配電網小電流接地方式下故障定位技術研究綜述*

王東芳，陶飛達，黃智鵬，朱 宵，李桂昌

（1.廣東電網有限責任公司河源供電局，廣東河源 517000；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510670）

0 引言

小電流接地系統有中性點不接地、經消弧線圈接地和經高阻抗接地3種方式[1]。在我國建國初期，效仿蘇聯在配網中主要采用的是中性點不接地和經消弧線圈接地方式；緊隨著電網的不斷發展，中性點經消弧線圈的優勢得以凸顯，部分中性點不接地方式漸漸被取代；而近年來隨著電纜在配電網中的應用愈發廣泛，中性點經小電阻接地的運行方式也逐漸被推廣[2-3]。但目前我國配電網中仍以不接地和經消弧線圈接地方式的應用最為普遍。

配電網中最常見的故障是單相接地故障，而小電流接地方式的最大優點就是：當配電網發生單相接地故障時，仍可帶電運行1～2 h，基本不影響對用戶的持續供電。但是若接地故障未被及時排除，長時間在故障狀態下繼續帶電運行會造成故障事態的進一步擴大，即可能由單相接地故障演變為相間短路故障，引發電力安全事故[4]。因此，研究配電網故障技術以快速定位故障發生點，對配電網的安全可靠運行意義重大。

故障定位廣義來說包含了兩方面，即故障選線和故障點精確定位。多年來，國內外學者針對故障選線和故障點精確定位做了很多研究，取得了很多成果，然而小電流接地方式下的故障定位仍存在準確率不理想的問題[5]。本文圍繞配電網小電流接地方式下的故障定位技術作了詳細的分類、歸納以及全方位比較，并闡述了目前配電網中故障指示器的應用情況，最后對提高故障定位準確率的技術思路以及該技術未來的發展趨勢作出了展望。

1 配電網故障定位現狀及難點

在配電網中，故障定位技術的發展更多是在理論層面，轉化為實用產品的并不多，目前在配電網中應用較多的產品是各種類型故障指示器。然而，這些故障指示器也存在一定的局限性，僅能做到故障線路的區段定位，仍舊避免不了人工巡線查找故障點位置[6]。參考文獻[7]對目前配電網故障定位技術實用化的進程中存在的主要問題作如下歸納：

（1）配電網結構復雜且線路分支眾多，適用于結構簡單的輸電網上的故障定位技術，應用到配電網中，達不到準確定位的效果；

（2）配電網復雜的結構也給故障研判裝置測量點的選取帶來困擾，測量點選取過少，無法依靠僅有的線路信息進行準確的故障定位，測量點選取過多，線路投入成本太高，缺乏經濟效益；

（3）目前配網的自動化水平不高，對線路信息采集和監測的信息數據有限，給故障的精準定位造成困難；

（4）配電網直接面向用戶，用戶類型、負荷情況復雜多變，不確定因素太多，增加了故障誤判的幾率；

（5）隨著分布式能源的大量接入，配電網結構和潮流分布愈發復雜，有許多意想不到的情況會對故障的判別造成嚴重干擾；

（6）當前一些故障采用的算法都是經過簡化或僅適用某些特定條件下的，在實際配網線路復雜環境下的應用效果并不理想。

2 小電流接地系統故障定位方法

下面對當前針對小電流接地系統發生故障所采用的主要定位方法分別進行介紹。

2.1 阻抗法

阻抗法的理論基礎是基于故障情況下的故障回路的阻抗與故障點和測量點之間的距離存在正比關系，計算出故障回路的阻抗值，根據阻抗值和線路的單位阻抗值間接計算出測量點到故障點的距離，進而實現故障定位[8]。

該方法原理和需要安裝的設備簡單，成本較低，可靠性較高，因而在輸電網中被廣泛應用。但是阻抗法的測距精度較低，且受系統運行方式、過渡電阻等因素的影響很大，尤其是對于距離短、分支多的配電線路，此法的誤差已不能滿足實用性的要求[9]，因此用阻抗法進行故障定位僅在線路結構簡單的配電網中適用。

2.2 信號注入法

信號注入法的基本原理是當系統發生單相接地故障時，利用信號注入裝置經電壓互感器向線路注入一個特定頻率的信號，通過檢測注入信號來實現故障選線和故障定位[10]。注入的信號在故障線路的接地點注入大地，用專用的信號探測裝置對每條線路進行探測，有注入信號的即為故障線路。選出故障線路后，采用手持檢測裝置利用二分法沿線路查找出故障點位置。雖然這種方式在一定程度上減輕了故障后的巡線任務，但仍不可避免的要進行人工巡線。

