配電網高阻接地故障檢測技術綜述

詹啟帆 李天友 蔡金錠

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網福建省電力有限公司，福州 350003）

配電網高阻接地故障檢測技術綜述

詹啟帆1李天友2蔡金錠1

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網福建省電力有限公司，福州 350003）

配電網發生高阻接地故障（HIF）時其電流變化量較小，因此故障檢測起來較為困難。本文闡述了高阻接地故障時線路的暫態和穩態特性，介紹了小電阻接地系統、中性點不接地系統以及消弧線圈接地系統的故障選線和定位技術以及各自的優缺點。采用多種方式協同的方法可以提高故障檢測的可靠性、靈敏性以及經濟性。

小電阻接地系統；中性點不接地系統；消弧線圈接地系統；高阻接地故障；故障選線；故障定位

新中國成立初期，我國配網普遍為中性點不接地方式，隨著電網不斷發展，我國逐漸采用中性點經消弧線圈接地方式。由于近年來電纜線路的大量投入使用，中性點經小電阻接地方式的使用逐漸增加。目前我國配網主要采取中性點不接地、經消弧線圈接地與經小電阻接地這3種接地方式，其中中性點不接地與經消弧線圈接地方式又可稱作為小電流接地方式[1]。

在配網中，高達80%的故障類型是單相接地故障，當架空線路與樹枝、水泥、沙土、動物等物質接觸，其接地電阻高達幾百歐 或者上千歐，成為高阻接地故障（HIF）[2]，占故障總數 5%左右。HIF過渡電阻較大，電流變化量較小，三相線電壓保持對稱，并且故障現象不穩定。若對地電容電流小于11.4A時，則接地電流可在過零點時熄滅；若對地電容電流大于 11.4A，則電弧會在過零點時熄滅，在峰值附近重新產生，造成間歇性電弧故障[3]。因此HIF檢測極度依賴于就地測試，測試成本較高并且受到故障點附近噪聲等不可預測因素的影響，使得 HIF的研究受到了很大限制[4]。若無法確定故障點，則線路長時間帶故障運行可能使故障點溫度過高，從而引發火災，造成電氣設備的永久損壞，并且接地點周圍跨步電壓可達到幾千伏，對接地點周圍人身安全造成威脅[5]。因此，當配電網發生接地故障的時候，必須及時選出故障線路，確定故障所在區段，迅速排除故障，以免對人生安全方面造成危害。本文主要介紹了幾種HIF情況下的故障選線和定位方法。

1 單相接地短路分析

由電路基本理論分析可知，發生單相接地故障后，電壓、電流包含隨時間逐漸衰弱的暫態分量和不隨時間變化的穩態分量。下文分穩態和暫態兩部分對HIF進行介紹。

1.1 穩態

通過對稱分量法和戴維南定理同時對線路進行分析[2]。當線路A相發生單相接地故障，故障電阻為Rf，將Rf等效成外電路，開路電壓為電源相電壓，忽略線路阻抗的情況下，對地容抗并聯值為

式中， CΣ= C1+ C2+ C3，其戴維南等效電路如圖1所示。

圖1 高阻接地故障穩態等效電路

圖1 中，Xc為戴維南等效阻抗；AU為故障點電壓；dI為故障點接地電流。根據等效電路圖可以分別求得AU、dI以及中性點電壓0U，即

通過對稱分量法的基本原理將線路的不平衡向量分解成3個獨立的對稱分量組之和，綜合單相接地線路電流電壓條件，得到單相接地故障復合序網圖如圖2所示。

圖2 單相接地故障序網圖

圖2 中，1Z為正序阻抗，2Z為負序阻抗，0Z為零序阻抗。Z1和Z2較Z0小得多，故忽略Z1和Z2可得接地電流dI表達式為

可以看出，戴維南等效電路和對稱分量法計算出的接地電流一樣。通過上式畫出三相電壓隨接地電阻變化的向量圖，如圖3所示。

圖3 中性點電壓偏移軌跡圖

圖3 中，虛線代表中性點電壓隨Rf變化軌跡線，隨Rf增大，中性點電壓沿著虛線逐漸向N點移動。當Rf較大時，中性點電壓偏移和故障相電壓變化都較小，因此HIF的電氣穩態量變化較不明顯，作為HIF判定的依據有一定的難度。

