影響小電流接地選線準確率的因素及發展展望

沈 齊 ，李 全，李 軍

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司第二能源總廠，安徽馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一能源總廠，安徽馬鞍山 243000）

1 引言

小電流接地系統單相接地故障選線問題為多年來困擾配電網運行的難題。早在20世紀80年代，微機的出現給小電流接地選線研制提供了硬件條件，90年代初曾掀起了“小電流接地選線技術”的應用高潮，市場上生產和實際運行的小電流接地選線裝置很多，也結累了很多經驗。但是90年代后期又陷入了低潮，約有80%～90%的廠家選線裝置因選線效果不佳退出了生產，而選線失敗的原因并無定論，這說明選線研究工作仍任重而道遠，需要及時總結分析其成功的經驗和失敗的教訓，提高故障選線的準確率。

2 歷史回顧

最初的故障選線方法是逐條線路拉閘監視零序電壓有無，雖可保證正確性，但速度慢且對供電可靠性極為不利，也不符合繼電保護快速性的要求。于是根據實踐經驗和對選線原理的深入研究及科技的發展，相繼提出了多種不同原理的故障選線方法并投入使用。但運行實踐證明，這些不同原理和方法的選線裝置，運行中的效果仍不盡人意，其選線正確率仍然難以保證［3］。

我國對小電流接地選線的研究始于20世紀50年代中后期，運用于60年代初，按年代順序推出的選線原理和方法大致如下（限于篇幅，其原理部分不予介紹）：

（1）零序功率最大法（接地故障穩態算法）

（2）零序電流有功分量法；

（3）首半波原理；

（4）5次諧波原理（諧波法）；

（5）相對相位比較法；

（6）S信號注入法；

（7）微機綜合概率判斷法；

（8）面保護（群體比幅比相法）；

（9）Prony法；

（10）基于小波變換的選線技術（小波原理）；

（11）負序電流選線法；

（12）最大（ISinj）原理；

（13）兩相電流旋轉變換的新原理；

（14）零序對地導納選線的新原理；

（15）基于人工智能的模糊理論及遙感選線；

（16）神經網絡選線法。

雖然有如此眾多不同判據和不同原理的選線方法，但按照所選用的電氣量，可分為利用注入信號和故障信號兩類。其中利用故障信號的方法又可分為故障信號穩態量和暫態量兩大類。

2 存在的問題

2.1 共性問題

（1）系統接線和故障狀態。小電流接地系統發生單相接地故障時，受到不同故障線路、故障相別、故障初相角、故障點位置以及不同系統的接地方式、故障接地電阻的影響等因素，采集的參量差別較大。盡管有上述多種選線方法，但任何一種選線方法都難以對所有故障狀況作出正確選線。

（2）網架結構與變化情況。小電流接地電網的自身結構、負荷變化及現場狀況復雜，故實際應用中針對單一故障信息的選線方法都有適用范圍和局限性，不能保證對所有故障類型均有效[3]。

（3）電流信號太小。小電流系統單相接地時產生的零序電流是系統的電容電流，其大小與系統規模和線路類型（電纜或架空線）有關，若經消弧線圈接地，數值會更小。在小電流弱信號下實現選線，當然其準確率難以保證。

（4）干擾大、信噪比小。尤其是現場各種干擾使檢測出的故障成分信噪比非常低，可用信號不能被有效提取，特別是利用故障發生后幾個周波數據的裝置，誤選的可能性會更大。還有當負荷電流不平衡造成的零序電流和諧波電流較大時，特別是當系統較小，對地電容電流較小時，保證正確率幾乎是不可能的。

（5）隨機因素的不確定。配電網運行方式改變頻繁，造成電容電流和諧波電流也頻繁改變，此外，母線電壓水平的高低，負荷電流大小的不斷變化，也會造成零序電流和諧波電流的不穩定。

