刘仕萍 刘前进 石颖

摘要：我国中低压（3～66kV）配电网多采用中性点不接地和经消弧线圈接地的两种小电流接地系统。文章首先分析小电流接地故障选线检测与保护的难点，然后从小电流接地选线方法、小电流接地选线装置、测试方法及检测技术标准这4个方面对小电流接地选线的研究发展做出介绍，最后对小电流选线技术进行展望。

Abstract： In China， medium and low voltage （3～66kV） distribution network mostly adopts two small current grounding methods in which the neutral point is not grounded and the arc suppression coil is grounded. This paper first analyses the difficulties of detection and protection of fault line selection for small current grounding， then introduces the research and development of fault line selection for small current grounding from four aspects： the method of fault line selection， the small current grounded fault line selection device， the method of simulation and the technical standard for testing. At last， the technology of fault line selection for small current grounding is prospected.

关键词：配电网;小电流接地系统;故障选线;小电流接地选线装置

Key words： distribution network;small current grounding system;fault line selection;the small current grounded fault line selection device

中图分类号：TM862                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）07-0190-03

0  引言

电力系统中性点接地方式的研究，具有综合性与技术性，并与继电保护、过电压保护、供电可靠性、人身和设备安全及绝缘水平等多个方面存在着密切联系[1-2]。在我国中低压（3～66kV）配电网中，常采用中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地这3种小电流接地方式[3]。小电流系统发生单相接地故障时，由于线电压依然三相对称，可带电供应1～2小时，保证了供电可靠性。在故障多发的配电网中，单相接地故障占80%[4]，若未能及时处理单相故障，对地相电压升高，并且电弧现象会导致非故障相的最高暂态电压提升了2倍，这样易造成相间短路，导致电网事故扩大，对供电可靠性产生影响。近年来，在10kV配电网中由于故障接地或线路断线造成人员伤亡事故发生。中低压配电网控制保护目标有2方面要求：提高供电可靠性和保护人身安全。因此，小电流选线装置的规范设计和入网稳定运行对提高电力系统运行自动化水平、消除人身安全隐患和避免接地过电压造成事故扩大有着十分重要的意义。

1  小电流接地故障选线检测与保护的难点

①故障电流小：在这类电网发生单相接地故障时，流经故障点的电容电流其数值一般不超过20～30A（故该类电网也被称小接地电流电网）。尤其在谐振接地系统中，因为消弧线圈对故障点电容电流的补偿作用，故障线路的电流变化甚至小于非故障线路的变化。经过电流互感器将零序电流变换至二次侧，故障信号相比负荷电流是很小的。

②故障信号提取不易：考虑到配网接地方式、过渡电阻及电弧故障的影响，目前小电流接地选线装置多采用暂态量比较法选线，但由于暂态信号衰减速度较快，则要求選线装置的采样率精度较高。

③故障电弧不稳定：在单相接地中弧光接地发生的概率较高，故障点电流不稳定，并且弧光接地持续时间过长容易导致故障点烧熔发展成金属性接地，影响了一些选线方法的正确选线。

④配网结构的影响：配电网的运行方式不断变化，结构复杂，配网变电站线路的长度和数目是随着电网需求变化的。并且配网电压等级不同及接地电阻的大小都会影响电流不稳定。

2  小电流单相接地故障电网特征

小电流系统单相接地故障基本特征有：中性点不接地系统中发生单相接地故障时线电压依旧保持对称，零序电压与故障相的系统中性点电压等值反向，非故障线路的零序电流的大小和方向与系统正常运行情况下对地电容电流值一致，故障线路的零序电流其数值等于全系统非故障线路对地电容电流之和，电容性无功功率方向是由线路流向母线，极性与非故障线路相反。中性点不接地系统具有结构简单，经济运行，供电可靠性高等优点;也存在绝缘性要求高，设备在恶劣环境中易被击穿等缺点。该种接地方式适用于35kV以下的中低压配网。在谐振接地系统中，由于消弧线圈的过补偿作用，故障馈线零序电流的幅值和相位均发生改变，使得系统的工频量失去了基本的故障特征。由于暂态电流不受消弧线圈的影响，在故障发生初级阶段经消弧线圈接地系统和中性点不接地系统的暂态过程可近似认为一致，并且弧光接地和间歇性接地暂态分量更丰富，暂态法选线成为小电流接地故障选线技术中发展的新方向。小电流接地系统中电流分布方向如图1所示。

