基于零序電流-電壓波形相似度的小電阻接地系統高阻接地故障檢測方法

肖瑞超 徐涵

摘要：由于配電饋線往往深入負荷中心，所處環境較為復雜，對于小電阻接地系統，現階段采用的階段式零序電流保護方案無法有效解決高阻接地故障難以檢測的問題。針對此現象，通過分析高阻接地故障時故障線路與健全線路零序電流-電壓之間不同的約束關系，進而提出一種基于零序電流電壓波形相似度的高阻接地故障檢測方法。所提方法通過對各饋線檢測點零序電流與母線零序電壓進行采樣，并通過計算波形相似度相關系數進行故障檢測，該方法可顯著提高保護耐受過渡電阻的能力。最后，通過 PSCAD對典型系統的仿真測試驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：小電阻接地系統;單相接地故障;高阻接地故障;波形相似度;PSCAD

中圖分類號：TM77???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0064-04

High-resistance Grounding Fault Detection in Low-resistance Grounding System Based on Similarity Difference of Zero-sequence Current-voltage Waveform

Xiao Ruichao1，Xu Han2

（1. South China University of Technology， Guangzhou 510641， China;2. Guangzhou Bureau of China Southern Grid EHV Transmission Company， Guangzhou 510670， China）

Abstract： Since the distribution feeder is often deep into the load center and the environment is more complicated， for the low-resistance grounding system， the staged zero-sequence current protection scheme adopted at this stage cannot effectively solve the problem of high-resistance grounding fault detection. In response to this phenomenon， the different constraint relationships between the zero sequence current-voltage of the faulty line and the sound line when the high resistance ground fault occurs were analyzed， and then a high resistance ground fault detection method based on the difference in the similarity of the zero sequence current and voltage waveforms was proposed. The proposed method sampled the zero-sequence current and the zero-sequence voltage of the busbar at each feeder detection point， and used the waveform similarity correlation coefficient for fault detection. The method could significantly improve the ability of the protection to withstand the transition resistance. Finally， the simulation test of PSCAD on a typical system verifies the effectiveness of the method.

Key words： low-resistance grounding system; single-phase grounding fault; high-resistance grounding fault; waveform similarity; PSCAD

0 引言

受弧光接地過電壓、單相接地電流越限以及設備絕緣水平較高等因素的影響，近年來中性點經小電阻接地系統成為我國大中型城市配電網的主要發展趨勢[1-2]。單相接地故障是配電系統中最常見的故障類型之一，占高壓線路總故障次數的80%以上[3]，由于配電饋線往往深入負荷中心，所處環境較為復雜，容易發生高阻接地故障，目前為解決配電網高阻接地故障所采用的保護方案主要以階段式零序電流Ⅱ段保護為主[4]，但是其按照躲開區外故障時本線路流過的最大對地對電容電流值來整定，通常耐受的過渡電阻值不超過100Ω[5-6]。高阻接地故障大約占據配電網所有故障的5%～10%，雖然高阻接地故障發生時產生的故障電流很小，但是由于其難以檢測的特征會導致長期存在于配電網中，將對設備的絕緣造成巨大的威脅，從而引發更嚴重的故障，甚至威脅人身安全。因此對于高阻接地故障的檢測與識別對于小電阻接地配電網具有重要的意義。

近年來，國內外許多學者針對配電網高阻接地故障檢測與識別提出了一系列解決方案。薛永端等[7]提出一種基于零序電壓比率制動的接地故障檢測方法，根據零序電壓自適應調整零序電流整定值，但其整定值計算較為復雜。李海鋒等[8]通過零序電壓對零序電流測量值的修正，利用修正值近似等于故障線路首端金屬性故障測量值的原理，提高保護靈敏性。盛亞如等[9]和楊帆等[10]則利用中性點電流與線路零序電流投影量之間的差異構成故障檢測判據。

目前，對于小電阻接地系統故障檢測方法的研究還不多，本文嘗試通過不同的思路提出相應的保護策略。首先建立小電阻接地系統單相接地故障時的零序等值模型，探尋故障線路與健全線路零序電流與零序電壓之間的約束關系，并提出一種基于零序電流-電壓波形相似度差異的小電阻接地系統高阻接地故障檢測方法。最后通過PSCAD/EMTDC的大量仿真驗證了所提方法的有效性。

1 小電阻接地系統單相接地故障分析

1.1 健全線路與故障線路零序電流電壓關系

圖1所示為小電阻接地系統單相接地故障示意圖，圖2所示為圖1所對應的故障零序等值網絡，中性點支路由曲折變壓器及接地電阻 Rg 串接而成，H1～Hn 為健全線路，F 為故障線路，假設故障發生在 A 相上，故障點所帶過渡電阻為 Rf 。以下分析以10 kV系統為例。

圖2中， C0i? （i=1， 2， …， n-1）為健全線路一相對地零序電容，C0f為故障線路一相對地零序電容，C0∑為所有線路一相對地零序電容的總和。 U? f =-E? a ，? U? f 為故障點零序等值電壓即故障相電源電壓， E? a 為故障前故障相電壓。 I?0i （ i=1， 2， …， n-1）為健全線路首端零序電流， I?0f 為故障線路首端零序電流， U?0為母線零序電壓。通過圖2零序網絡可得零序阻抗 Z0：

