小電流接地系統單相接地故障選線技術

朱世東（國網成都市新都供電公司，四川 成都 610045）

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小電流接地系統單相接地故障選線技術

朱世東（國網成都市新都供電公司，四川 成都 610045）

本文簡要分析小電流接地系統單相接地故障時的電路模型和故障特征；概述了現有的單相接地故障選線原理、方法及優缺點；基于當前小電流接地系統結構的復雜性，提出了當前選線技術研究的難點，因此對現有的選線技術和裝置進行融合改進是提高選線技術可靠度和精確度的重要研究方向之一。

小電流接地系統；單相接地故障；零序電流

引言

小電流接地系統包括中性點不接地、中性點經消弧線圈接地、中性點經高電阻接地系統。而在我國主要采用中性點不接地系統和中性點經消弧線圈接地系統。小電流接地系統具有持續性久和可靠性高的特點［1］。

隨著電網發展，饋線的不斷增多，線路電容電流也在不斷增大，且長時間帶故障運行會使得單相接地故障擴大，引起系統過電壓，甚至損壞設備，破壞運行，所以必須及時查出故障線路予以切除。

長期以來，小電流接地系統單相接地故障查找最常用的方法就是逐條拉路法。然而這種方法會造成非故障線路短時供電，嚴重影響供電可靠性；且對用戶造成了越來越大的損失。這迫切要求開發出可靠實用的選線技術。傳統選線裝置以故障時電氣量為判別依據，選出一條或幾條線路供調度參考，準確率低。隨著微機自動化系統在電力系統中的廣泛應用，選線方法更加多樣化，而如何利用現有的微機綜合自動化系統資源進行準確的選線是一個亟待解決的問題［2～3］。

1　電路模型與故障特征

1.1中性點不接地系統單相接地故障

圖1　中性點不接地系統單相接地故障模型

中性點不接地系統單相接地故障時電路模型如圖1所示。當在線路A相k點發生單相接地時，線路中零序電流流向如圖中虛線所示。壓電流矢量圖。結合圖1可以分析得到［4］：

圖2　中性點不接地系統金屬性單相接地電壓電流矢量圖

（1）發生單相金屬性接地時，故障相對地電壓降為0，而非故障相電壓升高為線電壓。系統出現零序電壓電流。

（2）非故障線路的零序電流大小等于本線路的接地電容電流，電容性無功功率的方向為由母線流向線路。

（3）故障線路零序電流Ik等于非故障線路零序電流之和，即是非故障線路的接地電容電流之和，其電容性無功功率的方向為由線路流向母線。

（4）非故障線路的零序電流超前零序電壓90°，而故障線路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線路的零序電流與非故障線路零序電流在相位上相差180°。

1.2中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障

圖3　中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障模型

中性點經消弧線圈接地系統中單相接地故障的電路模型如圖3所示，其零序電流量特征主要不同點如下：

（1）故障線路的零序電流Ik等于系統總電容電流減去消弧線圈補償電流IL的殘流。

（2）消弧線圈的電流也經過接地故障點和故障線路的故障相，但它不通過非故障線路。

當系統沒有消弧線圈補償，故障線路零序電流為所有非故障線路電容電流之和，其幅值較大，相位與非故障線路相反，故障特征明顯，對選線有積極作用，缺點是殘流較大，容易誤判。加上互感器采樣誤差等原因，使補償后的小電流接地系統單相接地故障選線更加困難［5］。

1.3中性點經大電阻接地系統單相接地故障

中性點經大電阻接地系統的單相接地故障電路模型如圖4所示，與中性點不接地系統的情況不同在于：接地電流中有較大的電阻分量，對諧振有明顯的阻尼和加速衰減作用；如電阻太大，就會影響供電的可靠性。

1.4小電流接地系統單相故障暫態特征

如圖5所示，為常用的分析小電流接地系統單相故障暫態量的等效電路圖，其中U0為零序電源電壓，C表示三相對地總電容，L0表示三相線路和變壓器等在零序回路中的等值電感，L表示消弧線圈的集中電感（對于；rL表示消弧線圈的電阻，R0表示零序回路中的等值電阻（L，rL的值可根據中性點接地情況取零值或無窮大）。

圖4　中性點經大電阻接地系統單相接地故障模型

圖5　小電流接地系統單相接地故障暫態分析模型

從等效暫態分析模型可以得到如下結論：

（1）當單相接地故障發生后，在故障點便有衰減很快的暫態電容電流和衰減較慢的暫態電感電流流過。暫態接地電流的幅值雖然很大，但是持續時間很短，約為0.5～1個工頻周期［6］。

（2）不論電網中性點為諧振接地或不接地方式，暫態接地電流的幅值和頻率均主要由暫態電容電流所確定，其幅值均和初始相角有關。

優缺點：小電流接地系統單相接地故障中暫態零序電流幅值大、檢測靈敏度高，但持續時間短，受電網結構和參數的影響很大，使其不能被有效的采集；而隨著微機保護在電力系統中的應用，這一缺陷能夠得到有效地克服［6］。

2　常用小電流接地系統線技術與局限性

2.1基于穩態分量的選線技術

2.1.1絕緣監測裝置

單相接地是常見故障，由于接地電流小，所以接地保護靈敏度較差。所以目前絕大多數變電站采用交流絕緣監視裝置對接地故障進行監測。但是對于通過過渡電阻發生不完全接地故障時，接地相對地電壓降低而為零，非接地相電壓升高但不為線電壓，此時絕緣監視裝置的靈敏度就大大降低。采用絕緣監測裝置的選線技術，值班人員依據報警電壓信號，需要采取傳統的逐條拉路法來選出接地線路，這也是其最大的缺陷。