信號注入法不受消弧線圈的影響，實施起來簡單，實用性強。但是注入信號的強度受電壓互感器容量的限制，因此注入的信號不可以太強，然而也不能太弱，否則當出現高阻接地的線路故障時，由于線路分布電容、消弧線圈對信號的分流影響，導致信號檢測難度加大，進而對高阻接地的情況無法有效判別[11]。

2.3 零序電流比較法

根據故障發生后，檢測裝置檢測到故障點上、下游的零序電流在幅值和方向上不同，可以將零序電流比較法分為幅值比較法和相位比較法來進行故障定位[12]。

零序電流比較法方法簡單易實現，投資成本低，不過僅適用于中性點不接地系統，對于中性點經消弧線接地的情況并不適用。

目前很多研究著眼于暫態零序電流比較法，由于暫態零序電流幅值遠大于穩態零序電流，它可以不受中性點接地方式的影響[13]，原理和穩態零序電流比較法相似，只需將比較的穩態零序電流替換為暫態零序電流。暫態零序電流比較法的難點在于故障發生時刻對暫態零序電流的精準提取，隨著技術的發展，這一點也不再是難題，因而現在暫態電流比較法已被廣泛用到實際產品中去。

2.4 行波法

根據行波理論，當線路發生故障時，運行狀態的突變會導致暫態電壓和電流行波的產生，暫態行波信號以特定的速度向兩端傳播[14]，基于這一原理，行波法可通過對行波信號的檢測、分析、計算來實現故障定位。

行波法在結構簡單的輸電線路上已有較多應用，但對于配電網在應用上卻存在較多困難。行波裝置往往價格高昂，而配電網線路支線眾多，為了保證定位的準確性，分支線處均需安裝行波裝置，這樣就導致了線路成本大幅增加，因此行波法用于配網的案例現在并不多。

2.5 五次諧波法

在中性點不接地系統中，發生單相接地故障時，故障相線路的零序電流等于其他非故障相線路的零序電流之和，方向由線路指向母線。而在中性點經消弧線圈接地系統中，由于消弧線圈的補償作用，導致流經接地點的零序電流被大大減小，無法采用零序電流比較法準確判斷。但五次諧波含量不會被補償，因此可以利用五次諧波法進行故障定位[15]。五次諧波法雖然能在一定程度上減弱消弧線圈的影響，但由于五次諧波幅值較小，在實際應用中，諧波的提取和檢測難度較大，因而限制了五次諧波法在接地故障定位中的應用。

2.6 智能化算法

如今計算機技術的飛速發展使得智能化算法被越來越多的應用到配電網故障定位中，遺傳算法、蟻群算法、小波分析、粗糙集理論、神經網絡、模糊理論等為配電網故障定位的研究提供了多種可能性。

對于小電流接地系統，發生單相接地時，故障電流小，給故障特征信息的提取帶來了困難。引入智能化算法，可以很好地解決微弱特征信號的提取和判別上存在的困難。然而，基于智能化算法的故障定位方法多停留在理論、仿真的研究層面，轉化到實際產品應用上的并不多。

3 故障指示器在小電流接地系統的應用

故障指示器憑借較低的成本、簡單的安裝方式和不會對線路運行產生影響等的特點在國家電網和南方電網都有較廣的應用，尤其是近年來隨著電網自動化水平的不斷提高，故障發生時能夠快速進行故障自動定位被配網運行所重視，因而能夠實現這一功能的故障指示器被大量用于配網建設與改造，因此了解故障指示器對故障定位的研究大有益處。

3.1 故障指示器的分類

依據短路和接地的故障類型一般將故障指示器分為接地型短路故障指示器、短路型故障指示器、接地及短路二合一型故障指示器3類。按照應用對象又可分為架空線型、電纜型和面板型3類。按照通信方式可分為就地型和遠傳型2類。按工作原理還可分為暫態特征型、外施信號型和暫態錄波型3類[16]。隨著智能電網建設的不斷推進，遠傳型接地及短路二合一型越來越受到青睞。

3.2 故障指示器的應用情況

由于配電網中架空線路由于其所處的環境復雜，尤其是在偏遠山區，因樹障、雷擊、鳥害等導致線路故障頻發，因此適用于架空線路的故障指示器的應用場合會更多。目前在配電網中應用較廣泛的有兩種：外施信號型故障指示器和暫態錄波型故障指示器。

3.2.1 外施信號型遠傳故障指示器

架空外施信號型遠傳故障指示器的信號源裝置可實時監測母線電壓和中性點電壓。在故障發生時，可檢測到零序電壓裝置啟動與否的狀態，利用此時原邊短接，暫時不處于工作狀態的接地相PT向系統注入一個特征波信號，此特征波信號會沿著線路傳輸，一直到故障點位置接入短路回路（或接地回路），安裝的故障指示器收到信號后進行相應動作。值得注意，該信號在非故障相及非故障線路無法流通，僅在故障相線路、接地點和大地之間或短路點和短路相間形成通路[17]。