（6）電容電流波形的不穩定。小電流接地系統的單相接地故障，常常是間歇性大穩定弧光接地，因而電容電流波形不穩定，對應的其它參量亦不穩定并隨時處于變化之中，這種情況下的選線準確性，根本無法談起。

2.2 運行方式的影響[2]

配電網絡運行方式變化較大，在最小運行方式下的單側電源輻射性分段供電時與最大運行方式下的環網并列運行時，零序電流差額較大[4]。由于發生單相接地故障時，流過故障線路首端的零序電流為整個系統的電容電流減去故障線路本身的電容電流。在不同的運行方式下，不同的地點發生單相接地故障時，線路首端（零序電流采集處）流過的零序電流數值變化較大。當故障線路本身的電容電流占系統總電流的比例相當大時，僅僅依靠零序電流的數據來判斷故障線路是困難的，而不同的零序電流數值對選線的影響至關重要，其影響選線準確率也就不難理解。

2.3 接地狀態參數的影響

（1）當發生單相接地故障時（圖1），若A相經過渡電阻Rj接地，忽略泄漏電導和線間電容，并假設三相對地電容C0相等，則各相對地導納為：

中性點位移電位為：

可解得：U0=-UA/（1+j3ωC0Rj）

或-UA=U0+j3ωC0RjU0

由上式可知，隨著接地電阻Rj數值的變化，中性點位移電壓未端軌跡是以-UA為直徑的圓，如圖2所示。

圖1 系統單相相接地時等值電路圖

圖2 Rj變化時的中性點位移電壓軌跡

顯然，當沒有接地時，Rj→∞，U0→0；當完全金屬接地時，RJ=0，U0=Uφ（相電壓）；當通過不同的數值RJ接地時，U0的大小在0～U0范圍內變化。那么，與此相應的零序電流分量，將發生很大的變化，在此范圍內，零序電流變化較大，這對利用故障信息判斷選線是致命的，直接影響到選線的準確性。

（2）圖1是在忽略泄漏電導和線間電容的理想情況下作出的。但當接地電容電流較小時，上述因素的影響已不容忽略。它的存在使接地電容電流與零序電壓間的相位關系發生變化，功率方向產生干擾，易發生假象，影響到準確性。

（3）在輻射性網絡中，對于網絡中的短線路，若該線路中的不平衡電流大，加之接地電阻Rj的不確定性，零序電流變化較大，故對故障信號暫態量的干擾大，嚴重時，會導致無法選線[4]。

2.4 選線原理存在的不足[3]

由于目前投入運行的選線方法和不同原理的裝置較多，只簡要分析運用較多的以下幾種。

2.4.1 諧波原理選線[1]

在分析小電流接地系統單相接地故障的零序網絡中，零序電源是附加在線路故障點上的工頻電壓源。從過渡電阻的非線性可知故障點本身就是一個諧波源。而變壓器和部分負荷的非線性特性，會產生波形畸變。這會導致在零序電流中含有大量的奇次諧波。其中三次諧波電流相位一致，流經變壓器三相繞組或被削弱或相互抵消。所以零序諧波電流按照幅值大小依次為基波、5波、7次、11次諧波，而且它們在系統中的分布基本相同[3]。由于5次諧波分量通過消弧線圈時的阻抗是基波的5倍，其線路對地電容容抗卻是基波的1/5，所以消弧線圈上的5次諧波感性電流遠遠不能補償系統的5次諧波對地電容電流，所以在中性點經消弧線圈接地系統中，通過零序5次、7次諧波電流作幅值或無功方向比較，可以實現故障選線。

但是存在的問題是，系統5次、7次諧波受過渡電阻和系統中非線性特性元件的影響，尤其是在電力電子裝置應用較多的環境下，其幅值波動較大，難以保證選線的可靠性。

2.4.2 零序電流幅值、無功方向、有功方向、首半波選線[1，4]

