配電網(wǎng)接地故障檢測和定位技術研究

尹麗 王同強 沈繼鵬 石景志

1遼寧省國家新型原材料基地建設工程中心

2大慶油田工程有限公司

大慶油田共有十多個采油廠，上百座變電站，上千條6 kV和10 kV線路對采油設備進行供電。線路結(jié)構(gòu)復雜，供電距離遠，分支繁多，部分線路通過聯(lián)絡開關進行互連，供電方式多變。大慶油田配電網(wǎng)主要采用中性點不接地運行方式和架空導線型式。架空線路單相接地類型故障較多，這種故障不形成回路，電網(wǎng)保護裝置不啟動保護動作，人工查找接地故障非常困難，一般采用人工拉閘的方法確定接地故障位置，查找故障效率低、時間長。經(jīng)研究，對單相接地故障情況下的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)電流電壓特性均已取得較明確的認識，接地故障檢測技術也取得了一些突破，但實際的現(xiàn)場應用受現(xiàn)場環(huán)境和檢測技術局限性的影響，應用效果還有待提高。要達到較好的接地故障檢測和定位效果，目前還沒有一個簡單的手段能使接地故障檢測和定位系統(tǒng)通過下達一個簡單的定值就能夠準確判斷，需要綜合單相接地多種故障特性數(shù)據(jù)來判斷故障點位置[1]。

1 單相接地故障特征

1.1 單相接地后的穩(wěn)態(tài)信號特征

（1）零序電流特征。中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障以后，故障線路的零序電流是所有非故障線路對地電容電流之和，其方向從線路指向母線。非故障線路流過的零序電流僅僅是該線路本身對地電容電流方向從母線指向線路[2]。

（2）零序電壓特征。中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障以后，接地相的相電壓降低，非接地相的相電壓和零序電壓抬高。相電壓和零序電壓隨接地電阻的大小變化，相電壓在零電位到線電壓之間變化，零序電壓在零電位到相電壓之間變化。

（3）零序電流與零序電壓的相位關系。中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障以后，由于線路雜散電容電流占主要成分，零序電流超前零序電壓接近90°，零序電壓與零序電流分別對時間求導的導數(shù)相位相反。

1.2 單相接地后的暫態(tài)信號特征

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，其暫態(tài)過程具有豐富的故障特征量，并且這些特征量受系統(tǒng)參數(shù)、接地方式、負荷電流等因素的影響很小。

（1）暫態(tài)零序電流的方向特征。非故障線路與故障線路的暫態(tài)零序電流方向相反（消弧線圈影響可以忽略），母線接地故障時，所有線路的暫態(tài)零序電流的方向都相同；故障線路的暫態(tài)零序電流與暫態(tài)零序電壓的突變方向相反。

（2）暫態(tài)零序電流的幅值特征。暫態(tài)零序電流的幅值較穩(wěn)態(tài)零序電流的幅值大很多（一般為十幾倍），且持續(xù)時間短，約為0.5～1個周波；故障線路故障點前（靠近電源點）的暫態(tài)零序電流幅值較大；暫態(tài)接地電流值與接地瞬間相電壓相位、接地點的過渡電阻有關。

一般接地故障發(fā)生在相電壓對地正峰或負峰值附近，如果發(fā)生在相電壓過零附近，則特征不明顯。研究表明：接地故障暫態(tài)分量受接地電阻影響較大，高阻接地時暫態(tài)分量很小。長線路末端接地時，在線路始端監(jiān)測到的暫態(tài)電流波形與故障點附近有很大變化[3]。

2 配電網(wǎng)常用的接地故障檢測方法

國內(nèi)配電網(wǎng)架空線路主要采用中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地兩種運行方式。針對兩種不同的中性點接地方式，接地故障檢測方法也有所不同。

2.1 基于穩(wěn)態(tài)信號特征的檢測方法

該方法主要用于中性點不接地的架空線路。特別適用于正常運行時三相不平衡電流小、單相接地后零序電流增大明顯的線路場合，例如線路分支或者末端。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，變電站消弧線圈的感性電流基本上把線路雜散電容的容性電流消除了，導致單相接地后的零序電流偏小，不易判斷。

