小電流接地系統選線與區段定位原理綜述

李廣，張學凱，李琦，井雨剛

（1.濟南供電公司，山東濟南250012；2.國網山東省電力公司，山東濟南250001；3.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002）

小電流接地系統選線與區段定位原理綜述

李廣1，張學凱2，李琦1，井雨剛3

（1.濟南供電公司，山東濟南250012；2.國網山東省電力公司，山東濟南250001；3.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002）

在我國，配電網中性點大多采用小電流接地方式，發生單相接地故障時，雖然允許帶故障運行一段時間，但由于非故障相電壓升高，使故障有發展擴大風險，因此仍需盡快選線、定位并隔離故障。由于諸多原因，單相接地故障快速準確選線問題尚未得到有效解決，區段定位難度更大。而如上述問題能成功解決，則可極大提高配網自動化水平，降低人力成本，提高供電可靠性。分析當前小電流接地選線及區段定位的研究現狀，將現有的選線定位原理歸納分類為外加信號法和故障信號法兩大類，并對各方法加以分析，提出了小電流接地未來的研究和建設重點。

小電流接地系統；選線；區段定位

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，社會對電力的需求更加迫切，對電能質量的要求也越來越高。目前，我國輸電網已發展為多電源環網結構運行，可靠性較高；城區諸多配電網仍為單電源輻射狀結構運行，可靠性仍待進一步提高，使得近年來智能電網中配電網自動化建設的要求愈發迫切，使之成為智能電網的重要研究內容。

目前，我國35 kV及以下的配電網大多采用中性點不直接接地的運行方式，即為小電流接地系統。在這種運行方式下，如果線路發生最常見的單相接地故障，可以允許帶故障繼續向負荷供電1～2 h［1］，以提高供電可靠性。但是，這種運行方式會造成非故障相電壓升高至線電壓水平，長期帶故障運行可能使之擴大為相間短路，影響電力系統安全。因此，盡早找出故障線路，進而定位并隔離故障區段，排除故障，對電力系統安全穩定運行有重要意義［2-5］。配電網發生單相接地故障時的選線問題一直是研究熱點，但由于配網結構日趨復雜、故障點的電流小等原因，單相接地故障快速準確選線問題一直未能圓滿解決，區段定位難度更大。實際應用的選線裝置往往存在選線錯誤的問題，在故障處理中仍需要人工拉路。

1 研究現狀

如果能夠實現單相接地故障的快速自動選線乃至區段定位，則可以有效提高配電網的自動化水平，大大降低故障巡線的難度，并能夠減少單相接地故障引發相間短路的概率，減少停電損失，提高供電可靠性。

目前針對配電網故障選線所提出的方法較多，而配網單相接地故障區段定位的研究相對較少。由于配網單相接地故障區段定位與選線高度相關，本文將它們的研究現狀一并介紹。不同的方法所利用的信號也各不相同，總的來說，可以把它們劃分為外加信號法及故障信號法兩類。其中，外加信號法又分為強注入法和弱注入法。故障信號法利用故障電氣量作為信號，又可分為利用故障穩態信號的方法和利用故障暫態信號的方法兩種類型。

2 外加信號法

2.1 拉路法

該方法利用接地故障線路拉閘后故障能夠消失的特點，選出故障線。該方法必然會造成對非故障線停電，且自動化程度低。文獻［2］希望通過拉路法的配合，實現單相接地故障的區段定位，但難以克服該方法的缺點。目前，小電流接地系統使用的各種選線裝置，其正確選線率仍然不夠高，選線結果不可靠，因此，各個供電單位依然會采用拉路法確定故障線路。

2.2 S注入法

“S注入法”屬于弱注入法，當配電網發生單相接地故障后，利用三相電壓互感器的中性點—大地回路，向系統耦合注入某特殊頻率（頻率fx一般取在各次諧波之間，使其不反應工頻分量及高次諧波，一般為225 Hz）的交流電流信號，該注入信號通過故障線路經接地點流經大地與三相電壓互感器中性點形成回路，在變電站開關柜后，利用信號檢測裝置對各條饋線逐一搜索，有注入信號流過的線路即為故障線路［3］。