根據分壓原理可以得到零序電壓 U?0為：

健全線路 Hi? （i=1， 2， …， n ）的零序電流為流過本線路的對地電容電流：

故障線路零序電流為所有健全線路以及中性點小電阻支路接地電流的矢量和構成：

式中：C0為所有健全線路的零序電容之和。

根據式（3） ～（4） 可以進一步得到零序電流與母線零序電壓之間的相位關系：

式中： θI?0i_U?0與θI?0f _U?0分別表示健全線路與故障線路零序電流超前母線零序電壓的相位，若此相位差為負，即表示落后。

由于10 kV配電網的系統對地對電容電流一般不超過200 A ，因此ωC0∑H ≤5.77 mS ，中性點接地電阻在實際工程常用10Ω，因此可以進一步得到式（5）中故障線路零序電流與母線零序電壓相位關系的范圍：

由此可以得到零序電壓會隨過渡電阻的增大而減小，故障線路與健全線路的零序電流也會相應的減小。但是由式（5）及式（6）發現健全線路與故障線路零序電流和母線零序電壓的相位差與過渡電阻大小無關，并且此相位差的特征差異在健全線路與故障線路中表現的迥然不同，從而削弱了高阻接地故障帶來的故障檢測困難的影響。

1.2 故障線路與健全線路零序電流電壓關系差異

通過對于小電阻接地系統發生單相接地故障時的故障特性分析可知，故障線路與健全線路零序電流和母線零序電壓之間的相位差具有明顯的差異特征，其中健全線路零序電流超前母線零序電壓90°相位，故障線路落后母線零序電壓接近180°相位，圖 3所示為各零序信號波形之間的關系。由圖可見，各線路零序電流與母線零序電壓之間的相位關系可以間接的通過波形相似程度來表示，即故障線路與健全線路零序電流和母線零序電壓間的波形相似程度具有明顯差異，而具體量化該差異的方法將在下一節詳細介紹。

2 基于零序電流-電壓的接地故障檢測原理

由分析可知，健全線路與故障線路的零序電流和母線零序電壓之間的波形相似度存在明顯差異，并且該差異受過渡電阻的影響較小，因而可以據此對高阻接地故障進行檢測識別。本文所取時間窗長度為故障后的半個工頻周波。

為了描述零序電流 i0與零序電壓 u0兩個零序信號之間的波形相似程度，利用相關系數γ進行具體量化，現給出γ的離散化計算公式：

式中：N 為半個工頻周波內的采樣點數。相關系數γ的值位于-1和1之間，兩者波形極性越趨于相似時，相關系數γ越接近于1，兩者波形極性越趨于相反時，相關系數γ越接近于-1，而當兩者波形之間相位差為90°時，相關系數為0。

本文利用相關系數γ來描述零序電流與零序電壓之間的波形相似程度，通過對各饋線的相關系數進行計算來進行故障檢測，具體步驟如下：（1） 采集各饋線檢測點的零序電流與母線零序電壓信號，并對其進行低通濾波處理; （2）以零序電壓大于整定值 u0.set 作為啟動判據，由于高阻接地故障時母線零序電壓會隨過渡電阻增大而減小，該整定值可以設置為5 V ;（3） 分別計算時間窗內各饋線的相關系數γ，并設定一定相關系數的閾值γset ，若檢測點所測的零序電流與母線零序電壓之間的相關系數小于γset ，則判定為故障線路，否則判定為健全線路。

根據上述分析可得，健全線路零序電流與母線零序電壓的相關系數γH 接近于0，而故障線路零序電流與母線零序電壓的相關系數γF 接近于-1。兩者具有明顯區分度，考慮到現場雜波的干擾，可以初步設置閾值為-0.4，該閾值還需根據現場具體經驗進行調整。

3 仿真分析

依據圖1搭建 PSCAD仿真模型[11-12]，取 n=5，系統采用全電纜線路，H1～H5的長度分別為5 km、8 km、10 km、12 km、15km ，線路具體參數如表1所示。換算到10 kV 側的系統等效阻抗和主變壓器漏抗之和為0.44Ω，接地小電阻為10Ω。其中故障分別設置在饋線 H3 （故障點K1 距離母線4 km）和饋線 H4? （故障點K2距離母線8 km），以饋線 H1作為健全線路對比樣本，對不同過渡電阻接地故障下零序電流與母線零序電壓的波形相似度相關系數進行仿真計算，驗證本文所提方法的有效性。本文檢測算法參數設置如下：u0.set =5 V ，γset =-0.4，采樣頻率為2 kHz。

本文選取過渡電阻為10Ω、100Ω、1000Ω，分別以 K1及 K2兩故障位置的 A 相接地故障為例進行驗證，仿真結果如表2所示。由表可知，故障線路檢測點所檢測的零序電流與母線零序電壓波形相似度相關系數均接近-1，而健全線路檢測點所檢測的相關系數均接近于0，與理論分析保持一致，因此可以判斷相關系數小于設定的閾值（γset=-0.4）即判定為故障線路，相關系數大于設定的閾值即判定為健全線路。并且本文所提故障檢測方法對于低阻故障及高阻故障均有良好的適應性。

4 結束語

針對小電阻接地系統現有高阻接地故障檢測方法靈敏性較差的現象，本文通過分析故障線路與健全線路零序電流與母線零序電壓的約束特征，根據故障線路與健全線路在零序電流-電壓相位差之間的特征差異，提出一種基于零序電流-電壓波形相似度差異的高阻接地故障檢測方法。該方法僅采用單條饋線的電氣量。基于 PSCAD/EMTDC 的仿真結果表明，所提檢測方法能有效判別故障線路，并顯著提高了高阻接地故障檢測的靈敏性。

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第一作者簡介：肖瑞超（1996-），男，江西上饒人，碩士研究生，研究領域為配電網故障分析與繼電保護。

（編輯：王智圣）