1.2 暫態

當消弧線圈為過補償時，接地點電流為感性，故障線路和非故障線路的電容性無功功率均從母線流向線路；當消弧線圈為欠補償時，故障線路的電容性無功功率為線路流向母線，非故障線路方向均為母線流向線路。因此，諧振接地系統發生接地故障，較難通過比較穩態零序電流方向進行故障選線。基于電感電流不會突變這一基本原理，可以通過暫態法對消弧線圈接地方式線路進行分析。

發生單相接地故障，當過渡電阻Rf較小時，消弧線圈阻抗遠大于線路分布電容，因此可以忽略消弧線圈在暫態過程中的作用。HIF時，不可以認為消弧線圈等效阻抗遠大于接地電阻阻抗，暫態過程可以看做是線路分布電容和消弧線圈并聯諧振，如圖4所示[6]。

圖4 高阻接地故障暫態等效電路

根據等效電路圖列出電路微分方程，求得其特征根為

根據故障接地等效電阻R的值（即3倍的Rf），將HIF分為欠阻尼、臨界阻尼以及過阻尼這3種情況。

1）欠阻尼

當

此時，特征根為兩個負數，流過故障點電流為

從流過故障點電流可以看出，過阻尼時 if主要成分為帶衰減的直流分量和工頻電流，Rf增大時，其工頻分量電流幅值減小，暫態直流分量的衰減因子減小。

2）欠阻尼

當

此時特征根是一對共軛復根，實部均為負數，此時流過故障點的電流為

從故障點電流可以看出，欠阻尼時故 if為振蕩性質，Rf增大導致振蕩頻率增大，同時B值降低，A1、A2絕對值也降低。因此Rf增大時，其工頻分量電流幅值減小，主諧振分量的幅值也減小，衰減因子減少。

2 國外關于配電網高阻接地保護研究

美國的德克薩斯農機大學最早開始了HIF的研究，在11年內一共進行了200次的HIF試驗[7]，只有35次能被常規線路保護所排除，可以看出常規保護無法有效地對HIF進行辨別。

由于不同接地介質等效電阻不一樣，所以故障電流也就不一樣。波蘭學者在12.5kV網絡上對不同接地介質進行短路測試，得到故障電流大小在 0～75A間，其結果見表1[8]。

表1 12.5 kV高阻接地故障典型電流值

從上述實驗能看出HIF時故障電流較小，通過傳統線路保護很難對HIF進行辨識。基于單相接地的故障相放電生成了高次諧波，相應地在Rf上生成分壓，故障相的相電壓上也相應產生了高次諧波這一基本原理，國外學者提出了以下諧波算法。

2.1 3次諧波算法

由仿真可知，在發生HIF時3次諧波的向量值的變化是惟一的并且可預測的，因此使得3次諧波可作為檢測HIF的可靠參數。文獻[9]中基于對諧波向量的變化進行測量，而不僅僅是對諧波幅值和相對位置進行測量，其中諧波的相位角的測量是相對于系統電壓，這是由于故障電流諧波是系統電壓的函數，而不是系統負載電流的函數。環境等引起的3次諧波變化可能大于HIF引起的3次諧波故障，因此在3次算法判定法中考慮到其他原因產生的諧波和故障產生的諧波差異，提高了故障選線的準確度。

2.2 偶次諧波算法

在電網中發生HIF時，大多會產生間歇性電弧現象，并且該電弧產生的故障電流波形在每個周期中均會產生不對稱的形狀。根據這一現象，基于故障電流歸一化偶次諧波功率變換的原理，可以根據偶次冪、偶次數比和偶次階增量方差準則進行故障檢測。文獻[10]中，對這 3種方法在HIF和正常開關事件時進行了比較，發現了偶數階增量方差標準較其余兩個標準可靠性較高。所以利用偶次階增量方差標準，將高阻抗故障與其余正常開關事件區分開。然而，不能由此指出偶次階增量方差準則較其他兩種方法較好，因為故障的性質和特性在不同系統中是廣泛地變換的。

2.3 基于卡爾曼濾波的方法

卡爾曼濾波算法基于將故障信號中基頻分量當做有效成分，將故障中低次諧波、高次諧波及逐漸衰減的非周期分量當做噪聲進行處理，對信號不斷“預測-修正-運算”，從而估算出最優的 50Hz電流和電壓相量[11]。HIF由于故障電弧的原因，基波和諧波分量的變化是不固定的，文獻[12]中利用該特征，采用卡爾曼濾波算法獲得基波變量和諧波變量隨時間變化的估計值，能夠有效地檢測出HIF。