這四種選線原理是使用較多的選線方式,是利用小電流接地系統單相接地故障的特點來實現選線的。實際運用中主要受CT不平衡電流、系統運行方式、線路長短不一、接地電阻的影響、有功分量太小（一般只占到零序電流的2%～3%）、相角比誤差、暫態過渡過程和暫態電流等因素的影響而難以保證準確性[4]。

2.4.3 信號法選線

采用信號注入法導致選線不準確的主要原因是：

（1）裝置向高壓系統中所能“注入”的信號能量有限,電流太小,與電力系統的大電流相比顯得微不足道,實際上變電站的諧波干擾信號比它大的多。

（2）受供電系統的大小,線路的多少、長短以及母線段運行方式的變化等多種條件制約；

（3）受故障點接地電阻的影響,當故障為高電阻接地時,流過故障線路的信號電流很微弱,其他非故障線路若較長時,反而比故障線路的電流信號還要強許多倍；

（4）電能損耗很大,在使用過程中造成電壓互感器溫度升高發熱,電度表計量誤差和容易引起其他保護裝置誤動.且這種頻率的電流在系統中是有害的,對電能的質量會產生影響。

基于上面分析，所以，很多使用過該類型裝置的，現在都已經放棄了，又在尋求新的解決方法。

2.4.4 人工智能選線

將故障后系統各處零序電流的幅值相位組合起來,可以認作是對應于此類故障的一個模式，這樣就把故障選線問題轉變為一種故障電流模式識別問題，即Bayes決策[3]。但由于要求每個系統都需要有大量的故障電流數據構成模式信息，這在實際運行工況中是很難滿足的。

2.5 裝置現場反映的問題

主要有以下幾點：

（1）硬件電路設計上存在的先天不足。可能裝置投運的最初一段時間，判斷準確率很高，運行一段時間后，會因為由于硬件電路故障導致不準確了。

（2）小電流接地選線裝置未作為繼電保護裝置對待。不論是從設計、制造、工藝還是從應用上講，小電流選線裝置一直被認為是一個檢測裝置，由于它的運行好壞不直接對系統的安全運行造成影響，因此未引起足夠的重視。

（3）接線錯誤。接線錯誤包括張冠李戴和極性錯誤二種，從現場的情況來看，往往會出現零序回路不對應、回路未接入、零序不平衡電流過大、極性不對等現象。

（4）架空線出線。很多變電站采用架空線出線，無法安裝零序電流互感器，只能采用三相電流互感器合成零序電流。由于電流互感器的誤差及各線路的電流互感器變比可能不一致，使選線準確率大大降低，這是基于零序電流選線原理的裝置無法克服的缺陷。

2.6 零序CT的影響

2.6.1 零序電流互感器誤差分析

小電流接地系統中所使用的零序電流互感器原方繞組僅有一匝，原方電流里激磁流占的比例較大，故造成的誤差亦大。在正常運行時原方基本無電流,出現接地故障時原方電流（故障電流）也很小，一般在10 A以下。因為系統接地故障電流大于10 A，要裝設消弧線圈進行補償，而帶有消弧線圈系統接地故障電流更小，一般小于2～5 A（可小于0.2～0.5 A）。在這樣小的原方電流下常規零序電流互感器的變比和相角誤差均很大，所以一般各互感器廠家對零序電流互感器均不能給出變比，也無誤差保證指標。從零序電流互感器的實際一、二次電流變化曲線（變比曲線）中可知：零序電流互感器的電流變比值隨一次電流值變化很大，而一次電流小于1 A時，已經不能給出具體的二次電流輸出值了。

經實際測量，在原方零序電流為5 A以下時，各廠家生產的零序電流互感器，帶上規定的二次負荷后，變比誤差達20%～80%，角誤差達100～500，使得利用零序電流大小與方向、零序電流中5次諧波電流大小與方向和零序有功、無功功率原理的接地檢測裝置和徽機保護無法保證選線的準確率。