該方法利用處于不工作狀態的接地相PT注入信號，只需利用原有電網設備，且對運行中的設備沒有任何不良影響。由于注入特殊信號，故電網的任何固有信號都不會對特殊信號的檢測產生影響。但是受到電壓互感器容量的限制，一般注入信號比較微弱，尤其在接地電阻較大或者故障點電弧間歇燃燒的情況下，選線可靠性不高。

針對故障點電弧燃燒不穩定的情況，文獻［4］給出了一種改進方法，即“直流開路、交流尋蹤”的方法。該方法首先通過故障后外加直流高壓使接地點保持擊穿狀態，然后加入交流檢測信號，通過尋蹤交流信號實現選線和故障定位。但這樣對于故障點的絕緣恢復不利。

2.3 注入變頻信號法

針對“S注入法”高阻接地時存在的問題，注入變頻信號可以較好的解決。其原理是根據故障后位移電壓大小不同，而選擇向消弧線圈電壓互感器副邊注入諧振頻率恒流信號還是向故障相電壓互感器副邊注入頻率為70 Hz恒流信號，然后監視各出線上注入信號產生的零序電流功角、阻尼率的變化，比較各出線阻尼率的大小，再計及受潮及絕緣老化等因素可得出選線判據。但當接地電阻較小時，信號電流大部分都經故障線路流通，導致非故障線路上的阻尼率較大［5］。該方法屬于強注入法。

文獻［6］提出了一種基于諧波注入的單相接地故障區段定位方法，該方法利用配網的電壓互感器向一次系統耦合信號來實現配電網單相接地故障的區段定位。文獻［7］在現有的基于注入諧波原理的自動選線裝置基礎上，開發了單相接地故障的區段定位功能。

2.4 殘流增量法

在中性點經消弧線圈接地系統中，可以用殘流增量法選線，理論依據：中性點諧振接地的電網發生單相接地故障后，通過將消弧線圈補償的失諧度調高，故障點的殘余電流將增大，所以故障線路上的零序電流也會增大。實現方法：在電網發生單相接地故障后，測量并記錄各條出線上的零序電流，之后改變消弧線圈的補償度，再測量并記錄各條出線上的零序電流；計算出消弧線圈改變補償度前后，各條出線上零序電流的變化量，變化最大的線路被選為故障線路［8］。該方法需要協調消弧線圈的調節和各條線路零序電流的測量分析，因此計算機快速處理及綜合分析技術對該方法的實用至關重要。該方法相當于利用消弧線圈向系統人為注入零序電流，因此屬于強注入法。該方法原理簡單，并且有較高的可靠性和靈敏度，不受電氣量測量設備的誤差影響，然而此方法需要增加專門的設備，由于運行、管理、場地等因素限制，有些情況下這些方法為運行部門所不能接受。

文獻［9］在故障發生后通過調節消弧線圈的補償度（即殘流增量法），并利用調節前后線路上多個饋線終端單元（FTU）測量到的零序電流變化量信息確定故障區段。并提出了單相經過渡電阻接地時，將零序電流按零序電壓進行折算的方法，從而解決了調節消弧線圈后零序電壓發生變化的問題。文獻［10］指出，針對中性點不接地系統，通過判斷線路不同地點零序電壓和零序電流之間的相位差，可以實現單相接地故障下的區段定位；而對于中性點經消弧線圈接地系統，則仍然采用殘流增量原理實現單相接地故障的區段定位。

3 故障信號法

故障信號法是利用小電流接地系統發生單相接地故障時產生的故障信號進行選線的方法，可分為利用故障穩態信號和暫態信號兩種方法。

3.1 故障穩態信號法

3.1.1 工頻零序電流比幅法

中性點不接地系統單相接地短路時，故障線路的零序電流在數值上等于所有非故障元件對地電容電流之和，因而故障線路零序電流的幅值大于各條健全線路零序電流，比較所有出線零序電流幅值的大小可以實現故障線路的判別。

這種方法在系統中某條配線很長時，可能會誤判，且對消弧線圈接地系統，其選線能力將會大大降低，另外，該原理在實際應用中，對線路長度、過渡電阻、系統運行方式、三相電流互感器不平衡等因素較為敏感，降低了選線的正確率。