線路出現故障時，自故障點到信號注入點之間的所有故障指示器均發出告警信息，翻牌或閃光報警以及將告警信息遠傳至主站；而故障點之后的故障指示器均不動作，故以此來判斷故障線路區段，快速確定故障位置、查找具體故障點[18]。

外施信號型的故障指示器的安裝不會影響系統運行，不增加一次設備，無需在線路上安裝零序電流互感器，容易實施，且其運行不受消弧線圈的影響，可靠性高。但它對高阻接地故障的情況存在一定的缺點，注入的信號的強度被電壓互感器的容量所限制，當發生高阻接地故障時，線路上的分布電容會分流注入信號，影響故障點定位[19]。對于間歇性接地故障，線路中注入的信號不連續，給檢測造成很大困難。

3.2.2 暫態錄波型故障指示器

暫態錄波型故障指示器的工作原理為：分別對三相電流的數據進行采集，當發生單相接地故障時根據三相電流合成零序電流進行故障位置的判定[20]。其依據的原理實質是暫態零序電流比較法，捕捉故障發生時刻的零序電流，利用故障點前后零序電流的極性和大小的區別來實現故障的定位。傳統的暫態錄波型故障指示器，由于采樣頻率不夠、同步時間誤差高、啟動方式不可靠、無法有效識別高阻接地故障等原因而導致漏判、誤判率較高，在實際運行種的效果并不十分理想。但是隨著電子科學技術的發展，新型故障指示器憑借高精度的采樣和同步以及在故障研判算法的完善，使得包括高阻接地在內的疑難故障判定的準確率也不低于90%，正逐漸替代傳統的故障指示器。然而目前新型故障指示器相對于傳統故障指示器來說價格略高，使其在配網中的應用受到一定的限制，但憑借其良好的應用效果和技術成熟而帶來成本的降低，新型故障指示器必將被大量運用在配電網故障定位層面中。

外施信號型和暫態錄波型障指示器均有著各自的優點，因此在實際應用時，往往依據各用電部門所轄的網架結構、設備配置管理機制、自身地理環境等因素綜合考慮選用最適合故障指示器型號。

故障指示器在配電網的廣泛應用，縮短了停電時間，提高了供電可靠性，但是現有故障指示器只能實現區間故障定位，仍需電網工作人員現場巡線以排除故障。因此研制一種故障精確定位、減少巡線時間甚至無須現場巡線的裝置，對電網高效、可靠運行意義重大，也是未來故障定位研究和發展的方向。

4 故障定位技術發展趨勢

為改善配電網故障定位技術中存在的理論成果向實際轉化率不高、實用化產品類型匱乏、效果不理想的現狀，可以預見地加快智能故障精確定位的裝置開發與應用、降低經濟成本、提升產品效果，做到無需人工巡線即可準確定位故障點，進一步加深配電網自動化、智能化程度是未來發展的必然趨勢；而要想實現這些，故障定位技術從單一走向融合將是今后發展的重點，具體的可以體現在以下幾點。

（1）判據的融合。單一的判據方法會造成較高的錯判、漏判，采取多種定位方法的融合，采取多重判據綜合判斷，尤其是將暫態信號與穩態信號結合起來、取長補短，將是研究熱點；暫態信號故障特征明顯、持續時間短，穩態特征卻正好相反，兩者互補，有效增強故障選線定位的靈敏度和可靠性。

（2）產品的融合。故障指示器與安裝在線路的其他配電終端、智能化開關融合在一起，大力發展產品集約智能化提升設備利用率，減少線路的投入和運維成本。

（3）系統的融合。故障指示器系統將與地理信息系統（GIS）、管理信息系統（MIS）、綜合自動化系統等各自信息管理系統融合，除實現故障監測、定位外，還可以采集線路拓撲參數、繪制拓撲結構，實現全網監控；同時利用各個系統上送的數據，形成新的綜合數據庫，基于大數據分析技術實現故障預測和提前消缺以及故障后故障溯源和過程反演，全面提升運維效率。

5 結束語

本文針對當前配電網小電流接地系統下的單相接地故障定位技術，在闡述了配電網故障診斷背景和難點的基礎上，詳細介紹了阻抗法、信號注入法、零序電流比較法、行波法、五次諧波法以及智能化算法，對比分析了各自的原理、優缺點、適用范圍和實際應用情況；同時，對配電網故障定位技術中應用廣泛的2種故障指示器進行了介紹，指出了在應用中存在的問題，并預測了未來故障定位技術的發展趨勢，為小電流接地系統下故障定位技術的發展提供了參考的方向。