上述基于諧波的線路故障檢測方法主要利用頻域故障特征，準確性受系統中的各次諧波含量的影響，HIF系統中的電壓電流諧波由于故障類型繁多相差甚大，較難給出一固定的閾值。

3 國內關于配電網高阻接地保護研究

3.1 小電阻接地系統高阻接地保護研究現狀

小電阻接地系統的單相接地故障保護，我國配電網一般采用階段式零序過流保護和零序功率方向保護，中性點一般通過小于 60Ω的電阻接地，使得接地電流在100～1000A[5]。對于10kV的配電系統，按零序電流的整定值為60A計算[13]，此時系統能檢測出的最大接地故障電阻為 86.2Ω，即故障電阻超過 86.2Ω時，保護將會拒動，當發生在線路末端故障時，能檢測出的故障電阻將更小。

針對小電阻接地系統能檢測到的故障電阻較低，文獻[14]提出了采用高精度的零序電流互感器；參考我國現階段小電流接地方式下采用線路暫態量信息進行選線的技術；利用變電站各種模擬量和開關信息量等方法來提高小電阻接地系統的耐高阻能力。文獻[15]根據線路零序電壓與零序電流、接地故障電阻Rf成正比這一基本原理，提出了電壓制動型零序電流保護裝置，保證了1000Ω左右的HIF可靠性動作。但對更高的故障電阻卻很難達到理想的效果。

3.2 中性點不接地系統高阻接地保護研究現狀

1）希爾伯特-黃變換

希爾伯特-黃變換主要分為經驗模態分解和Hilbert譜分析這兩部分。經驗模態分解（EMD）是基于傅里葉變換的分解法，將其分解成為有限個本征模函數（IMF），它在處理一些非線性信號上具有很高的信噪比，并且具有較強自適應性。文獻[16]通過構造中性點不接地系統仿真模型，得到不同故障點的零序電流數據樣本，利用 EMD對采集到的電流分解得到不同的IMF，采用區分度最大的IMF作為特征量，再與故障定位裝置計算得到的故障點IMF分量進行相關性分析從而得出故障點。該方法較直接使用零序電流作為特征量的定位結果進行了比較，定位精度在 100m以內，有著較高的定位精度。文獻[17]通過EMD分解得到代表高次諧波的固有模態函數，從而得到具有單調變換特性的“殘差”。通過殘差計算出接地故障的接地阻抗，從而計算出故障距離。文獻[18]考慮了電網中分布式電源的接入，基于故障相電流和非故障相電流總和大小相等這一基本特性，利用希爾伯特-黃變換提取出線路上的非工頻零序分量，再根據數字陷波器提取出的各電流的5次諧波分量。通過求取出的能量權重系數，選擇權重系數最大的線路，若其5次諧波分量極性與其他線路相反時，則判定該線路為 HIF，可實現最高500Ω的高阻故障選線。采用經驗模態分解法的的特征量暫態零序電流較易獲取，成本較低，有著很好的使用價值。

2）阻抗測距算法

阻抗測距算法目前普遍采用解微分方程算法，傳統解微分算法假設保護安裝處零序電流和故障處零序電流沒有相角差，從而將誤差放大了 3Rf倍。當輸電線路發生低阻接地故障時Rf≈0，傳統的解微分算法誤差較小，可以滿足測距要求，并且該方法使用簡單，實時性好，受電網頻率的波動影響較小。HIF時Rf較大，測距算法產生的誤差較大。文獻[19]基于傳統解微分算法，提出一種中性點不接地系統的改進測距新算法，消除了傳統的解微分算法中Rf對測距結果所造成的影響，提高了測距精度，發生HIF時也有著較高的精確度。但該方法在求解過程中較為復雜，需要求解復雜的非線性方程組，并且較難消除偽根的影響。文獻[20]基于參數識別的阻抗測距算法，采用電感代替故障點后的線路，通過對故障測距方程的準確推導，提出了一種具有3個未知數的解方程測距算法。該算法在線路末端故障時測距尤其準確，并且不存在超越問題，但該方法僅適用于中、短距離的輸電系統。文獻[21]中采用正序和零序網絡阻抗兩種解微分方程算法進行同時測距，達到了消除偽根的辦法，為阻抗測距定位算法提供一種新思路。文獻[22]通過零序網絡構建了分布參數模型，將帶有零序特征量和故障點距離的雙曲函數Taylor展開為低階的方程。使用最小二乘法消除線路分布參數的影響，得到的測距結果有著較高的精度，并且消除了過渡電阻的影響。但由于HIF時系統穩態電流微弱，并且故障電弧不穩定，較難采集到穩定的信號，故阻抗測距法在實際應用中較為困難。

