小電流接地系統單相接地故障處理技術及其進展

杜嚴行

(國網寧東供電公司，寧夏 銀川 750411)

配電網運行環境惡劣，配電網線路常常由于惡劣天氣(大風、雷雨、大霧、沙塵等)、設備老化絕緣降低、異物干擾、外力破壞、鳥類筑巢、維護不力等諸多因素導致單相接地發生，據不完全統計，配電網85%以上的故障均來源于單相接地故障[1]。配電網單相接地故障頻繁發生，尤其是小電流接地系統發生單相接地故障一直困擾著電網運行人員，甚至有人認為它是一個世界性難題[2]。為了更好地促進小電流接地系統單相接地故障處理技術的發展及工程應用，同時反映在配電網單相接地故障處理技術方面的研究成果及應用狀況，本文比較全面論述了小電流接地系統單相接地故障處理技術，結合當前最新發展，闡述并探討了新技術，指出了今后的發展方向。

1 單相接地故障涉及問題及快速處理必要性

小電流接地系統發生單相接地的最大特征就是故障電流相對較小，一般小于負荷電流，而且三相電壓依然對稱，不影響對用戶負荷的持續供電；由于小電流接地方式具有良好的高供電可靠性(電網調度控制規程規定可持續運行1～2 h)，此種中性點接地方式在我國配電網被廣泛采用。單相接地故障過程復雜，按照過程變化狀態有穩態過程、暫態過程；按照接地時長分有永久性接地、間歇性接地、瞬時接地；按照接地介質可分為金屬性接地、弧光接地、高阻接地等。單相接地主要涉及消弧、選線、故障定位、人身觸電保護、故障快速隔離、過電壓抑制等問題，圖1給出單相接地故障“問題六邊形”。配電網發生單相接地時，雖可持續供電一段時間，但是接地期間危害巨大，主要表現在：一是非故障相對地電壓將會升高至線電壓，對設備絕緣構成威脅，尤其對電纜連接頭、中間頭等薄弱環節影響明顯，輕則造成擊穿爆炸，重則發展成相間短路造成線路跳閘；二是對于電容電流較大的配電網絡，接地時會出現電弧時燃時滅的不穩定狀態導致電磁能量的強烈振蕩，引起間歇性電弧接地過電壓[3],也容易發展成相間故障，同時過程中一旦激發諧振，可能燒毀電壓互感器，重則引發大面積停電[4]，因此采用技術手段快速處理單相接地故障顯得十分必要。目前國家電網有限公司對于配電網單相接地故障處理提出“瞬時性故障可靠熄弧，永久性故障快速隔離”處理方針，其本質也突出了快速處理的核心思想。

圖1 單相接地故障“問題六邊形”

2 單相接地故障處理技術

2.1 “人工拉路選線”處理技術

目前，人工“拉路選線”在處理配電網單相接地故障方面仍在繼續使用，而且是處理單相接地故障的主要手段[5]。當母線發生單相接地時，一般按照如下方法及順序進行處理。①電氣分割法，根據運行方式將電網分割為電氣上互不相連的幾部分。②停空載線路和電容器組。③試拉線路長、分支多、負荷輕、歷史事故多且不重要的線路。④試拉分支少、負荷重的線路，最后通知重要用戶，停用戶線路；在緊急情況下，重要用戶來不及通知，可先試拉線路，事后通知客戶服務中心。⑤對于雙母線的變電站，重要用戶的線路不能停電時，可采用倒換母線的方法來尋找。如果進行上述處理后，接地仍不消失，其主要原因是多條線路同相接地；母線設備接地；主變壓器低壓側設備接地。

實際上，為了進一步提高故障處理效率，一般調控人員在處理單相接地故障時，會參照事先制定的《小電流接地系統單相接地選線順序表》進行逐一拉路選線，遇到非故障線路拉路后隨即恢復供電，直至選出接地線路。《小電流接地系統單相接地選線順序表》是營銷部門、設備運維部門、調度部門綜合考慮了用戶意見、負荷性質等因素而制定的。