2.6.2 零序濾序器的誤差

現實際使用的零序濾序器大多為三相保護用電流互感器的組合，即用三相保護電流合成零序電流。但零序濾序器本身固有的不平衡輸出使其采集的零序電流準確性較低，而且一般保護用電流互感器在一次電流低于50%額定電流值時誤差已不能保證。隨著系統容量的增大并考慮到電流互感器飽和的因素，保護所使用的電流互感器的變比逐漸增大，其額定一次電流值多大于400～600 A，因此在接地電容電流小于10 A的小電流接地系統使用零序濾序器，單相接地電容電流僅為保護用互感器一次額定電流0.4%～0.6%，可見互感器綜合誤差根本無法保證。

2.6.3 微機檢測裝置的測量誤差

典型的微機選檢裝置的電流變換器均按普通保護級選擇，額定電流為5 A或1 A，其線性范圍為0.120 In，而實際使用中的輸入電流在幾十毫安左右，遠超出它的線性范圍。以In=5 A為例，當系統取最大接地電容電流10 A，零序電流互感器或零序濾序器取較小值60（3005）時，二次側的電流值為0.16 A；當接地電容電流值為2 A時，二次側的電流值為0.03 A，二次側電流值均小于0.1In（0.5 A），超出了電流變換器的測量線性范圍，這必然要影響到選線的準確性。

3 難點與尚需解決的問題

小電流接地系統單相接地故障的檢測與正確選線主要存在以下困難和問題：

（1）信號微弱。這主要是系統故障時易受到各種干擾的影響，同時故障條件、運行方式不同，信號特征也大不一樣，已經應用的一些方法都存在著一定的缺陷，無法適應復雜多變的故障情況；

（2）現場實際故障狀態的復雜性，可能是理想的金屬接地或穩定電阻接地，也可能是沒有規則的非線性電阻接地故障或電弧故障；

（3）現場各種干擾使檢測出的故障成分信噪比非常低，可用信號不能被有效提取出來；

（4）很多裝置在故障發生后只利用幾個周波數據進行一次選線，增大了誤選的可能性；

（5）盡管目前有多種選線方法，但任何一種選線方法都很難對所有的故障狀態作出正確判定，特別是僅利用一種方法進行選線是不充分的，也是難以保證選線準確性的。

4 提高選線準確率的措施

為提高故障選線的準確率，現場應盡量使參數配合合理，減少測量環節的誤差，保證零序電流、電壓接線的正確。

4.1 零序CT的選擇

（1）盡量選擇準確度高的專用零序電流互感器。額定原方電流的選擇應保證系統在出現最大接地電容電流時能處在零序電流互感器的線性范圍內（準確限值），原方電流的線性測量范圍應向下延伸到0.2 A左右，以便能適應經消弧線圈接地的小電流接地系統。

（2）零序濾序器應盡量使用變比較小的計量級（最好為S級）電流互感器組合而成，因較小的變比可使電容電流的二次值較大，有利于檢測裝置的電流變換器采集電流值，S級電流互感器的測量精度線性范圍更寬，有利于測量較小的電容電流。最不宜的是與計量系統合用同一電流互感器線圈。

（3）微機檢測裝置的電流變換器的線性測量范圍應與互感器的二次輸出值配套。因為零序電流互感器的二次側電流一般為mA級，所以電流變換器的線性測量范圍應以mA級起步。

4.2 保證接線的正確性

（1）二次接線中盡量減少誤差和電磁干擾的影響，二次電纜采用屏蔽電纜為好，屏蔽層兩端應可靠接地。零序電流互感器與母線之間不應有接地點，即高壓電纜外皮的接地線應穿過互感器在線路側接地，當電纜穿過零序電流互感器時，電纜頭的接地線應穿過互感器后接地，由電纜頭至穿過零序互感器的一段電纜金屬護層和接地線并對地絕緣。