文獻［11］是最早進行的配電網單相接地故障區段自動定位的研究，該文獻提出通過判別零序電流并結合恰當的時限可以實現區段定位，并給出了裝置實現。文獻［12-13］針對配電網線路單相接地故障，提出了一種基于區段零序電流有效值的區段定位方法。文獻［14］在分析穩態法、暫態法和注入信號電流法等方法的基礎上，提出一種基于零序電流的配電網單相接地故障區段定位與隔離方法。

3.1.2 工頻零序電流比相法

在中性點不接地系統發生單相接地故障時，健全線路的零序電流從母線流入到線路，而故障線路的零序電流從線路流出到母線，比較各條線路零序電流的相位（方向）即可選擇故障線路。

該方法原理簡單，但也存在明顯不足。對于較短的出線，其零序電流較小，容易受到“指針效應”的影響，相位計算誤差很大，造成無法正確選線，且耐受不平衡電流和過渡電阻的能力不強。該方法在消弧線圈接地系統中無效。

3.1.3 諧波分量法

由于故障點過渡電阻的非線性、消弧線圈以及變壓器鐵心磁化特性的非線性等因素的作用，使得電網的故障電流中存在著一定量的諧波信號，其中最主要的是5次諧波。消弧線圈的檔位（補償度）是按照補償基波電流確定的，基波下消弧線圈感抗和全網對地容抗的關系為，而對于5次諧波來說，消弧線圈感抗和全網對地容抗的關系為

可見，正常投入的消弧線圈在5次諧波下的補償效果僅相當于在基波下補償效果的1／25，可以忽略其影響［15］。

該方法正是利用5次諧波對于消弧線圈的補償可以忽略這一特點，構成與中性點不接地系統相類似的保護判據，即故障線路的5次諧波零序電流比非故障線路大并且方向相反。事實上，如果將線路中的若干高次諧波分量求取平方和，然后比較各線路的幅值，那么幅值最大的線路即為故障線路，這樣可將諧波分量更充分利用，進一步提高靈敏度。

該方法不受消弧線圈影響，但是故障電流中的5次諧波含量較小（<10%），檢測靈敏度低。多次諧波平方和法僅能夠部分地解決此問題，然而不能將它根本上克服。

3.1.4 零序電流有功分量法

由于線路的對地電導以及消弧線圈本身固有的電阻性質，所以故障電流中除了大量的無功分量，還含有一定的有功分量。零序電流有功分量法即利用線路電流有功分量，根據故障線路有功分量比健全線路大而且方向相反的特征構成保護判據。具體選線裝置中，可利用零序電壓與零序電流計算并比較各線路流過的零序有功功率的方向來進行選線［16］。

該方法選取有功分量作為選線依據，因此不受補償無功分量的消弧線圈的影響。但在實際電網中，單相接地故障零序電流的有功分量非常小，無論幅值還是相角，測量誤差均較大，且考慮到線路實際三相參數不平衡，影響零序電流的分布，因此選線可靠性不高。要提高可靠性，關鍵在于增大有功分量，但人為增大有功分量，會同時增大故障點對地電流，易使故障點的絕緣進一步被破壞，故障發展擴大。

文獻［17］提出了采用具有測量和遠程通信功能的新型配電開關構成分布式饋線測控系統，并通過監測一條饋線上各開關處的各相電流、電壓，依據區段零序能量識別單相接地故障區段的故障定位和隔離方法。

3.1.5 零序導納法

該方法利用各條線路零序電壓和零序電流計算出的測量導納構成保護判據，即對于非故障線路，零序測量導納等于線路自身導納，電導和電納均為正數，位于復導納平面的第一象限；對于故障線路，零序測量導納等于所有健全線路零序導納與中性點消弧線圈零序導納加和的負數，位于復導納平面的第二、三象限（隨著消弧線圈補償的不同而變化）。兩者在復導納平面中的范圍存在明顯界限，據此作為保護判據［18］。該方法的原理本身具有很強的抗過渡電阻能力，但實際上，在較大的過渡電阻時，全網的零序電流和零序電壓均很小，影響測量導納的測量精度。該方法對于接地點伴隨不穩定間歇電弧的短路故障時幾乎失效。文獻［19］根據零序電流的幅值與相位在通信配合的情況下實現單相接地故障的區段定位。