基于穩(wěn)態(tài)信號特征的接地故障檢測方法主要有信號注入法、零序電流幅值法、零序無功方向法、零序有功方向法、零序電流極性法、五次諧波法。

（1）信號注入法（中電阻智能投切法）。在變電站內(nèi)母線上或附近架空出線上安裝1 臺信號源，在線路發(fā)生接地故障以后，信號源監(jiān)測到零序電壓抬高，超過報警設定值，延時一段時間以后（主要是躲過瞬時性接地故障或暫態(tài)燃弧過程），有規(guī)律地投切信號源中的中電阻，發(fā)出50 A 以下帶特殊編碼的純阻性電流信號。該電流信號主要流過故障出線的故障相，經(jīng)接地故障點和大地流回信號源，而非故障出線、非故障相和故障點后面的線路信號較小。信號注入法適用于檢測中低阻永久性接地故障的檢測，對高阻接地、瞬時性和間歇性接地不適合。另外，信號源在接地后發(fā)出50 A 以下接地電流，會增加接地點的燃弧和跨步電壓，對配電系統(tǒng)和人身安全有威脅。信號源掛主網(wǎng)運行，也帶來了不安全因素。

（2）零序電流幅值法。直接比較零序電流的大小，理論上接地故障點處于零序電流較大的線路上。該法原理簡單，實施方便，但因沒有監(jiān)測零序電壓，不能判斷零序電流方向，當非故障線路和故障點后面線路的零序電流偏大時，容易引起誤報警。

（3）零序無功方向法。同時監(jiān)測零序電流和零序電壓，增加零序電流方向判斷。當中性點采用不接地時，零序電流容性電流偏大，采用零序無功方向法更準確；當中性點采用經(jīng)消弧線圈接地時，零序電流容性電流偏小，采用零序無功方向法不準確。另外，需要監(jiān)測零序電壓，現(xiàn)場實施困難。

（4）零序有功方向法。中性點不接地系統(tǒng)零序電流也包括有功分量，采用有功法也可以判斷零序電流方向，但中性點不接地系統(tǒng)零序電流有功分量偏小，較少使用。該方法適用于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，因為消弧線圈抵消大部分零序電流的無功分量；用于中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)時，因零序電流有功分量大，該方法最有效。但是一般零序電流中的有功分量偏小，難以識別。另外，需要監(jiān)測零序電壓，現(xiàn)場實施困難。

（5）零序電流極性法。對于非故障線路，零序電流都是流向母線的，方向一致。對于故障線路，故障點前的零序電流是流出母線，故障點后的零序電流是流向母線，方向不一致。該方法不需要零序電壓，提高了零序電流幅值法的準確性。但其需要GPS（全球定位系統(tǒng)）廣域同步和傳送大量錄波數(shù)據(jù)，運行功耗大，當線路負荷電流偏小時CT（電流互感器）供電困難。另外，也不適合零序電流小的中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

（6）五次諧波法。發(fā)生單相接地后，系統(tǒng)會產(chǎn)生很小的五次諧波電流，其中故障線路零序電流的五次諧波含量比非故障線路要大。該方法原理簡單，實施方便，但其信號太弱，容易受干擾，檢測不可靠，容易誤動作[4]。該方法要求線路干凈，諧波成分小，負荷小且波動小。

2.2 基于暫態(tài)信號特征的檢測方法

該方法適用于各種不同的中性點運行方式，其優(yōu)點是不受變電站內(nèi)消弧線圈的影響。主要包括暫態(tài)特征法和暫態(tài)錄波法。

2.2.1 暫態(tài)特征法

架空線路發(fā)生單相接地時，會出現(xiàn)多種復雜的暫態(tài)過程，例如故障相接地時刻的電壓突然下降、故障相接地時刻的電容放電電流突然增大、故障相穩(wěn)態(tài)電壓持續(xù)降低等[5]。同時滿足以下條件時，即可判斷該位置后面有單相接地故障：線路正常運行（有電流或電壓），超過一定時間；線路中有突然增大的雜散電容放電電流和突然較小（趨近于大地零電位）的雜散電容放電電壓，突變峰值和時間滿足設定的參數(shù)，并且突變方向相反；線路對地電壓降低，穩(wěn)態(tài)幅值和時間滿足設定的參數(shù)；線路依然處于有效供電（有電流）狀態(tài)，排除線路負荷投切和保護跳閘的干擾[6]。

暫態(tài)特征法原理簡單，實施方便，能檢測各種不同性質(zhì)的接地故障，準確度相對較高。其缺點是：受負荷波動的干擾；沒有檢測零序電流和零序電壓，接地電流方向的判斷還不夠可靠；暫態(tài)電流電壓信號容易受外部環(huán)境的干擾，特別是刮風、下雨、打雷、下雪天氣下容易誤啟動接地故障判據(jù)。