3）小波變換法

小波變換是窗口大小不變但形狀可以更改的時域局部變換，能對不同頻率成分采用精細的采樣步長，針對信號任意細節，能夠檢測出奇異點[23]。文獻[24]根據小波變換，利用故障相電流和零序電流經過小波變換后得到的模極大值的極性、位置以及個數的比較形成判定的第一種依據。再采用最小二乘法提取故障后首個周期的暫態諧波分量，計算各諧波之和同基波的比值從而能夠實現HIF選線。文獻[25]基于故障線路和非故障線路暫態零序電流幅值之和相同這一基本原理，通過濾波器獲取信號的低頻分量和高頻分量，計算各線路的小波能量，從而放大故障特性。設定合理的閾值，將高頻分量的的能量和閾值進行比較，若高頻能量大于閾值，則判定為故障時刻發生在電壓過峰值附近，則采用高頻能量進行判定；若高頻能量小于閾值，則判定為故障時刻為電壓過零點附近，則應當采用低頻能量進行判定。選取小波能量最大的線路和其余線路進行比較，若該線路能量大于其余所有線路能量和，則判定為該線路故障，反之則為母線故障。該方法在EMTP仿真軟件下可以對不同故障時刻、消弧線圈不同補償度、低阻、HIF下能夠準確選線。由于小波變換的特性，智能選取固定小波基和分解尺度，只能達到局部的效果，不具備自適應信號分析能力，并且目前對小波基的選取尚無確切的準則。

4）行波法

行波法主要包括單端法和雙端法，如今配網中分支點較多，所以雙端法在實際中較少應用。單端注入法就是在中性點不接地系統線路初始端注入檢測信號，文獻[26]基于故障發生點距離和行波傳遞時間成線性關系這一理論依據，通過三相同時注入脈沖信號來檢測行波的突變量，消除配網正常運行時由于三相不平衡而造成的定位誤差，再通過使用高頻分量返回首端的時間進行故障點定位。其中行波到達的時間和波速度的選取是一一對應的關系，采用小波變換法或者閾值法進行行波的判別，在接地電阻小于10kΩ的情況下有著較高的定位精度。行波法在使用過程中受系統參數、線路不對稱性以及系統運行方式等因素影響較小，并且無需巡線，有著較快的定位速度[27]。但在實際線路中，由于電纜與架空線路的混合使用，電纜區段的線路參數隨著頻率的變化較架空線路大使得行波的波頭產生了較大的畸變以及電纜與架空線路連接處的波阻抗不連續所造成的行波在傳輸過程中發生了反射[28]，導線阻抗引起損耗、導線對地電導造成的損耗、電暈造成的損耗等原因會導致行波在線路傳播過程中造成損耗和變形，上述眾多因素導致了行波波頭識別困難。此外，由于注入脈沖信號寬度存造成一定的近區定位死區，并且噪聲的存在會影響到高頻返回信號到達時刻的判別，從而影響測距精度，所以使用行波法進行HIF的定位還有較多問題尚待解決。

3.3 諧振接地系統高阻接地保護研究現狀

1）注入法

文獻[29]基于注入信號法的控制與保護，系統運行時往消弧線圈互感器注入零序恒流信號，測量其諧振頻率，計算線路對地電容電流。由于HIF中性點電壓偏移較小，通過從零序電壓互感器注入諧振信號，計算Rf，對HIF進行辨別。若為HIF，則比較位移電壓和故障相電壓的大小。若位移電壓小于故障相電壓，則將諧振頻率恒流信號通過消弧線圈電壓互感器向系統注入；若位移電壓大于故障相電壓，則將諧振頻率恒流信號通過故障相電壓互感器注入，觀察各出線的零序信號功角、阻尼率。根據HIF線路阻尼率顯著增大這一基本原理，從而達到選線的目的。但 TV容量大小會對注入法影響較大，故障點發生間歇性電弧會導致注入的信號在線路中斷斷續續，對結果造成影響[30]。另外，采用注入法還需要額外注入信號以及專門的檢測設備[31]。