3.1.6 負序電流法

在發生單相接地故障的小電流接地系統中，電源側的負序阻抗比線路和負荷側小得多，因此系統中的負序電流從故障點流出后，主要經故障線路流入電源側，只有很小一部分的負序電流在健全線路中流動。利用負序電流分布的這一特點構成保護判據［20］。

該方法抗過渡電阻能力強，并且具有較強的抗弧光接地能力。該方法缺點為在正常運行的系統中也可能存在較大的負序電流（如接入電網的各種電力電子器件的影響），而負序電流的測量方法比零序電流的測量復雜得多，且精度不高。

3.2 故障暫態信號法

3.2.1 首半波法

該方法基于故障發生在故障相電壓接近最大值附近這一假設條件，此時全網故障相對地電容突然通過故障線路對故障點放電，在這個非常短暫的過程中，對于突變的電氣量來說，消弧線圈阻抗很大，其中流入的電流可以忽略，相當于消弧線圈不起作用，因此故障發生瞬間，故障線路電流的首半波方向與健全線路相反［21］。

這種方法在理論上就存在局限性，因而只適用于電壓在峰值時發生接地故障的情況，如果在電壓零值附近發生接地，由于電壓沒有突變，暫態分量電流很小，在消弧線圈作用下將引起誤判。此外，首半波極性關系正確的時間非常短（遠小于暫態過程），且受線路結構和參數影響，檢測可靠性較低。

3.2.2 暫態特征頻段法

該方法研究了健全線路與故障線路入端零序阻抗的相頻特性，并根據相頻特性將頻率分為不同區段，定義了線路首容性特征頻帶（SFB）。在該頻帶內，各條線路流過的零序電流中，故障線路幅值最大，且故障線路零序電流的極性與其他健全線路相反，利用該頻帶內暫態零序電流的這一特征構成保護判據。這種方法不受消弧線圈影響，但在故障過程中（尤其是間歇性電弧接地）中，故障線和健全線的方向參量的區別不是時時存在（有可能同時為0）［22-23］。

文獻［24］利用故障暫態電壓、電流特征頻段內分量計算無功功率，根據故障點前后暫態無功功率方向的不同確定故障區段。并指出在故障信息不易獲取的檢測節點處，可以利用電磁場感應獲取故障暫態信息，即通過測量架空線路下方垂直地面方向電場獲取小電流接地故障暫態電壓信息，測量水平方向磁場獲取故障暫態電流信息。

3.2.3 相電流突變量法

文獻［25］提出了一種根據相電流突變量來定位配電網單相接地故障區段的新原理。經分析發現小電流接地系統在單相接地故障后，非故障線的三相電流突變量大小相等、波形一致，而故障線不具有該特征。據此提出故障區段定位方法，在各線路出口及分支處安裝接地故障檢測裝置，獨立測量比較各相電流突變量，即可識別出故障區段，結合網絡拓撲即可實現故障區段定位。該方法原理簡單，僅需測量電流，且具有自舉性。但該原理需要測量點裝設三相CT，且對CT的測量精度有一定要求，故仍有待配網升級改造，提供應用條件。

3.2.4 衰減直流分量法

該方法是針對接地故障發生在電壓過零時刻的一種暫態選線方法。該方法通過故障發生在過零時刻時，高頻暫態分量小（考慮到各種干擾，暫態選線方法可能失靈），而衰減直流分量較大的特點構成判據。對于非故障線路，流經的零序電流中僅含有暫態電容電流分量，不含有暫態電感電流，因而其衰減直流分量含量為零；而在故障線路中流過的零序電流，其重要成分為暫態電感電流，因而衰減直流分量很大，它通過故障線路和消弧線圈形成回路；對于母線故障，衰減直流分量直接流入消弧線圈，各線路上的衰減直流分量均很小［26］。