2.2.2 暫態(tài)錄波法

暫態(tài)錄波法是在暫態(tài)特征法的基礎上發(fā)展起來的，其目的是通過現(xiàn)場持續(xù)、同步采集三相電流信號，然后由主站合成零序電流波形，并對零序電流波形進行分析。配電網(wǎng)存在三相不平衡電流，采樣有誤差，合成后的零序電流波形還包含了負荷電流和三相不平衡電流，需要通過軟件算法（例如求導）來濾除工頻信號，提取波形中的高頻成分[7]。同時滿足以下條件時，即可判斷該位置后面有單相接地故障：線路正常運行（有電流或電壓），超過一定時間；合成零序電流波形的暫態(tài)峰值和時間滿足設定的參數(shù)，在現(xiàn)場條件允許時，主站需要判斷變電站內(nèi)零序電壓是否抬高，減少誤報；線路相對地電壓降低，幅值和時間滿足設定的參數(shù)；線路依然處于有效供電（有電流）狀態(tài)，避免線路負荷投切和保護跳閘的干擾。

暫態(tài)錄波法通過主站軟件分析合成零序電流波形，減少了負荷波動的干擾，能檢測各種不同性質(zhì)的接地故障，特別是提高了高阻接地的檢測能力。其缺點是：沒有檢測零序電壓，接地電流方向判斷不準確；暫態(tài)電流電壓信號容易受外部環(huán)境的干擾，特別是刮風、下雨、打雷、下雪天氣容易誤啟動接地故障判據(jù)[8]。

2.3 接地故障檢測新方法

2.3.1 比較零序電流波形的相似性

通過計算波形函數(shù)的相關系數(shù)，比較線路各點暫態(tài)零序電流波形的相似性，可實現(xiàn)故障定位。波形相關系數(shù)計算公式如下

式中：ρ為相關系數(shù)；i為波形函數(shù)；x y為兩個波形函數(shù)的標識；N為波形采樣點數(shù)，(256 點/20 ms)；k為采樣序列號。

線路發(fā)生故障以后，主站系統(tǒng)接收和計算線路上相鄰兩點故障檢測設備上報的暫態(tài)零序電流的相關系數(shù)ρ與兩個波形的相似程度成正比，二者完全一致時ρ=1；ρ為負值時，說明故障點在兩者之間；ρ為正數(shù)時，說明故障點不在兩點之間。

該方法的優(yōu)點是：適合各種中性點接地運行方式；不需要零序電壓，改進了零序電流幅值法、零序電流極性法、暫態(tài)特征法和暫態(tài)錄波法，提高了接地判斷的準確性。其缺點是：需要GPS廣域同步和傳送大量錄波數(shù)據(jù)，運行功耗大，當線路負荷電流偏小時CT供電困難，主站計算工作量大。

2.3.2 零序電壓傳導時域法

線路發(fā)生單相接地后，接地點變?yōu)榱阈螂妷涸矗砸欢ㄋ俣认蛑苓厒鲗В€路上不同地點的多個零序電壓監(jiān)測裝置由于安裝位置遠近不同，接收到零序電壓的時刻也不同。每臺終端將零序電壓數(shù)據(jù)上傳主站，主站結(jié)合線路拓撲圖，采用特定算法，快速確定接地故障所處位置。

該方法只適用于系統(tǒng)電壓干凈的線路，三相不平衡和諧波分量大時容易受干擾誤報，或者各臺裝置GPS時鐘不同步、零序電壓啟動不同步時也容易出現(xiàn)誤報和漏報。

2.3.3 廣域同步暫態(tài)錄波法

這是在暫態(tài)錄波法的基礎上發(fā)展起來的一種方法。采用GPS實現(xiàn)各點廣域同步，通過同步采樣三相電流并存儲一段時間的波形數(shù)據(jù)，并由主站合成各點同步的零序電流波形。接地故障分析方法與暫態(tài)錄波法基本相同。同時，實時監(jiān)測變電站內(nèi)零序電壓，當零序電壓抬高時，快速與線路上各點通信，同步取出之前已經(jīng)存儲的電流波形數(shù)據(jù)，相當于各點已經(jīng)通過零序電壓觸發(fā)了故障錄波[9]。

暫態(tài)錄波法采用本地小無線同步，對時精度30 μs左右。同步誤差引起零序電流（3I0=Ia+Ib+Ic）合成不準，且與相電流幅值成正比，無接地故障時三相合成零序電流3I0測量誤差大容易導致誤報，測量誤差超過接地故障3I0判斷閾值時則會錯判。廣域同步暫態(tài)錄波法采用GPS同步，對時精度提高到1 μs，提高了零序電流波形的合成精度。圖1是三種同步精度（1、30、78 μs）下的合成零序電流波形。

暫態(tài)錄波法的優(yōu)點是各點零序電流波形同步，可采用零序電流極性法來輔助判斷接地故障位置。其缺點是：需要GPS 廣域同步和傳送大量錄波數(shù)據(jù)，運行功耗大，當線路負荷電流偏小時CT 供電困難；當線路負荷電流大于2 A時才能啟動GPS同步對時和電流采樣，當線路負荷電流大于6 A時才能啟動與主站或邊緣計算智能網(wǎng)關通信。

