配電網小電流接地系統單相故障定位分析

甘亞洲

（寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

在35 kV及以下電力系統中，受雷雨等天氣因素影響，容易發生單項接地故障。由于單項接地故障不易察覺，長期處于該狀態易造成絕緣擊穿，從而引起相間短路，使事故損害不斷擴大，因此有必要采取相應的故障解決措施，防止故障問題擴大而造成嚴重后果。

1 小電流接地系統

小電流接地主要有3種形式，分別是中性點不接地、中性點經滅弧線圈接地、中性點經大電阻接地。配網在運行期間如果發生單相接地故障不能和大地之間形成回路，此時三相電壓將會無法平衡，但整體上依然相互對稱，小電流接地點位置的電流較小，允許電流在短時間內通過，電力系統也能使用，但必須盡快安排人員完成故障定位分析，及時排除安全隱患，防止故障范圍擴大。

中性點不接地方式中，如果出現單相接地的情況，小電流接地系統中的零序阻抗將會由線路對地電容組成，這部分電容很小，因此系統的零序阻抗很大，其中的故障電流可以忽略，繼電保護不會產生任何保護動作。

中性點經滅弧線圈接地的方式比較常見，電壓相位和故障電流處于反向關系，故障點疊加將會對該處殘留造成抑制作用。與此同時，滅弧線圈可以對恢復電壓初速度和限制電壓上限產生抑制作用，避免故障點反復產生電弧，抑制弧光接地過電壓。

中性點經大電阻接地方式中，小電流接地系統如果發生了短路故障問題，此時電阻可以對諧振產生良好的阻滯作用，防止形成諧振或弧光接地過電壓。線路過電壓下降，單相接地后因過電壓而引發的事故概率將會降低[1]。

2 小電流接地故障定位步驟

首先，劃分接地故障類型。采集故障現場的所有數據，對數據進行有效分析，根據零序電流波形將故障類型劃分為穩定型、電弧型、高阻電弧型、高阻放電型以及間歇放電型。其中，穩定型故障包括線路直接接地故障和電阻等出現問題后形成的間接接地故障；電弧型故障與高阻電弧型故障主要指物體與線路靠近后引發的電弧故障；高阻放電型故障與間隙放電型故障一般體現為瓷瓶設備的絕緣擊穿，有時也包含變壓器放電故障。

其次，根據瞬態信息判斷小電流接地故障。如果配網運行期間出現單相接地故障，此時瞬態分量將會產生劇烈變化，變化的同時形成故障信息。使用有效的方式分析單相接地故障發生時的瞬態波形，使用瞬態分量法進行波形的合理化分析，掌握波形特征，再將特征數據歸一化處理，基于智能算法的應用診斷故障[2]。

最后，判定小電流接地系統的故障位置。故障定位的有效性取決于輸電線路中零序電流分量的分布情況，也與測量點的實際數量有關。分析故障處兩側電壓電流情況，從中提取相關特征，找出故障區段。根據小電流接地裝置故障兩側節點輻射圖，依靠主站得到其他站相關數據，對所有數據綜合分析，可以確定故障位置，為后續故障處理提供科學參考。

3 小電流接地系統單相故障定位方法

3.1 阻抗法

采用故障測距原理，根據測量的電壓與電流，通過平衡方程求解測量端和故障點的阻抗值，再憑借單位阻抗計算故障距離[3]。阻抗法主要包含單端測距與雙端測距2種，其中單端測距一般是按照電流與電壓之間的關系消除中間變量來獲得故障距離表達方式，而雙端測距是依據線路兩端電流與電壓的關聯得出電壓方程與故障距離。單相接地故障集中參數等值電路如圖1所示。

圖1 單相接地故障集中參數等值電路

圖1中：F為故障點；M為測量端；UM為M端的電壓；IM為M端的電流；ZM為線路中的正序參數；ZM0為線路中的零序參數。一般情況下，可以使用阻抗法完成故障測距分析，相應公式為

式中：x為測量端到故障點之間的距離；RF為過渡電阻阻值；IF0為單相接地故障支路位置的零序電流；K為零序電流補償系數；DA0為零序電流分布系數。

經過整合可以得到

阻抗法具有投資小的應用優勢，可用于線路故障定位，但容易受到過渡阻抗的影響，導致測量精度難以提高。雙端阻抗法的使用需要額外預留同步裝置的設置時間，可以使用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）裝置完成兩端時間信號的高效同步，從而提高故障定位效果[4]。