人工“拉路選線”具有簡單、直接、便捷的處理特點，但技術手段單一。根據配電網運行經驗，“拉路選線”存在以下問題或造成如下影響。①拉路時會造成非故障線路短時停電，會引起具有“高、精、尖”特征的用戶產品報廢、精密儀器損壞、信息丟失、生產線停產等嚴重后果[5-6]。②由于配電網用戶眾多，即使通知用戶前提下，還是存在用戶投訴等現象，影響供電企業品牌形象及服務宗旨，同時人工查找修復故障耗時較長，人力物力耗費大。③調控值班員“拉路”后，由于設備健康水平、存在缺陷等種種原因，自動化系統可能會發出“控制回路斷線信號”，一旦發出此信號，此時無法遙控轉運行，從而造成整條配電線路長時間停電；即使正常拉路恢復站內斷路器后，此過程相當于給線路充電，沖擊電流可能造成線路分段斷路器分閘，最終還會造成后段線路處于較長時間停電狀態。鑒于以上問題，在“以客戶為中心”服務理念、“人民電業為人民”的服務宗旨及高供電可靠性發展趨勢下，顯然人工“拉路選線”處理單相接地故障技術已經不適應當前配電網供電發展的需求及對接地故障處理的要求，迫切需要解決小電流接地系統單相接地故障處理問題。

2.2 利用接地選線裝置自動選線技術

該技術的基本原理是在變電站高壓配電網母線側安裝專門的小電流接地選線裝置，出線側配置零序TA，當配電網線路發生單相接地故障時，小電流接地選線裝置利用判別算法檢測故障信息，一般情況下只發出單相接地故障信號，不會跳閘；選出接地線路后由調控值班員通知運維人員查線排除故障。理論上講，若小電流接地選線裝置能100%準確選出接地線路，那么采用此項技術處理單相接地故障準確率也是100%，而且具有對用戶不停電的特點。

當前接地選線技術的發展主要集中在單相接地故障檢測方法研究上[7-12]。基于單相接地時故障的穩態、暫態信號特征，選線算法可分為穩態選線法、暫態選線法，隨著先進技術的發展，近些年來又出現了綜合選線法[13]等，穩態選線法主要有：零序電流幅值比較法、零序電流方向法、諧波法、零序電流有功方向法、負序電流法、注入信號法；暫態信號法主要有：暫態零模電流幅值與極性比較法、暫態零模電流方向法、暫態行波法、小波法、暫態能量法等。受接地方式及單相接地故障類型的影響，各種選線技術均具有各自特點。表1給出了不同選線算法的適用范圍及特點，就應用效果而言，暫態法選線效果優于穩態法。

表1 不同選線技術對比

利用選線技術處理單相接地故障只能選出接地故障線路，對具體故障點不能進行精確定位，相比“人工拉路”技術，選線技術在故障處理快速性、縮小停電范圍、減輕運維人員工作強度方面具有優越性，但需要解決工程安裝及后期維護等成本。配電網線路單相接地故障形式及過程復雜，現階段應用的接地選線技術工程應用效果不是很理想，主要存在以下幾個方面的問題。①由于行業缺乏相應的檢測規程及有關運維規范標準，導致市場上選線裝置生產廠家參差不齊，產品質量難以得到有效保障。②零序TA選型、極性錯誤，電纜屏蔽線未穿過零序TA等安裝調試過程中存在的問題。③供電部門對選線裝置重視程度及運維管理缺乏重視性，以至于選線裝置成為了變電站“設備擺設”。文獻[14]指出小電流接地故障選線問題目前從技術上已經得到了解決,中電阻法與暫態法的故障選線成功率能達到90%甚至95%以上，能滿足現場實際要求，但仍有許多工作要做。文獻[15]指出高阻接地故障選線是今后要研究的問題。文獻[16]提出了一種基于相電流突變量的配電網單相接地故障區段定位方法，該方法原理簡單，只需測量電流，對通信要求低，穩態過程及暫態過程都能準確定位。

2.3 利用故障指示器選線及故障定位技術

該技術的基本原理是在配電網線路適當位置裝設大量故障指示器[17]，有現場固定型和“二遙”遠傳型，遠傳型有外施信號型故障指示器、暫態錄波型故障指示器。遠傳型故障指示器檢測接地故障信號上傳匯集單元，匯集單元再與配電網自動化主站實現通信將檢測結果送至主站供值班調控員判斷，實現單相接地故障的選線與定位。圖2給出了一種外施信號型故障指示器的故障定位系統。理想狀況下，若檢測準確就可實現精確定位(見圖2)。

圖2 外施信號型故障指示器故障定位系統

故障指示器安裝數量巨大，對于弧光接地不能進行消弧，也不能抑制過電壓，但可以做到單相接地故障處理不拉路不停電。對于該技術，目前大多研究主要集中在檢測方法及裝置可靠性方面。實際工程應用中還是存在以下問題：故障指示器動作可靠性有待進一步提高；故障指示器單相接地故障檢測準確性不高；故障指示器供電不穩定。

2.4 基于調度主站/選線裝置+終端的處理技術

目前站內配電網出線斷路器調管范圍屬于主網，配電網線路發生單相接地故障，調度主站也會識別到，該技術的基本原理就是應用調度主站或選線裝置或配電網線路終端檢測感知單相接地故障，然后進行接地線路的選線。