3 暫態(tài)特征法在大慶油田的應用實踐

暫態(tài)特征法接地故障定位如圖2所示，當線路某處（假定k3 后面）發(fā)生接地故障時，安裝在接地故障電流通路上的故障指示器k、k1、k2、k3 都檢測到暫態(tài)接地電流超過了設定值，并與暫態(tài)電壓方向相反，線路對地穩(wěn)態(tài)電壓持續(xù)下降并超過設定值，則認為其后有接地故障發(fā)生，給出紅色機電翻牌和LED 閃爍指示，同時將報警信息發(fā)至數(shù)據(jù)采集通信終端，由通信終端通過2G、4G網(wǎng)絡上傳主站。主站軟件通過網(wǎng)絡拓撲分析算法，在配網(wǎng)單線圖上定位出故障點在k3 之后，然后對故障線路進行事故推屏、動態(tài)著色和聲音報警，并通過短信通知用戶，告知某變電站某出線某電線桿之間發(fā)生了接地故障[10]。隨著云主站和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，將來可實現(xiàn)手機APP推送、百度地圖導航等新應用功能。

圖1 零序電流波形Fig.1 Waveform of zero sequence current

圖2 暫態(tài)特征法定位故障區(qū)段Fig.2 Fault segment located by the transient characteristic method

大慶油田從2014 年開始使用此方法以確定故障位置，運行效果良好。短路、過流故障定位準確達到95%以上，永久性接地故障檢測準確率達到75%以上。配電網(wǎng)故障檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)故障檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of distribution network fault detection system

接地故障檢測參數(shù)設置如下：

（1）準備條件：對地電壓超過3 kV并持續(xù)30 s以上。

（2）暫態(tài)判據(jù)：暫態(tài)特征電流峰值大于30 A，與暫態(tài)特征電壓方向相反。

（3）穩(wěn)態(tài)判據(jù)：對地電壓下降比率大于30%，持續(xù)時間大于30 s。

（4）結(jié)束條件：線路總電流（包括負荷電流、接地電流）大于2 A。

通過完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合故障檢測方法，就可以確定故障的位置（圖4）。

在油田應用實踐過程中，對于金屬性接地故障檢測比較準確，準確率能夠達到95%以上，但對于高阻接地故障檢測效果不理想，因為高阻接地的接地電流可能只有幾毫安，檢測設備比較困難。如果提高檢測設備的靈敏度，降低判據(jù)閾值，那么有可能在出現(xiàn)瞬時接地時（如大樹瞬時刮碰架空裸導線）出現(xiàn)誤報，導致誤報率升高。這就出現(xiàn)了矛盾，需要在誤報率和漏報率之間權(quán)衡。

圖4 線路故障區(qū)域顯示Fig.4 Display of line fault area

由于故障檢測設備等電位安裝在架空導線上，線路對地電壓測量不準，導致瞬時性和間歇性接地故障也可能會給出誤報警。如條件允許可以在變電站母線PT（電壓互感器）監(jiān)控裝置處加裝接地事故總閉鎖裝置，將站內(nèi)零序電壓超限報警信號發(fā)送到故障定位主站，閉鎖接地誤報，將有效提高接地故障檢測準確率。

4 檢測技術的未來發(fā)展方向

隨著傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云主站、大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，為進一步提高配電網(wǎng)接地故障檢測的準確性提供了可能。電子式電壓電流傳感器將逐步替代電磁式零序電壓電流互感器，暫態(tài)電流電壓信號不再失真，并可方便地從配電網(wǎng)線路通過小型CT取電。

電子式電壓電流傳感器可以同步采集各點電流電壓，同步合成各點零序電流和零序電壓波形，采用電力系統(tǒng)原理更先進、技術更可靠的方法來分析和定位接地故障位置。其適用于10 kV 架空線路，是建設中壓配電網(wǎng)架空線路、絕緣子、避雷器和開關、變壓器等配電設備接入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

配電網(wǎng)接地故障檢測方法都是根據(jù)線路各點采樣到的電流電壓數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信號特征分析，結(jié)合不同方法的故障判據(jù)進行邏輯分析，首先就地判斷是否發(fā)生了接地故障，同時將電流電壓故障波形數(shù)據(jù)上傳主站，由主站計算分析，最后確定故障位置。未來配網(wǎng)線路綜合監(jiān)測方式能夠?qū)崿F(xiàn)配網(wǎng)線路實時數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、波形的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)分析，提高接地故障檢測的準確性，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云主站、大數(shù)據(jù)、智能AI 技術，逐步提高配電網(wǎng)供電可靠性，增強電力生產(chǎn)管理能力和運行水平。