，且主要是5次諧波，并且消弧線圈對5次諧波的影響僅僅是工頻的1/25，幾乎可以忽略消弧線圈對5次諧波的補償，因此可直接利用故障線路5次諧波分量的幅值較非故障線路大且方向不同來選線[10]。但現場的實際運行效果并不完美，因為接地電阻較大時，諧波分量較小，不容易檢測，還受電弧不平衡影響。

2．1．6 零序導納法

在發生接地故障時，就像是在電網中增加了一個不對稱電源，由于此電源的影響會引起線路導納系數的改變，該方法就是根據此特點比較每條線路在故障后零序導納的大小與相位的來選線。故障線路的零序導納散布在第二和第三象限，非故障線路的零序導納散布在第一象限[11]。該方法的靈敏度較高，有較高的準確率，但需要能自動協調的消弧線圈一起使用，且在間歇性瞬時故障時幾乎失效，大大降低了適用范圍以及選線的準確性。

2．1．7 S 注入法

在發生接地故障時，通過閑置的PT向系統注入一個不同于系統頻率的特殊電流信號，它會通過故障線路流經接地點最后流入大地，可以用信號探測器檢測各條出線尋找該特殊信號的蹤跡，選出故障線路[12]。該方法的原理是：在系統發生接地故障后，只有接地相可以通過大地形成回路，所以注入的信號可以在故障時形成通路。該方法不受電網參數的影響，不受消弧線圈的影響，提高了各種因素影響下的選線準確率。但是注入的電流信號受裝設的PT容量的限制不能太高；除此之外，在接地電阻較大時，注入的信號會被線路上的電容分流，這就降低了檢測的靈敏度；并且注入的電流信號會受到電弧現象的影響，使得信號不再連續出現斷斷續續的現象，影響對電流信號的檢測。

2．2 基于暫態分量的選線方法

2．2．1 首半波法

此方法最重要的一點就是假設故障發生的時刻是相電壓接近峰值的瞬間，此時，暫態電容電流遠遠大于暫態電感電流。該方法的選線原理是在發生單相接地故障后的首個半周期內，故障線路的零序暫態電流和電壓的極性與非故障線路相反[3,8]。但是如果故障發生在相電壓經過零的時刻，暫態電流的信號非常薄弱，特征信號不明顯，不易檢測。顯而易見，該方法有一定的局限性，并且過渡電阻和諧波會造成一定的干擾，降低故障選線的準確性。

2．2．2 小波分析法

小波分析理論可以在一定的頻帶內將暫態信號分解，尤其是對奇異信號和變化不明顯的信號應用較好，信號突變部分和信號的奇異點處包含有能清晰反映原始信號中重要信息的成分[13]。而在小電流系統發生接地故障時，暫態信號的奇異處隱藏有較多有價值的故障信息，能清晰地反映故障的暫態特征，所以可以利用小波分析法來分析和提取故障信息。故障發生時電流會突然改變，小波分析法就是利用這一特點來進行選線，首先利用小波奇異性檢測的方法對各條線路的暫態零序電流使用小波變換，然后對各條線路的零序電流經過小波變換后的模極大值的峰值和相位進行分析和對比，模極大值最大且相位與其他線路相反的線路即為故障線路。

對信號進行小波變換時，也涉及到一些細節選擇：小波基函數的選取對小波變換的結果非常關鍵，要選擇緊支集正交性的小波；對故障信號進行小波分解后，選擇小波變換細節部分中絕對值幅值最大的點所在的尺度作為分解尺度；信號的采樣頻率也有相應的要求，應該大于等于信號中最高頻率的2倍[14]；還要進行細節分量的重構以及邊界的處理。

本文認為小波分析在信號處理方面是一種比較理想的數學工具，所以應將小波分析法應用于現場的實際運行中，并結合實際繼續深入研究，使得小波分析法能適用于各種類型的單相接地故障的選線。

2．2．3 暫態能量法

暫態能量法首先需要得到能量函數（用零序電壓乘以零序電流，然后再對時間進行積分），即對故障發生后各條線路暫態零模功率進行積分。故障線路和非故障線路能量函數的正負不同，且非故障線路能量函數的總和等于故障線路能量函數的絕對值[15]，根據這一特點來選擇故障線路。但是，有功分量在暫態電流中所占成分小，使得暫態信號在暫態能量法的使用中不能完全被利用，大大減小了檢測的靈敏度，除此之外，計算積分函數時容易將固定誤差引入其中，所以實際中的應用效果還有待檢驗。

2．3 綜合法

2．3．1 模糊控制綜合選線法

模糊控制是利用精確的模糊數學工具對模糊概念里存在的數量規律進行處理。該方法首先選出幾種不同的在理論上有較好效果的選線方法，然后根據模糊理論建立每個選線方法判據的隸屬度函數，然后對選線結果給出實時動態的加權評價，最后對得到的選線結果進行結合得到一個綜合性的選線結果。該方法克服了單一選線判據的不足，且該綜合性的判據可以適應各種復雜情況下的接地故障，系統中性點接地方式和運行方式對其沒有影響，使得選線的準確率大大提高。

2．3．2 多層前饋神經網絡法和模式識別

人工神經網絡法和貝葉斯的決策方法是該方法的立足點，該方法的基本原理是將接地故障發生后各個線路的零序電流認為是某類故障的一個模式，然后通過人工神經網的訓練與學習來判斷此故障模式[8]，以此實現選線。故障模式的判斷與人工神經網絡的學習及鍛煉有非常緊密的關系，所以使得此方法具有較高的準確率。除此之外，需要深入了解和全面掌握小電流接地系統接地故障選線的具體特征，然后根據特征對選線識別框架分配函數進行科學的構建（可通過證據理論模型的構建對選線問題進行有條理科學的判斷），這是選線方法判定的基礎，該方法中綜合選線策略的制定的核心就是信息的融合。

3 結語

本文總結了以上各種選線方法的原理以及優缺點，得出以下結論。

a）零序電流比幅和比相法簡單易行，但都不適用于諧振系統，只能用于不接地系統，且易受過渡電阻和CT不平衡的影響。有功分量法、5次諧波法和S注入法這3個方法都可以適用于諧振接地系統，但是接地電流中的有功分量較小、故障線路中的諧波較小、S注入法容易被線路上的電容分流，這就使得這3種方法得檢測靈敏度較低。零序導納法在發生間歇性故障時幾乎失效。

b）基于暫態算法的選線方法克服了穩態算法靈敏度低的缺點，且不受消弧線圈的影響。目前，基于暫態故障信號與理論比較完善的數學算法相結合是一熱點，但過于依賴數學分析工具和仿真驗證，所以本文認為應該將單相接地故障的發生進行更加深入的系統分析以及研究現場的實際應用，并將兩者相結合。除此之外，接地故障的邊界條件復雜且具有隨機性，應深入研究暫態信號的特性，全面地理解故障特征量并能可靠地將其提取。

c）小波分析法和綜合法在理論上都有較高的選線準確率，但缺乏實際應用。應將這種有著較高選線準確率的方法應用于實際運行當中，結合實際運行分析研究此兩種方法。

本文認為若想研究出準確率高的選線方法，首先需要更加深入地研究故障的發展和形成過程，以及各種因素對故障的影響，對故障信息了解地更加透徹。其次，重點研究故障發生后暫態特征量的特點，使得小波分析不僅能在理論上有高準率而且在實際運行中也能有較好的運用。第三，應從線路故障的實際情況出發，可以根據我國配電網的實際情況有選擇性地借鑒國外優秀的科學技術，并與我國選線技術相結合，做好對系統運行狀況的檢測工作。