3  小电流接地选线的研究发展

3.1 小电流接地选线方法

不同国家因为环境和历史的差异有着不同的配电网中性点接地方式。目前，各国有以下这几种接地方式作为主流：英国、美国主要采用有效接地方式;俄罗斯与日本主要采用非有效接地方式;法国接地方式实现了从有效接地到经消弧线圈接地的有效方式的过渡;德国主要采用中性点经消弧线圈接地方式;芬兰采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式所占比例为80%和20%;中国主要采用中性点不接地及经消弧线圈方式。针对不同的中性点接地方式，在处理小电流系统单相接地故障的过程，国内外会采取相似的处理方式进行选线来隔离故障。因此，为了隔离小电流接地系统单相故障，不同国家在小电流接地选线算法的发展也是相同的。其中，选线方法可根据信号方式的不同分类为被动式和主动式选线方法，被动式的选线方法又可分类为基于稳态信号的选线方法和基于暂态信号的选线方法。主动式选线方法有中电阻法、S注入法和残留增量法等[5-6]，可根据交变的电信号来确定故障线路。

稳态选线法的选线依据是：当发生接地故障后系统进入稳态状态，根据故障和非故障支路中零序电流电压的幅值、方向的不同进行选线。面对的核心问题是需要综合考虑并分析配网中各条故障与非故障支路的不同特征，以此准确的判别出二者。稳态选线法的主要选线方法有群体比幅比相法、谐波法分析法、零序导纳法及零序功率方向法等。然而，暂态选线法的主要思想：通过信号处理工具分析配网发生单相接地故障后系统流经的暂态零序电流量，根据制定的相应判据方法选择故障支路，并且选线结果的正确与否关键点在于相应故障特征判据的制定。暂态选线法的主要选线方法有首半波法、能量法、有功功率法及小波法等[7-8]。

目前，使用单一的选线方法无法适应复杂的配网情况，融合选线方法的提出可解决这一难题。融合选线方法有模糊集理论、D-S证据理论、神经网络及粗糙集理论等方法。此类方法可为每类选线判据界定有效域，即每类选线算法在界定的有效域区间选线正确率为100%，在非有效域区间得出的选线结果则需要乘以一定的权重系数，通过利用信息融合的思想结合多种选线判据，可在选线准确度方面有一定的提升。

3.2 小电流接地选线装置

小电流接地选线装置适用于小电流接地系统，当发生故障时应能及时选择故障线路，还应具备跳闸功能，能在给定时限内迅速隔离故障，节约人力。长期以来，人们致力于研发出多种检测方法及选线装置，但选线装置运用于实际工程的效果不够理想，有原理上的缺陷、硬件平台设计上的不足，甚至是因为没有将其作为继电保护装置来对待，产品的设计、生产工艺和售后服务等都未引起足够的重视。这些因素都直接或间接的导致了该类产品的质量不佳。因此，需要为小电流接地选线装置制定统一的运行管理和检测技术标准，选线装置从生产到投入电网运行时都需要进行全面检测，保证装置的实际工程效果。

近15年来，随着电力电子技术的发展，选线理论及硬件处理器都得到了较大的改进。目前，大多数小电流选线装置都选取微控制处理器作为核心，具有集成度高并且经济性的优点，在国内外市场得到了广泛应用。考虑到单CPU综合性能较差，当前许多厂家都采用“DSP +单片机”或“DSP+ARM”的双CPU配置，在控制和高速处理复杂选线算法方面都得到了较大的提升，也是现在选线装置的一种发展趋势。考虑到不同国家的接地方式不同，并且电气装置的技术规范和使用标准不同，设备的引进和使用需明确配网的环境。