該方法在電壓過零時具有很高的靈敏度，而當電壓越是靠近峰值時，本方法的靈敏度降低。故本方法可以作為輔助判據，即故障發生在電壓峰值時可靠閉鎖。該方法與暫態量選線方法配合可以構成完善的故障選線方法。

3.2.5 小波分析法

小波分析是一種信號處理理論和方法，它的基本原理是把在時間及頻帶上都有限的小波函數作為基函數，對暫態信號可以進行分解分析；與正弦穩態信號分解相比，小波分析能夠更突出的反映暫態信號中的各個頻率成分在時間軸上變化的特征，特別是對暫態突變信號和微弱信號的變化較敏感。該方法選取適當的小波基函數及分解尺度，將瞬時電流信號進行變換，并提取次分量，通過比較故障線路和非故障線路中的暫態零序電流某分量的幅值和波形特征（與非故障線路相比，故障線路幅值最大、方向相反），實現故障選線［27］。由于小波基函數和分解尺度的選擇缺乏理論依據，使得該方法難以實際應用。

3.2.6 模型參數識別法

該方法避開了傳統的利用電氣量特征進行選線的方法，而是通過建立每條饋線外部故障時的數學模型，利用零序電壓、電流數據求解模型參數，根據得到的線路對地電容判斷實際發生的故障是否符合所建立的模型，從而進一步識別出故障線路［28］。

該方法暫態信號利用較充分，利用模型適用頻帶內豐富的故障信息實現參數識別；該方法避開了電氣量的比較，即避開了暫態過程中暫態量的諸多問題，轉而求解模型內的參數，這個參數是相對固定的，不隨過渡電阻大小等外部因素變化。

3.2.7 相關分析法

該方法選取特征頻帶內的暫態信號，并引入零序電流與零序電壓導數的相關性系數作為衡量零序功率方向的一種簡單可行的依據，通過各條線路相關性系數的比較實現選線。經簡單的理論推導易知，故障線路的相關性系數為-1，而非故障線路的相關性系數為1，兩者差異顯著，據此構成保護判據［29］。

3.2.8 其他人工智能方法

隨著人工智能理論的發展，出現了將模糊理論、Agent技術、人工神經網絡等引入到小電流接地選線定位中的研究。人工智能方法在理論上有較好效果，但需要進行大量訓練，目前來看，實用價值不高。

4 結語

小電流接地選線與區段定位原理的研究，多年來取得了大量的成果，但因為配網自身的復雜性，根據現有選線原理制造的選線裝置適應性還不夠強。為了實現單相接地故障的準確快速隔離，提高供電可靠性，認為未來的重點在以下幾方面。

1）根據現有各種原理的適用條件及特點，將多種原理合理組合，以提高準確性。

2）在現有選線及定位研究基礎上，進一步深入挖掘故障網絡和故障信息特征，結合恰當的數學工具，研究新的選線定位原理。

3）各地電網可根據自身配網情況，開展中性點經中電阻或小電阻接地的可行性研究及實踐，以實現單相接地故障快速跳閘。

4）有條件的地方可適當加大相關配網自動化設備的安裝投運，為更多選線定位原理的實際應用創造條件。

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Review of Line Selection and Section Location Principles in Small Current Grounding Systems

In China，small current grounding mode is usually adopted for the neutral points of distribution networks.When a single-phase earth fault occurs，it is allowed to keep on operating for some time with the fault，but the fault may expands because of the increaseing of the non-fault phase voltage.Therefore，the fault still needs to be selected，located and isolated.Due to many reasons，the problem of fast and accurate line selection for single-phase earth fault has not been solved effectively，and section location is more difficult.However，if the problems above could be solved successfully，distribution network automation level will be greatly raised，labor costs will be reduced，and power supply reliability will be improved.In this paper，by analyzing the current research status of line selection and section location，we classifie the line selection and section location principles into external signal methods and fault signal methods，analyze every method，and propose the key points of research and structure for small grounding systems in the future.

small current grounding system；line selection；section location

TM862

：B

：1007－9904（2014）04－0043－06

2014-03-12

李廣（1986—），男，主要從事電網繼電保護工作；

張學凱（1979—），男，高級工程師，主要從事電網變電技術管理工作；

李琦（1985—），男，主要從事電力市場及其運營工作。