試析小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線研究

吳昌設(shè) 朱金鳳 陸千毅 臧怡寧

摘 要：小電流接地系統(tǒng)單相接地故障是電網(wǎng)常見故障之一，不僅會影響用戶的正常供電，而且可能產(chǎn)生過電壓，燒壞設(shè)備，甚至引起相間短路而擴大事故。本文從小電流系統(tǒng)單相接地特點入手，分析單相接地故障選線原理及其發(fā)展方向，以供參考。

關(guān)鍵詞：小電流接地系統(tǒng)；單相；接地故障；選線

隨著我國電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性要求越來越高。為避免接地故障對電網(wǎng)運行造成大的影響，目前我國中壓電網(wǎng)普遍采用小電流接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于發(fā)生單相接地后系統(tǒng)仍能正常供電，缺點是長期運行會損壞系統(tǒng)絕緣而導(dǎo)致多點接地出現(xiàn)相間短路而停電。因此，研究小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線及定位，對于查找接地線路故障，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性和可靠性有著十分重要的現(xiàn)實意義。

1 小電流系統(tǒng)單相接地故障分析

小電流接地選線裝置是電力行業(yè)使用的一種保護(hù)設(shè)備，主要適用于3KV-66KV中性點不接地或中性點經(jīng)電阻、消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地選線，用于電力系統(tǒng)的變電站、發(fā)電廠、水電站及大型廠礦企業(yè)的供電系統(tǒng)，能夠指示出發(fā)生單相接地故障的線路。小電流系統(tǒng)單相接地時故障線路的判定往往存在一定的困難，其主要原因：

一是電流信號太小。電流系統(tǒng)單相接地時產(chǎn)生的零序電流大小與系統(tǒng)規(guī)模大小和線路類型有關(guān)，數(shù)值很小。經(jīng)中性點接入消弧線圈補償后數(shù)值更小，且消弧線圈的補償狀態(tài)不同，接地基波電容電流的特點與無消弧線圈補償時相反或相同，對于有消弧線圈的小電流系統(tǒng)采用5次諧波電流或零序電流有功功率方向檢測，而5次諧波電流比零序電流又要小20-50倍。二是干擾大、信噪比小。小電流系統(tǒng)中的干擾主要包括兩方面：一是在變電站和發(fā)電廠的小電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)裝置的裝設(shè)地點，電磁干擾大；二是由于負(fù)荷電流不平衡造成的零序電流和諧波電流較大，特別是當(dāng)系統(tǒng)較小，對地電容電流較小時，接地回路的零序電流和諧波電流甚至小于非接地回路的對應(yīng)電流。三是隨機因素影響的不確定。我國配電網(wǎng)一般都是小電流系統(tǒng)，其運行方式改變頻繁，造成變電站出線的長度和數(shù)量頻繁改變，其電容電流和諧波電流也頻繁改變。此外，母線電壓水平的高低和負(fù)荷電流的大小總在不斷地變化，故障點的接地電阻不確定等，都會造成零序故障電容電流和零序諧波電流的不穩(wěn)定。四是電容電流波形的不穩(wěn)定。小電流系統(tǒng)的單相接地故障，常常是間歇性的不穩(wěn)定弧光接地，因而電容電流波形不穩(wěn)定，對應(yīng)的諧波電流大小隨時在變化。[1]