2）神經網絡法

HIF特征較不明顯，為提高選線正確率，也有部分方法引入人工智能的方法融合多種特征量進行選線，以人工神經網絡方法最為成熟，該方法通過樣本訓練得到可區分高阻接地故障和正常運行狀態的神經網絡，達到 HIF檢測的目的。文獻[32]通過采樣故障發生時刻后3個周波的三相電流以及零序電流，經過小波變換后計算各個頻帶的標準差（STD）作為神經網絡輸入樣本，從而達到故障選線的目的。文獻[33]在諧振接地系統中，通過采取故障前 1/4周期的暫態零序電流信號和故障后 3/4周期的暫態零序電流信號，經過 EMD分解后得到的特征固有模態量作為輸入樣本進行神經網絡訓練，實現故障選線。神經網絡法缺點是，只有采用大量樣本進行神經網絡的訓練時準確性才較高。然而在實際應用中，訓練神經網絡的樣本的數目是十分有限的，且樣本的選取沒有確定標準。

3）暫態電流投影法

目前配電網自動化系統一般無法獲取三相電壓或零序電壓，只能獲取線路上監測點的電流信號，并且FTU的時間誤差在10ms左右。基于上述故障區段定位的限制，文獻[34]提出一種通過計算檢測點暫態電流在母線暫態電壓上投影的方法進行故障區段定位。基于同步測量單元將零序電壓、零序電流帶上時間標簽，通過通信網絡上報給主站，為接地故障定位提供了新思路。根據母線電壓和故障點下游檢測點暫態電流正交與故障點上游檢測點電流成正比這一基本原理，將故障線路上各檢測點最大特征值的一半設為閾值。計算各檢測點暫態電流在暫態電壓上的投影分量特征值，當相鄰檢測點的投影分量特征值差大于閾值，判定故障區段為這兩個檢測點之間；若所有檢測點投影分量特征值小于該閾值，判定為最末端檢測點之后為故障區段。該方法能采集到豐富的故障信息資源，不受線路類型以及過渡電阻的影響，計算量小，能夠在短時間內選出故障區段。但由于電網關于TV/TA的極性安裝方面沒有明確的要求，使得實際配網中TV/TA出現大量極性反接的現象，因此在暫態電流極性特性的使用上還存在著一個關鍵性問題[35]。

4 結論

一些正常的電網操作例如負荷的變動會使得電流發生波動；并聯電容器會使得電流中諧波含量發生很大的變化；整流器等電力電子元件會在線路上產生偶次諧波等。如何正確地辨別HIF和上述電網操作也是具有一定的難度。同時，利用線路上的檢測點對各線路進行監測的同時還應當考慮到線路上各檢測點的設定以及相應的維修費用[36]。在實際HIF檢測中，應當考慮到理論與實際應用的相結合，對HIF產生原因以及故障的發展趨勢進行分析，特別是實際工程中弧光接地對暫態、穩態特性的影響。

在上述提出的方法中，由于HIF信號微弱，并且受到HIF類型種類繁多、線路運行方式、線路周圍環境等因素的影響，并沒有一種方法可以 100%準確地檢測出故障。其次，對接地故障微弱信息的采集是故障檢測準確的基礎，通過引進一些現代信號處理新技術如S變換、希爾伯特—黃變換、卡爾曼濾波、Prony算法、小波分析等，可以提高對采集到的HIF信息提取能力[37]。最后，由于各種選線定位方法選用的特征量不同，故其都有各自的使用范圍以及一定的定位死區[38]。通過深入研究每種故障檢測方法的優缺點，選擇具有優缺點互補的幾種方案，采用多判據融合技術可以提高HIF選線定位的準確率[39]。考慮到實際線路小電阻接地方式不斷擴張、分布式電源不斷接入、架空線路與電纜線路混合使用、線路中電流互感器 TA極性接反等各方面問題，HIF檢測應當綜合考慮的問題越來越多，需對各個方面的影響展開研究。

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The Review of High Impedance Fault Detecting Technology of Distribution Network

Zhan Qifan1Li Tianyou2Cai Jinding1
(1. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116；2. State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350003)

The current variation of distribution network is small when high impedance fault happens, which makes fault detection a difficulty. In this paper, transient and steady state properties of lines in high impedance fault were expounded, the fault line selection and fault location technology of small resistance grounding system, neutral ungrounded system, and resonant grounded system were introduced, including their advantages and disadvantages. A variety of ways working together may raise the reliability, sensitivity and economy of fault detection.

small resistance grounding system; neutral ungrounded system; resonant grounded system; high impedance fault; fault line selection; fault location

詹啟帆（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向為配電網故障檢測技術。