根据相关数据统计可知，2017年前南方电网投入现场运行的小电流选线装置，其装置选线准确率不超过70%。通过现场运行发现选线装置存在如下问题：①选线装置应与重合闸配合使用，但当小电流系统发生永久性接地故障时，装置选线跳闸成功后重合闸于永久性故障，选线装置仍旧需要根据选线算法再次进行故障选线运算，并經过设定延时才能切除故障，不能够及时切除故障;②当配网系统发生高阻接地故障时，由于故障特征量微弱选线装置一般未能启动选线切除故障，此时仍旧采用独立轮切装置配合或人工拉路法处理，大大增加了故障切除时间和运行人员工作量。因此，根据上述配电网的实际运行需求，针对小电流接地选线装置选线准确率较低、功能不完善等问题，选线装置的选线功能有待进一步优化与完善。为此，南方电网设计了一种新型小电流接地选线装置设计方案，方案中新增设轮切和后加速功能，确保选线装置在各种类型接地故障工况下都应该快速选出并切除故障线路，保证供电可靠性和人身安全。其中：后加速功能可使选线装置在线路重合闸于永久性故障情况下加速跳闸，迅速切除故障，大大缩短了故障线路切除时间;轮切功能适用于跳闸选线失败或高阻接地故障工况，当故障发生接地选线装置未能正确选线跳闸时应启动轮切功能轮流切线直至切除故障线路，具有智能化、快速性及节省人力等优点。

3.3 小电流接地选线装置测试方法

目前，检测可靠性最高的是现场试验，将小电流接地选线装置接入配网运行，人为设置接地故障，但现场试验故障模拟规模会受到限制，并且可能引发人身安全隐患。配网静态模拟系统也可用来搭建配网模型模拟故障环境，可对选线装置硬件及软件进行验证，但该种测试方式系统结构难以二次调整，运行效率低，且构造的配网模拟不够精确。此外，设备出厂时也会通过专用的信号发生器或继电保护仪器等进行一系列测试，信号发生器等设备可按设定输出模拟的故障电压电流信号，对选线装置进行功能设置，但该类检测手段只能对故障稳态过程进行模拟，无法模拟暂态信号，不利于根据暂态法进行选线的装置检测。以上这几类测试在配网故障环境模拟准确性、安全性等方面都不能得到满足。

为解决上述问题，可通过MATLAB、EMTP/ATP、PSCAD、RTDS等电磁暂态仿真进行模拟配网结构及发生单相接地故障的实际运行工况。相比于动模测试及入网试验，使用仿真软件能够更为灵活的进行各类参数设置，较为全面地模拟配网故障场景。其中，MATLAB、EMTP/ATP、PSCAD等仿真软件仅可通过模拟故障信号对各类选线算法进行验证，无法和选线装置直接连接构成闭环仿真测试系统，不能实时显示仿真运行状态。然而，RTDS（Real Time Digital Simulation）仿真系统具有实时、闭环、连续及数字仿真的优势，取代了传统动模测试，可与控制保护装置进行闭环连接进行功能性测试，并且能够详细地记录测试仿真波形。利用RTDS系统测试小电流接地选线装置性能是一种比较灵活、经济、可靠性较高的测试方法[9-10]。

3.4 小電流接地选线装置检测技术标准

从上世纪80年代小电流接地选线装置的研发成功，投入运行后因为设备选线成功率不高、选线方法单一、设备运维检修不当、零序CT精度不够等缺点导致其纷纷退出市场。存在问题的根本原因主要在于小电流选线装置缺乏统一的运行管理和检测技术标准规范，因此小电流接地选线的检测标准统一规范是十分重要的。目前，国家电网与南方电网针对采购的小电流接地选线装置相继提出相应的检测技术标准，选线装置需要通过检测测试才能入网运行。