2 小電流系統(tǒng)單相接地故障選線原理

一是功率方向原理。通過檢測零序電流功率方向來完成選線功能；二是首半波原理。利用諧波電流的大小或方向構(gòu)成選擇性接地保護(hù)；三是群體比幅比相原理。即用兩種及以上的原理實施多重判據(jù)，減少受長短線、接地電阻的影響，增加可靠性和抗擾能力；四是注入法原理。利用原邊被短接時，人為地向系統(tǒng)注入一個特殊信號電流，通過檢測跟蹤該信號的通路來實現(xiàn)接地故障選線；五是注入變頻信號法原理。即根據(jù)故障后不同位移電壓的大小，監(jiān)視各出線上注入信號產(chǎn)生的零序電流功角、阻尼率的變化并比較大小，再計及線路絕緣老化或受潮等因素，綜合得出選線判據(jù)；六是能量法原理。即根據(jù)非故障的能量函數(shù)總是大于零，故障線路的能量函數(shù)總是小于零，消弧線圈的能量函數(shù)與非故障線路極性相同，并且故障線路的能量函數(shù)的絕對值等于其它線路的總和，根據(jù)這一特征提出方向判別和大小判別兩種接地選線方法；七是負(fù)序電流選線原理。即利用負(fù)序電流與零序電流比較進(jìn)行故障選線，由此構(gòu)成的保護(hù)裝置不僅不受弧光接地影響，而且抗過渡電阻能力強。這種比較式接地保護(hù)具有自適應(yīng)等優(yōu)點，但非故障線路負(fù)序電流很小，測量很困難，在實際保護(hù)配置中基本不使用；八是基于小波變換的接地選線原理。小波分析對暫態(tài)信號和微弱信號的變化較敏感，能十分可靠地提取出故障特征。小波變換的奇異性檢測及模極大值理論提出了實現(xiàn)故障啟動和選線方法。模式識別和多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用統(tǒng)計模式識別中基于最小錯誤的貝葉斯決策方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行小電流接地選線，它將故障后各線路零序電流看作某類故障的一個模式，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)來判斷故障模式從而實現(xiàn)故障選線。[2]

3 小電流系統(tǒng)單相接地故障選線研究發(fā)展方向

隨著技術(shù)的進(jìn)步，小電流系統(tǒng)單相接地故障選線系統(tǒng)的功能漸趨完善，接地故障選線的準(zhǔn)確性和可靠性也將得到極大的提高。

（1）向自適應(yīng)方向發(fā)展

隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，自適應(yīng)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，在電力行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛。自適應(yīng)繼電保護(hù)是計算機繼電保護(hù)發(fā)展的必然趨勢，也是自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的具體體現(xiàn)。其能夠克服傳統(tǒng)繼電保護(hù)長期難以解決的缺陷，改善和優(yōu)化繼電保護(hù)的性能指標(biāo)。目前，自適應(yīng)繼電保護(hù)仍處于初級階段，但其優(yōu)越性已經(jīng)被實踐所證明。

（2）向人工智能方向發(fā)展

現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，使人工智能技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍。目前，人工智能被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，電力系統(tǒng)也不例外。由于人工智能技術(shù)重在模擬人類處理問題的過程，具有一定的人的實際經(jīng)驗和一定的學(xué)習(xí)能力等特點，必將在小電流系統(tǒng)單相接地故障選線這一領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

（3）向信息融合方向發(fā)展

信息融合其實質(zhì)是采集并集成各種信息源。小電流系統(tǒng)單相接地故障選線所采用的信息多種多樣，而特征層的信息融合對應(yīng)故障特征的提取，小波變換是特征提取的常用方法。小波變換能適應(yīng)不同頻率分量信號的變化，可提供一種靈活可變的時間窗。故障信號中含有重要的暫態(tài)成分，故障線路的選擇可以根據(jù)此暫態(tài)信號的特征來實現(xiàn)。在繼電保護(hù)特別是故障分析中，小波變換有著廣闊的應(yīng)用前景。[3]

（4）向多判據(jù)方向發(fā)展

單一判據(jù)往往容易引起誤判，而判據(jù)綜合運用則能取長補短，相互融合，極大的提高小電流系統(tǒng)單相接地故障選線診斷的準(zhǔn)確性。粗糙集理論采用了多種診斷方法，把反映故障穩(wěn)態(tài)分量的判據(jù)、利用外加診斷信號的判據(jù)和暫態(tài)分量的判據(jù)等有機融合，綜合多種單一選線判據(jù)，采用有效域技術(shù)有效融合多種選線分析方法，使故障選線診斷范圍有效拓展，使綜合診斷成為一種發(fā)展趨勢。[4]

綜上所述，小電流接地系統(tǒng)一旦出現(xiàn)單相接地故障，必須及時找出接地線路及接地點。而小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線，能有效解決傳統(tǒng)的人工接地選線方式必須對正常供電線路停電操作的弊端。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)一步發(fā)展，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線模式和方法必將有新的發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖亮.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線研究[D].電子科技大學(xué)，2012.

[2] 陳奎，唐軼.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究[J].高電壓技術(shù)，2007，11：180-184.

[3] 于正華.10kV電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法的研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 高翔.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線與定位技術(shù)的研究[D].天津理工大學(xué)，2014.

作者簡介

吳昌設(shè)（1982-），男，浙江省溫州市，學(xué)歷：碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)控運行。