2.1.2零序電流比幅法

在中性點不接地系統中發生單相接地故障時，線路故障零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。因此，故障線路的零序電流比非故障線路零序電流大很多。當系統進行倒閘操作或允許狀況發生變化時，電容電流分布也發生相應變化，故保護裝置的動作值難以整定。可見此法在理論上是不完備的［7］。

2.1.3零序電流方向法

在中性點不接地系統中，故障線路上的零序電流從線路流向母線，而非故障線路的零序電流方向是從母線流向線路。因此，根據零序電流的方向，可以判斷出故障線路。但是有時故障線路的零序電壓和零序電流均很小，很難判斷方向。

此類保護只適用于穩定金屬接地，而接地故障大多是間歇性或瞬時性弧光接地，難以準確判斷。

2.1.4五次諧波零序功率法

在經消弧線圈接地的電網中，由于消弧線圈對五次諧波分量呈現的阻抗較基波分量時增大到5倍，因此，消弧線圈已遠遠不能補償五次諧波的電容電流。5次諧波法可以消除消弧線圈的影響，但是由于故障電流中的5次諧波分量很小，檢測的靈敏度低。為提高靈敏度，可以將3、5、7次諧波分量的平方和進行幅值比較，但這從根本上解決不了檢測靈敏度低的問題。

2.1.5零序電流有功分量法

由于線路存在對地電導以及消弧線圈存在電阻，故障電流中就會含有有功分量。非故障線路消弧線圈產生的有功分量方向相同且都經過故障點返回，因此，可以利用故障線路有功分量比非故障線路有功分量大且方向相反的特點選出故障線路。但是由于非故障線路中有功分量比較小，而且受到線路參數的影響，使得其檢測靈敏度比較低，可靠性得不到有效的保障。

2.1.6注入信號法

注入信號法是在發生接地故障后，通過電壓互感器的中性點向接地線路注入特定頻率的電流信號，有注入信號流過的線路被選為故障線路。優點是不受消弧線圈的影響，不要求裝設零序電流互感器。其缺點是需要安裝信號注入設備。

2.2基于暫態分量的選線技術

2.2.1暫態零序功率法

發生單相接地故障，暫態電容電流很大，而經消弧線圈的暫態電感電流很小，可認為消弧線圈處于開路狀態。所以在同一電網中，不論中性點絕緣或是經消弧線圈接地，在相電壓接近于最大值時發生故障的瞬間，其過渡過程是近似相同的。

非故障線路暫態零序功率由線路流向母線。因此，故障線路有功比非故障線路大且方向相反，據此可選出故障線路。該原理比其他各類反映接地穩態量的原理靈敏度高，對單相接地反應迅速，電流互感器不平衡電流的影響仍然存在。

2.2.2暫態零序電流法

小電流接地系統單相接地故障大部分情況下是發生在電壓接近峰值時，產生很明顯的暫態過程，其電流主頻率是穩態電流的幾倍到幾十倍。暫態零序電流比較法具有簡單易于實現的優點，但從理論上分析并不是很嚴格，用于實際選線有可能出現誤判。

3　結論與展望

小電流接地的選線問題，是一個至今還不能做到選線完全準確的問題。由于被測電氣量單一，且幅值較小，常規方法存在各種各樣的選線盲點。所以，可以從以下幾個方面入手提高選線速度和精確度：

（1）將基于小電流接地系統單相故障的穩態分量和暫態分量原理的選線技術相結合，綜合各選線技術的優勢，提高選線技術的可靠度和精確性。

（2）提高選線裝置的精確度。隨著電力電子技術的發展和微機技術在電網中的應用，選線裝置的精確度也應該相應的提高，在應用傳統選線方法的同時，使故障選線更加精確。

（3）將現代的信號處理技術應用于小電流接地系統故障選線。可利用模糊理論、不確定性理論、神經網絡等方法，對電網進行建模，融合各種算法和特征，建立明確指標判斷故障線路。

小電流接地系統單相接地故障查找在實際運行中是一個重大的難點。現有理論研究已經有了一定的深度，但是如何將理論運用到實際的運行操作中，還有很長的一個過程。為了更好更快地提高小電流接地系統單相故障選線的精確度，從現有的方法和裝置進行融合改進是最為快捷有效的方法之一。

［1］郭清滔，吳 田.小電流接地系統故障選線方法綜述［J］.電力系統保護與控制，2010（2）：146～152.

［2］齊 鄭，楊以涵.中性點非有效接地系統單相接地選線技術分析［J］.電力系統自動化，2004，28（14）：1～5.

［3］徐丙垠，薛永端，李天友，等.小電流接地故障選線技術綜述［J］.電力設備，2005，6（4）：1～7.

［4］向小民，雷 雨.中性點不接地系統單相接地選線方法的研究［J］.四川電力技術，2008，30（6）：61～64.

［5］丁 磊.小電流接地系統單相接地選線與定位技術的研究［D］.山東大學，2005.

［6］李榮明.小電流接地系統單相接地故障選線［D］.重慶大學，2004.

［7］陳志亮，范春菊.基于5次諧波突變量的小電流接地系統選線［J］.電力系統及其自動化學報，2006，18（5）：37～41.

朱世東（1965-），男，工程師，本科，主要從事電力企業規劃、建設、運行及管理工作。

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2095-2066（2016）16-0053-03

2016-5-21