文獻[18]提出了一種依靠配電網自動化開關的饋線單相接地故障區段定位和隔離方法，實質上就是測控故障量并實現通信進行判斷，從而進行故障判斷和區段定位。鑒于調度機構SCADA應用已經成熟，文獻[19]提出了基于主網調度SCADA系統的穩態零序電流選線方法，該技術方案一是無需在變電站側裝設專門的選線裝置，二是無需對變電站中性點進行改造，只將線路零序電流接入調度端主站SCADA系統就可進行選線，對于中性點不接地系統，通過比較零序電流幅值識別故障線路與非故障線路；對于中性點經消弧線圈接地，首先斷開零序電流幅值最大的線路，而后比較零序電流幅值變化量識別故障線路，只需要一次拉路停電即可。

該技術充分利用了調度主站SCADA系統功能，具有簡單易用、投資較少、維護簡單的特點。但是該技術基于穩態零序電流量進行識別，因此只適用于永久性接地故障；其二只能進行選線，不能進行故障定位。

2.5 基于“DAS主站+終端+故障指示器”處理技術

該技術原理是依靠配電網自動化主站、饋線終端、故障指示器檢測信號進行單相接地故障處理，是配電網自動化主站、終端及故障指示器功能的有機結合和利用，是一項系統工程技術(見圖3)。

關于此項技術發展，文獻[20]結合目前配電網自動化建設，充分利用配電網自動化系統(DAS)、終端、故障指示器，提出了基于單相接地故障錄波暫態量故障特征提取方法和融合故障錄波故障特征量和故障事件信息的單相接地故障區段定位策略，也提出了整體系統的分層(主站層、通信網絡層、設備層)設計方案，分層方案如圖3所示。文獻[21]利用配電網自動化系統及終端，提出了暫態功率方向定位方法和暫態電流相似性定位方法。主要方法是利用暫態功率方向大致估計故障所在區段，利用暫態電流相似性原理確定具體的位置。文獻[22]提出了一種將單相接地定位裝置的信息直接上報配電網自動化主站進行單相接地定位的方法，該方法無需改變已有配電網自動化系統主站,也無需傳送波形信息,即能正確實現單相接地定位。文獻[23]論述了基于配電網自動化系統的配電網單相接地故障定位技術在福建龍巖電網中的應用，選線準確率可達100%，故障定位雖比傳統方法好，但是仍未理想，特別是針對高阻接地情況準確性差。從技術原理分析及目前應用效果看，“DAS主站+終端+故障指示器”處理單相接地技術可以進行選線、故障定位，但是對消弧、防止過電壓方面作用甚微。文獻[24]針對現有集中式小電流接地故障定位方法參與環節多，不同廠家的產品之間不易配合等問題，提出了基于配電網自動化系統的分布式小電流接地故障定位方法。為了避免配電網系統線路故障時出現指示信號不全無法為配電網自動化主站判斷與定位故障提供可靠依據的情況，文獻[25]提出了DAS的容錯定位方法。

圖3 基于分層結構的單相接地故障定位系統框架

2.6 單相接地故障測距定位技術

對于一條配電網線路若能夠進行單相接地故障點的測距，那么也能提高查找故障和處理故障的效率，理論上講，配電網線路單相接地故障測距也是單相接地故障處理的一種技術方案。文獻[26]提出了利用一套高采樣率的電流互感器和一套常規的電壓互感器實現多饋線系統選線和測距，經過仿真驗證了發生單相接地故障時，該方法能夠正確選出故障線路并且準確地測得故障點的位置，且不受過渡電阻和系統運行方式的影響，但是在分支較多的配電網，由于信號噪聲問題，行波識別比較困難。文獻[27]提出了一種基于廣域同步信息的故障測距新方法，通過算法求出唯一一個最大橫向故障電流從而確定實際故障距離。

實際上，目前比較經典的故障測距方法有阻抗分析測距法、行波測距法。制約阻抗法在配電網中應用的因素其一是主要由于配電網線路分支多，參數很難準確化，其二是配電網線路發生單相接地時故障電流小，因此阻抗法很難實際應用。行波法受配電網參數與接地點過渡電阻影響較小，相比阻抗法具有實用化應用的可能，但是采用行波法進行配電網故障測距對配電網終端硬件采樣頻率配置要求較高，這也是目前沒有采取故障測距技術進行配電網定位的制約因素所在。文獻[14]指出配電網行波測距目前主要停留在理論探討與試驗階段，還沒有獲得實際應用。

