小电流接地系统单相接地故障选线方法分析

    目前，我国中压配电网（3～66 kV）普遍采取中性点非有效接地方式，即小电流接地方式，主要包括中性点不接地（NUS）、中性点经消弧线圈接地（NES）、中性点经高阻接地（NRS）及在这3种方法基础上的改进型接地方式等^[1]。当发生单相接地故障时，由于故障点电流较小，且配电网故障线路线电压保持对称、大小不变，按照电力系统规程规定，电网可以继续运行1～2 h，提高了配电网供电的可靠性。但随着配电网电缆线路的使用和配电网馈线的增多，如果配电网长时间带故障运行，接地故障将会扩大至2点或多点短路接地，引起的弧光过电压将会导致全系统的过电压，进而损害电力设备，致使电力设备不正常运行，破坏电力系统的运行稳定性，所以必须快速、准确找出故障予以切除^[2]。

电力系统运行的经验表明，小电流接地故障中单相接地故障的发生率最高，所占比例达70%左右。由于稳态时故障线路故障信号较小，尤其是配电网中性点采用谐振接地方式，将会使得故障信号变得更小，导致故障选线难度增大，所以小电流接地故障选线问题一直没有得到完美的解决，为此国内外学者进行了大量的研究。根据故障时配电网各馈线特征电气量变化差异性等原理提出的方法主要分为稳态方法、暂态方法、信号注入法、信息融合等^[3]。笔者归纳了目前所提出采用的故障选线方法，分析了它们的选线原理、使用条件和比较了它们之间的优缺点，对最新的研究成果和改进措施进行了总结，并对未来选线技术进行了展望。

1  小电流接地故障选线方法

1.1  小电流接地故障稳态选线方法

1.1.1  零序电流幅值比较法

利用故障线路和非故障线路零序电流大小不同的特点进行故障选线。但当电网中性点谐振接地时，由于消弧线圈产生的电流对故障线路起补偿作用，故障线路零序电流近似等于或小于非故障线路零序电流，所以无法采用此方法进行故障选线^[8]。

1.1.2  零序电流方向法

利用故障线路和非故障线路零序电流流向反向的特点进行故障选线。但当电网中性点谐振接地时，当消弧线圈采用过补偿时，故障线路和非故障线路零序电流流向相同，尤其对于间歇性接地故障，零序电流波形严重畸变，导致无法准确计算相角，所以无法准确进行故障选线。

1.1.3  零序电流有功分量法

故障线路零序有功分量为消弧线圈和非故障线路产生的有功电流分量之和，由于有功电流只流过故障线路，所以利用故障线路和非故障线路有功电流幅值不同来选线。但当消弧线圈和非故障线路产生的有功分量较小，并且极易受到不平衡电流等因素的影响时，必须同时取得零序电压信号，很难准确检测，无法保证其可靠性。

1.1.4  五次谐波幅值和方向法

故障电流含有大量谐波信号，以五次谐波为主，由于五次谐波在消弧线圈产生的感性电流太小，为工频的1/25，所以可忽略不计。五次谐波在故障线路与非故障线路的幅值、大小不同，通过比较比幅、比相等方法可以进行故障选线^[9]。但由于五次谐波含量较小，当有电弧现象时稳定性较差，极易受谐波源和不平衡电流中谐波分量等因素的影响。多次谐波平衡方法也无法彻底解决单次谐波信号小的问题。

1.1.5  零序导纳法

通过配电网各个支路测得零序电流和电压，计算故障时各线路等效零序电导，比较线路之间导纳分布象限来选线，按照故障相线路的等效零序导纳分布，故障线路等效导纳位于直角坐标系其中第二、第三象限，并且正常相的零序导纳分布在第一象限的这一特点来选择故障线路。该算法具有较好的准确性和适应性，但是如果线路发生间接性接地故障时，此方法无法准确选线^[10]。

1.1.6  负序电流法

由于负序电流在发生小电流接地故障时分布特征与零序电流类似，且故障线路的负序电流远远大于非故障线路，所以将比较各个馈线负序电流大小和方向作为选线判据^[11]。但负序电流的获取比零序电流复杂，而且在线路正常运行情况下，通常也会存在大量负序电流，所以负序电流法选线准确度和可靠性较差，实际运用少。

1.2  小电流接地故障暂态选线方法

1.2.1  暂态零序能量法

通过对各个馈线支路瞬时零序能量积分，比较各个馈线暂态零序能量大小和极性来作为选线判据。但是，暂态电流中有功分量的比例较小，特别是金属性接地时，准确性差^[12]。

1.2.2  首半波法

当发生小电流接地故障时，通过故障发生首半波内的故障相基波暂态电流与暂态电压相位相反来判别故障线路，但由于故障后首半波的暂态电流幅值太小，且易受谐波干扰，所以用此方法选线可靠性差^[13]。

1.2.3  小波分析法

近年来，许多学者将小波分析应用到故障选线中，将故障信号用小波变换处理，得到模极大值，根据各个线路的零序模极大值的幅值和极性来判别故障线路。由于暂态特性较为复杂，特别是故障暂态的频率成分和衰减特性，以及频谱能量严重受到故障条件的影响^[14]。

1.3  其他故障选线方法

1.3.1  模型参数识别法

首先对配电网建立外部故障下各个馈线等值模型，通过大量实验数据计算模型参数，当电网发生故障时，通过测量数计算参数吻合来进行故障选线。

1.3.2  人工智能法

目前，运用较成熟的人工智能算法为神经网络和模糊理论，神经网络依据电气特征量与故障间的映射作出判断。而模糊控制根据输入信号利用现有判据进行故障选线，依据模糊理论得出隶属度函数，最终根据信息得出故障线路^[15]。

1.3.3  信息融合法

随着电网的发展，电网故障复杂程度越来越高，单一判据无法确保对所有类型的接地故障作出准确的判断。基于小波技术提取的暂态故障信息含有丰富的暂态频谱信息，用来提高接地故障检测的灵敏度，但抗干扰能力不强，易发生误判，因此利用稳态故障检测算法弥补暂态算法抗干扰能力不足的特点，利用稳态与暂态选线判据的融合来实现故障的识别、判断和得出综合判据进行选线^[16]。

2  结论

由于小电流接地稳态方法严重受到消弧线圈、间歇性电弧故障、零序有功分量小、检测装置精确性等因素的影响，故障选线准确度和可靠性差，无法确保继电保护设备能准确动作。暂态选线方法尽管能克服稳态选线方法的局限性，但比较容易受到系统运行方式、故障类型、故障时刻等因素的影响。虽然基于现代信号处理技术的小波变换和人工智能融合了现代数学处理方法，在理论上能够提高选线准确度，但实际效果还有待进一步检验。

参考文献：

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〔编辑：刘晓芳〕