接地选线装置入网前必须经过统一全面的入网检测，测试方式可包含动态模拟测试、静态模拟性能检验、电磁兼容性检验及通信项目检测这4个方面，应用相关规范性引用文件。一方面确保了小电流接地选线装置的产品质量满足入网要求，另一方面能够逐步提高选线成功率，能够保证接地选线装置准确快速地切除故障，减轻运行人员的工作压力。

4  总结与展望

文章从小电流接地选线方法、小电流接地选线装置、测试方法及检测技术标准这4个方面对小电流接地选线的研究发展做出介绍。然而要实现小电流选线装置能够做到100%正确切除故障，依然存在许多地方需要进一步研究和完善，比如有：

①小电流选线装置零序电压定值整定：选线装置主要通过零序电压定值设定来判断是否发生故障接地。目前零序电压门槛较多设置为30V，但实际情况证明该值难以满足新的运行需求。有文献提及零序电压最小可按5%的额定电压，系统上设计即难以满足，实际运行数据也证明：不接地或经消弧线圈接地系统正常运行情况下，超10V情况不少;消弧线圈接地运行方式下，极端情况出现零序电压为15.38V的情况。因此，零序电压定值的设定如何能在灵敏与可靠之间取得平衡，或者采用其他灵敏可靠的判据来判定故障启动装置。

②更灵敏、可靠的故障检测技术研究：关于小电流系统发生高阻接地故障的理论研究有待进一步深入。并且随着电力系统的发展，分布式电源的引入、各种电力电子负载的影响及配网的复杂化也会影响选线装置的准确率，研究出更为灵敏、可靠的故障检测技术是十分需要的。

③特殊故障处理方案的提出和实现：虽然仿真模拟可以模拟配网的实际运行工况，但实际电网发生的故障是无规律和不可预测的，故障现场的实际环境也更为恶劣。针对特殊故障，需要有特殊处理方案。比如说间歇性故障，可采用启动返回延时展宽法、定间隔统计法及等效热模型累计法等方法。各种处理方法都存在一定的优点与缺点，还需进一步积累运行经验，深入研究。因间歇性故障特殊，与重合闸配合关系复杂。如存在间歇时间大于重合闸充电时间的情形，则需特殊考虑。

小电流接地选线装置的投入运行是为了保证电网可靠运行和人身安全，因此，随着配网的发展，选线装置的研究需要进一步深入，选线保护检测也更应该从人身安全方面考虑。

参考文献：

[1]徐丙垠，李天友，薛永端.配电网触电保护与中性点接地方式[J].供用电，2017，17（05）：21-26.

[2]王洪，邢静原，张广辉，等.小接地电流系统单相接地消弧、过压、感电、保护技术研究与应用[J].华北电力技术，2013（10）：1-6.

[3]程路，陈乔夫.小电流接地系统单相接地选线技术综述[J]. 电网技术，2009，33（18）：219-224.

[4]郭清涛，吴田.小电流接地系统故障选线方法综述[J].电力系统保护与控制，2010，38（2）：146-152.

[5]樊淑娴，徐丙垠，张清周.注入方波信号的经消弧线圈接地系统故障选线方法[J].电力系统自动化，2012，36（04）：91-95.

[6]马静，王希，王增平.一种基于电流突变量的故障选相新方法[J].中国电机工程学报，2012，32（19）：117-124，194.

[7]徐靖东，张保会，尤敏，等.基于暂态零序电流特征的小电流接地选线装置[J].电力自动化设备，2009，29（4）：101-105.

[8]王伟，焦彦军.暂态信号特征分量在配网小电流接地选线中的应用[J].电网技术，2008（04）：96-100.

[9]王俊杰，江智军，周江源.中电阻法小电流选线的RTDS测试可行性分析[J].实验室研究与探索，2016，35（08）：135-137，142.

[10]Brenna M， De Berardinis E， Delli Carpini L， et al. Petersen coil regulators analysis using a real-time digital simulator[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2011， 26（3）： 1479-1488.