2.7 “自愈開關+繼電保護”處理技術

Q/GDW 10370—2016 《配電網技術導則》中已經明確規定：中性點不接地或經消弧線圈接地系統發生單相接地故障后，線路開關宜在延時一段時間(最短約10 s，級差3 s)后動作于跳閘，以躲過瞬時接地故障；中國南方電網有限責任公司也對配電網運行規程進行了修改，要求快速就近隔離永久性小電流接地故障,以消除事故擴大風險,進一步提高供電安全性與可靠性。這些都是中國配電網運行及管理方面的一次重大變革。鑒于當前自愈開關的應用及配電網繼電保護技術重視程度的提高，“自愈開關+繼電保護”技術成為配電網單相接地故障處理的一種方案。按照導則規定，根據單相接地故障處理要求，對于主干線或分支可合理配置配電網繼電保護，對于用戶分支，可配置分界開關，進而有效隔離界內單相接地故障。建設面向供電質量的配電網繼電保護今后還有許多工作要做。文獻[28]研究提出了一種小電流接地系統接地故障基于繼電保護技術的“保護拉路法”，提高了接地故障判斷速度和成功率。

3 新技術

3.1 加裝智能配電網接地裝置/轉移接地設備處理技術

長期以來，配電網故障處理研究焦點多關注如何采取先進算法提高單相接地選線正確性及故障定位，而較少關注如何及時可靠地熄滅電弧以避免故障擴大，有效抑制單相接地時產生的過電壓以更加安全的方式保持廣大用戶的持續供電等內容。實際電網運行中，單相接地時引起的熄弧難問題及過電壓造成的設備損害頻頻出現，尤其是接地點人身觸電傷害已經發展到了不容忽視的趨勢。事實上，選線和定位并非單相接地故障處理的全部內容。

針對配電網單相接地故障的6個問題，文獻[29-30]提出了一種智能接地配電網系統并論述了其關鍵技術，可以說是配電網單相接地故障處理的“完美”技術，其核心技術原理就是在變電站中通過斷路器方式安裝智能配電網接地裝置，裝置如圖4所示。圖5給出了裝置處理單相接地故障流程。該裝置采用了“軟開關”技術，能夠減少短接故障母線的沖擊電流以及誤選相引起的兩相短路電流，并能夠在誤選相時進行糾正性操作。從理論技術層面講，智能配電網接地裝置實現并滿足了“瞬時性故障可靠熄弧，永久性故障快速隔離”的基本要求。文獻[31]論述了智能接地裝置的參數設計，文獻[32]對轉移接地設備工程應用的安全性進行了分析，文獻[33]“靈活”或“智能”接地裝置在提高高阻接地故障判斷準確率方面有一定的改善，該裝置在國網漯河試驗基地進行了試驗，平均選線準確率可達到92%。

圖4 某型智能配電網接地系統組成簡圖

圖5 智能配電網接地系統處理單相接地故障流程

3.2 FA自愈技術

饋線自動化技術(FA技術)原理是依靠終端對出線進行數據采集和監控，執行相應控制策略，及時準確定位故障區段，自動或手動，迅速隔離接地故障區段并恢復全區段正常供電。該技術方案可以有效提高故障處理速度，減少人工巡線查找及保障人員安全。目前有基于重合器的饋線自動化技術方案和基于FTU的技術方案，基于饋線終端設備(FTU)技術方案又可分為遠方控制模式和分布式故障處理模式[34]，兩者均對自動化系統可靠性要求較高，理論上能夠實現故障的快速隔離與非故障區的恢復供電。實際上該FA技術方案就是一種配電網故障處理自愈技術，結合了通信技術、繼電保護技術、先進控制技術。

4 結論

單相接地故障是配電網常發故障，本文通過對當前電網中應用的單相接地故障處理技術發展進行了論述，得出結論如下。

a.小電流接地方式下配電網單相接地故障處理是一項系統工程，結合當下供電服務發展趨勢及電力市場發展，人工拉路選線已經不適合當下配電網供電運營發展要求。

b.若按照國家電網有限公司小電流接地系統單相接地故障處理方針要求，智能接地配電網系統是單相接地故障處理的一個有效手段。

c.單相接地故障處理技術實際應用過程中，應根據供電區域及供電可靠性要求、結合自身配電網實際，實行差異化方案選擇是趨勢，同時要綜合考慮可靠性、安全性、故障處理快速性、對供電質量的影響、建設成本、應用效果等因素科學選擇。

d.隨著通信技術、控制技術、智能化技術的飛速發展，FA自愈技術處理配電網單相接地故障是今后的一個發展趨勢。