基于注入原理的小電流接地故障選線技術探討

李 焱，李穎峰

（1.陜西理工大學，陜西 漢中 723001；2.陜西理工大學 電氣工程學院，陜西 漢中 723001）

0 引言

當前在我國，中性點運行方式主要包括3 種類型，即直接接地、不接地和經消弧線圈接地。其中后兩種為小電流接地方式，比起大電流接地方式，其優勢在于：（1）經濟節約，不需要接地裝置，節省投入；（2）最常見的故障發生時50 Hz 穩態電流較??；（3）故障發生時，系統還可以保證線電壓對稱，可以帶故障運行長達2 h；（4）故障接地電流為電容電流大小，幅值小，對信號干擾弱，對低壓網影響小。因此，小電流接地方式成為我國中低壓配電網的主要接電方式，但是其缺陷在于隨著線路增加，配電系統的日益復雜，會導致故障頻發。如果系統長期帶障運行，就會造成短路故障，甚至在嚴重時會擊穿絕緣設備，造成電網過電壓，因此解決小電流接地故障的意義非常重大。本研究致力于有所突破，改變傳統拉路法頻繁倒閘操作帶來的浪費、不安全、斷電等問題，徹底解決小電流接地故障選線問題。

1 小電流接地故障選線相關概述

1.1 小電流接地故障選線技術發展的概述

作為長期困擾電網穩定的問題，我國始終對小電流接地故障的原理進行研究，技術方案也在不斷創新之中，從零序電流保護階段發展到零序無功方向保護階段，過去在方案上以基波為主，現在已經發展到五次諧波方案和首半波極性階段，自動化水平也在不斷提高，從步進式繼電器發展到計算機群，在信號識別上從關注系統本身到人為注入特征信號，選線方式的智能化和綜合化水平也在不斷提高。目前，世界上各個國家的選線方式各有不同，美國直接接地的方式較多，一般采用零序過電流保護；法國過去一般用小電阻接地，現在正在過渡到經消弧線圈接地方式，除了零序電流方式外，還采用小波變換的方式；日本部分電網會采用經高電阻接地方式，同樣也以零序電流為主[1]。

1.2 當前國內外小電流接地故障選線方法概述

目前，針對小電流單相接地故障還沒有快速可靠的選線方法，這是因為如下5 點：（1）故障穩態特征量較小，變化不明顯，不能有效識別其特征，因此容易造成選線失??；（2）在單相接地故障發生時，暫態持續時間較短，不易采集；（3）配電網運行復雜，尤其是智能電網弱電系統較多，加大了判定難度；（4）技術標準目前難以統一，現場故障選線操作等問題導致了操作困難，準確率不高；（5）系統的失諧度、自動化水平、AI 的智能性、線路的結構、電阻的大小、裝置的結構、線路的長短、電壓電流互感器的特性、操作的誤差、系統運行的因素甚至是合閘的角度都會影響到選線精度[2]。

當前，小電流接地系統單相接地故障選線的技術安裝方法劃分可以基于如下4 種：基于故障穩態量的方法（零序電流比幅法、零序電流群體比幅比相法、五次諧波法、負序電流法）、基于故障暫態量的方法（首半波法、PRONY 算法、小波分析法）、基于外加診斷信號的方法（從PT 二次側注入信號、從中性點注入信號、直流注入法）及融合現代信息技術（基于神經網絡的選線方法、基于模糊理論的選線方法、基于粗糙集理論的選線方法）。

2 3 種重要單相接地故障選線技術分析

2.1 基于交流注入法選線技術

2.1.1 交流注入法原理

中性點不接地系統單相接地故障具有穩態特征，在發生故障時，如果增大全系統對地電容電流總和的幅值，則故障線路中的零序電流被增大，而非故障線路中則不會出現這種情況。如果通過電力電容器人為增大對地電容電流總和的幅值，兩個線路之間零序電流之間的差距就會拉大，其抗過渡電阻能力就會提高，選線的準確率也會提升。在發生故障時，在母線處放置助增電容器，就能夠擴大故障線路和非故障線路的零序電流差距，實現通過人為加強故障線路的特征來提高選線的精確性。

2.1.2 關鍵技術分析

首先是確定注入電流大小，在確保系統穩定運行的狀況下，確定對應的電容電流。尤其需要注意的是，對地電容電流最好要低于電力規程規定的裝設消弧線圈U2N 的電流要求，即I0_Z≤ICΣ_SC，其中，I0_Z為助增后全系統的對地電容電流，ICΣ_SC為配電網裝設消弧線圈的條件對應的全系統電容電流。同時，助增電容器的電容為QCOZ=U2NωCOZ，其中，UN為配電網的額定電壓，COZ為助增電容。其次是分析助增電容對過電壓的影響。在電容施用的過程中，會因為暫態過程而產生短時過電壓，這樣容易破壞絕緣，對整個系統造成壞的影響。在投入期間，系統的總電抗不變，但是電網對地總的容抗卻相應減小，這樣也可以防止鐵磁諧振等現象的產生。

2.1.3 仿真驗證

設置Rg=0 為金屬性接地故障，Rg=1 kΩ 為非金屬性接地故障的根據電壓幅值，得到注入電容電流前后零序電壓幅值曲線。仿真曲線結果顯示，當Rg=0（金屬性接地故障）狀態時，前后電壓不變，此時幅值最大；同時，隨著過渡電阻Rg（非金屬性接地故障）的增加，零序電壓逐漸減小，但是注入后的幅值始終小于注入前的幅值。