3.2 注入信號尋跡法

注入信號尋跡法也叫注入法，產生接地故障后可使用信號注入裝置經過電壓互感器向線路注入一定頻率的信號，信號沿著線路從故障點逐漸流向大地。應用信號探測器進行線路檢測分析，如果有信號流過，此線路就屬于故障線路，然后使用探測設備沿著線路繼續尋找故障點，進而判斷故障點的具體位置。

注入信號尋跡法無須在線路中安裝電流互感器，其應用不會受到消弧線圈的影響，但需要使用信號注入設備。利用探測裝置對沿線加以檢測，整個過程可能會花費一定的時間，無法科學檢測出間接性的接地故障。對于絕緣恢復，可向故障相加入直流高壓，從而讓接地點時刻保持著擊穿的工作狀態，隨即注入交流信號，信號消失點就是故障所在位置。由此可見，脈沖信號注入法，能夠解決信號頻率高的問題，避免線路對地電容的分流，提高故障定位有效性[5,6]。

3.3 零序電流瞬態能量法

電力系統與配電網中的中性點接地主要有大電流接地和小電流接地2種，其中小電流接地系統包含不接地、消弧線圈接地、高阻抗接地3種情況。以中性點接地為例進行故障定位研究，根據故障穩態特性與瞬態特性，經過仿真分析實現接地故障的有效判斷和定位。

3.3.1 單相接地故障穩態特性

如果配電網中的線路上發生了單相接地故障，在滅弧線圈的作用下，接地點處的電阻會和大地之間產生電流，這部分電流分為感性電流與容性電流。當中性點經滅弧線圈接地處于過補償狀態時，此時能夠抑制諧振造成的過電壓，但線圈位置會產生感性電流，感性電流會與容性電流相互抵消，因此故障處零序電路的電流可能與其他位置的相位同步。

3.3.2 單相接地故障瞬態特性

系統故障時的瞬態電流主要包含容性電流與感性電流2種，其中容性電流由線路對地等效電容電流構成，感性電流包括流過滅弧線圈的電流、流過相關元器件與電力設施的電流。單相接地故障瞬態等效電路如圖2所示。

圖2 瞬態等效電路

圖2中，R0為故障產生后電源內阻與線路電阻等效和；L0為故障時線路中所有感性元件的電感和；U0為零序電壓；RL為滅弧線圈等效電阻：L為滅弧線圈等效電感。由于瞬態等效電路的電感超過等效電感L0，因此可以認為電感支路與電阻支路都屬于開路。經過零序電壓分析計算后，能夠從中獲得關于單相接地故障的瞬態電感電流，相應計算公式為

式中：ILm為經過電感線圈處的電流幅值；τL為電感回路中的一種時間常數[7]。瞬態電感電流主要分為穩態交流分量與瞬態直流分量，其中穩態交流分量的幅值與故障合閘角存在一定關聯。如果合閘角處于90°，此時瞬態分量幅值最小；如果合閘角為0°，此時瞬態分量幅值最大。

3.3.3 零序電流瞬態能量法仿真

利用零序電流瞬態能量法計算故障發生后的零模能量，從而得到相應的表達式[8]。建立一個配電網小電流系統模型，其中共有3條輸出線路，分別是L1、L2以及L3，采用中性點經滅弧線圈接地方式，相應參數如表1所示。

表1 配電網中性點經滅弧線圈接地線路參數

在Matlab環境下仿真分析，使用Sym6小波包基函數，對L1、L2以及L3線路中的零序電流進行有效分解，求出線路在不同特征頻帶內的小波包系數和，進而得到3條線路的瞬態能量。

3.4 五次諧波法

五次諧波法一般是對小電流接地故障系統進行檢測，掌握電流幅值，判斷其中的相位關系，從而使故障定位更加準確[9]。小電流接地系統中如果產生了單相接地故障，此時諧波電流就是該線路的零序電流，并朝著母線的方向流向線路。五次諧波零序電流的數值與諧波電容電流之和相等，方向為滯后零序電壓90°[10]。當發生單相接地故障時，由于信號檢測難度偏大，因此在利用五次諧波法進行故障定位時需要同時采用其他方法，通過各類方法的相互協調實現故障快速定位。

4 結 論

通過分析配電網小電流接地系統運行期間的單相故障問題，采用有效的故障定位方法。針對小電流接地的不同方式，以中性點經滅弧線圈接地方式為例，分析不同故障定位技術的實踐應用效果。通過阻抗法、注入信號尋跡法、零序電流瞬態能量法的應用，能夠有效提高系統故障定位效率。