（2）所有配出線的零序電流互感器一、二次極性要核對正確。無論采取何種零序電流互感器，引出的極性一定要絕對相同。

（3）最好在同一變電所采用同一種接線方式，如果在同一變電所或者同一條母線上既采用三相電流互感器的接線方式，又采用按裝專用零序電流互感器的接線方式，那么引出的極性一定要統一，否則選線裝置是不可能正確工作的。

（4）支撐零序電流互感器的鐵框架不應形成閉合框架，以免分散故障時的接地電流。

4.3 現場模擬試驗[4]

對帶方向元件的保護裝置，現場采用從零序電流互感器一次側加入A相電流，從PT開口三角端子處加入B、C相電壓（注意極性），逐個通電來檢驗其動作情況。對零序濾序器回路，則從電流互感器二次端子側加入動作電流來檢驗其動作情況。應當指出，些項試驗的動作電流值不是主要的，關鍵是檢驗加入方向元件的相角差是否正確。

5 故障選線發展展望[3]

現有的故障選線原理已經基本完備，只有新方法和新技術的應用才能更進一步提高小電流接地選線裝置工作的準確性。從發展方向看，有以下幾點值得關注：

（1）小電流接地系統單相接地故障暫態過程的研究工作有待深入和突破。更精確的故障數學模型也有待提出。在這些基礎研究未取得突破，未得到具有普遍意義的故障暫態特征的數學模型前[3]，利用現有的信號處理手段和分析方法，難以得到更好的故障選線方法和性能可靠的選線裝置。

（2）對于配電網運行中各種狀態下的故障情況還有待做大量的研究與仿真試驗。不能只考慮某些理想狀態下的情況，應當考慮到運行現場會出現不同運行方式的最不利情況下的各種因素，并且盡量減少其對選線的影響，這樣的選線方法才有實際意義，才能提高選線準確率和可靠性。

（3）目前，還處在初期發展階段的自適應繼電保護克服了同類型傳統繼電保護長期以來存在的困難和問題，能改善和優化保護的性能指標，若能用于選線裝置時，或許有著無與倫比的優越性。

（4）目前，我國大部分配電網線路只裝設兩相CT的架空線路，在這種情況下難以獲得零序電流，基于這種零序電流的選線方法易于失效，所以對只有兩相裝設CT的出線回路其適用的選線原理還有待進一步研究和完善。

（5）基于系統中“變電站綜合自動化保護裝置”的應用已經很普及，但大規模應用配電自動化技術進行單相接地故障的處理技術尚末成熟和完善，研究、開發獨立的帶有遠動或通信功能的小電流接地選線設備不失為一種很好的選擇。

（6）從現場運行經驗來看，小電流接地選線裝置，僅僅依靠一種原理實現百分之百正確選線是不可能的。只有根據系統的運行工況有機地將各種理論完美地結合起來，揚長避短，才能達到滿意的效果。實踐證明，任何一種單一判據的選線原理都有其局限性，只有將多種判據智能化集成在一起，發揮各種判據的優勢和互補特性，才能最大限度地提高選線的正確性和可靠性。

6 結語

綜上所述，影響小電流接地選線準確率的原因是多方面的，隨著科技的進步和研究的深入，這一長期困擾繼電保護界的難題終會獲得解決。而分析、總結正在運行和應用的現有裝置，將會給理論研究提供思路，為徹底、完美地解決這一難題提供有益的經驗。相信在不久的將來，終究會圓滿地解決這一世界難題。

[1]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理［M］.北京:中國電力出版社，1994.

[2]任建文等.中性點不接地電網中單相接地保護的相對原理[J].電力自動化設備，1994，3(8)：15-17.

[3]馬珂.中性點非直接接地系統故障選線原理的發展與展望[J].繼電器，2003，5(31)：65-70.

[4]盧英昭.中國電機工程學會城市供電專業委員會學會年會論文集[C].1996，58-61.