2.2 基于母線分列動作的選線技術

2.2.1 原理分析

在中性點不接地系統中，母線分列操作后，電網中的零序電壓和零序電流的變化明細：在Rg=0（金屬性接地故障）狀態下，電網的零序電壓不變，零序電流方面，非故障線路不變，故障線路減小而且特增量最大；在Rg=1 kΩ（非金屬性接地故障）狀態下，零序電壓方面，故障段增大，零序電流方面，非故障段增大，故障段減小明顯?？梢砸揽咳缦鹿竭M行判斷：U’0=U0=UX情況下，金屬性接地，當U’0＞U0的情況下，則為非金屬性接地。其中U0是監測系統零序電壓幅值，UX代表非故障線路電壓幅值，U’。由此可以做出選線依據的判斷，當操作前后各饋出線零序電流的變化量大于0 時，為故障線路，小于等于0 時為非故障線路。當系統零序電壓幅值超過整定值時，即可判定系統發生單相接地故障。在中性點經消弧線圈接地系統中，同樣，當零序電壓無變化時，為金屬性接地，當操作后電壓大于整定值時，判斷為非金屬性接地。操作后當母線分列操作前后各饋出線變化量小于等于0 時，判斷為母線故障。對于線路故障的判定原理如下：當其變化量大于0 時，判斷為故障線路，否則，則為非故障線路。對系統零序電壓進行檢查，當其幅值大于整定值時，則判斷發生故障[3]。

2.2.2 仿真驗證

系統可以采用PSCAD 電磁暫態仿真軟件進行試驗，觀測操作前后的零序電壓幅值變化曲線圖，經過測試能夠看出，在金屬接地時，操作前后零序電壓不變，此時幅值最大；在非金屬接地時，其幅值增大，符合研究原理。在金屬性接地故障的狀況下，設置為Rg=0，非金屬性接地時狀態下，設置為Rg=2 kΩ。前者零序電流明顯減?。煌瑫r，驗證還表明，故障段母線連接的最長非故障線路的零序電流基本不變。在Rg=2 kΩ 的狀態下，故障線路和非故障線路的零序電流表現不同，前者減小，后者增大，前者的零序電流幅值變化量隨著過度電阻的增大而不斷減小，后者始終是增大的。試驗也可以發現母線故障與線路故障的前后各饋出線變化量差距較為明顯，該系統的優勢在于可以利用系統本身特性選線，而不需要添加外部設備[4]。

2.3 基于隨機共振理論的S 注入信號技術分析

2.3.1 “S 注入法”的技術原理

該方法的優勢在于打破了傳統檢測利用小電流接地的故障量本身進行檢測的缺陷，通過人為注入信號量的方式來放大其強度，可以通過故障接地點入地來實現信號的選擇。在系統正常運行時，電網故障檢測的裝置不輸出注入信號電流，但是當故障發生時，PT二次側電壓發生變化，電壓放大之后，信號注入裝置在在A 相PT 二次側繞組傳輸特定電流信號。電流信號的特點在于只通過故障線路的故障相，因此便于識別，但是為了更有效的識別信號，還需要在該處配置信號探測器，便于檢測信號，提升選線的精確率[5]。

2.3.2 注入電流信號的選擇

在選擇過程中，最為關鍵的是幅值和頻率，只有精準選擇，才能夠精確測量。從原理上來講，幅值越大，檢測就越精準。但是幅值大也會帶來相應的問題，因為諧波信號幅值過大造成的能量波會給電網系統帶來干擾和影響，尤其是當負荷過大時，這種不利影響就更為明顯。例如，當幅值超出母線PT 容量的限制，就會發生過載現象，甚至造成整個電網系統的危險。但是如果注入的信號較小，那么也會導致問題。因此在信號選擇過程中，要盡可能增大其幅值，但是也要考慮到PT 容量和系統的負荷，減少對系統的干擾，清除可能存在的隱患。頻率也是一個重點問題，注入信號的頻率必須要有自己的工作波段，既要區別于電力系統工頻和諧波的頻率，還要確保高低適當，不要過高，也不要過低，要位于工頻n 次諧波與n+1 次諧波之間，一般可以選擇80 Hz 或220 Hz。

2.3.3 注入電流信號的檢測

為了避免由于耦合到PT 一次側時較微弱帶來的檢測困難，因此要采用一定措施進行處理。目前主要有兩種方法，一種是采用多級模擬帶阻和帶通濾波器，這種方法可以實現多級模擬，以提升精確度；另一種是采用高階FIR 數字帶阻和帶通濾波器，這種方法利用高階FIR 數字帶阻提高精確度。但是兩種方法同樣都有缺陷，抗過渡電阻能力不高。因此，在研究中提出采用隨機共振檢測的方法，該方法通過非線性系統、微弱周期信號和噪聲三個條件，提升了信號增強的能力，可以采用。

3 結論

每一種選線技術都有自身的缺陷，但是在選線過程中仍然要以快速測出故障為原則。未來，為了提高選線技術能力，除了采用先進技術放大信號外，還應該結合智能技術，放置探測傳感器，來提高其精確度。