李 焱，李颖峰

（1.陕西理工大学，陕西 汉中 723001；2.陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723001）

0 引言

当前在我国，中性点运行方式主要包括3 种类型，即直接接地、不接地和经消弧线圈接地。其中后两种为小电流接地方式，比起大电流接地方式，其优势在于：（1）经济节约，不需要接地装置，节省投入；（2）最常见的故障发生时50 Hz 稳态电流较小；（3）故障发生时，系统还可以保证线电压对称，可以带故障运行长达2 h；（4）故障接地电流为电容电流大小，幅值小，对信号干扰弱，对低压网影响小。因此，小电流接地方式成为我国中低压配电网的主要接电方式，但是其缺陷在于随着线路增加，配电系统的日益复杂，会导致故障频发。如果系统长期带障运行，就会造成短路故障，甚至在严重时会击穿绝缘设备，造成电网过电压，因此解决小电流接地故障的意义非常重大。本研究致力于有所突破，改变传统拉路法频繁倒闸操作带来的浪费、不安全、断电等问题，彻底解决小电流接地故障选线问题。

1 小电流接地故障选线相关概述

1.1 小电流接地故障选线技术发展的概述

作为长期困扰电网稳定的问题，我国始终对小电流接地故障的原理进行研究，技术方案也在不断创新之中，从零序电流保护阶段发展到零序无功方向保护阶段，过去在方案上以基波为主，现在已经发展到五次谐波方案和首半波极性阶段，自动化水平也在不断提高，从步进式继电器发展到计算机群，在信号识别上从关注系统本身到人为注入特征信号，选线方式的智能化和综合化水平也在不断提高。目前，世界上各个国家的选线方式各有不同，美国直接接地的方式较多，一般采用零序过电流保护；法国过去一般用小电阻接地，现在正在过渡到经消弧线圈接地方式，除了零序电流方式外，还采用小波变换的方式；日本部分电网会采用经高电阻接地方式，同样也以零序电流为主[1]。

1.2 当前国内外小电流接地故障选线方法概述

目前，针对小电流单相接地故障还没有快速可靠的选线方法，这是因为如下5 点：（1）故障稳态特征量较小，变化不明显，不能有效识别其特征，因此容易造成选线失败；（2）在单相接地故障发生时，暂态持续时间较短，不易采集；（3）配电网运行复杂，尤其是智能电网弱电系统较多，加大了判定难度；（4）技术标准目前难以统一，现场故障选线操作等问题导致了操作困难，准确率不高；（5）系统的失谐度、自动化水平、AI 的智能性、线路的结构、电阻的大小、装置的结构、线路的长短、电压电流互感器的特性、操作的误差、系统运行的因素甚至是合闸的角度都会影响到选线精度[2]。

当前，小电流接地系统单相接地故障选线的技术安装方法划分可以基于如下4 种：基于故障稳态量的方法（零序电流比幅法、零序电流群体比幅比相法、五次谐波法、负序电流法）、基于故障暂态量的方法（首半波法、PRONY 算法、小波分析法）、基于外加诊断信号的方法（从PT 二次侧注入信号、从中性点注入信号、直流注入法）及融合现代信息技术（基于神经网络的选线方法、基于模糊理论的选线方法、基于粗糙集理论的选线方法）。

2 3 种重要单相接地故障选线技术分析

2.1 基于交流注入法选线技术

2.1.1 交流注入法原理

中性点不接地系统单相接地故障具有稳态特征，在发生故障时，如果增大全系统对地电容电流总和的幅值，则故障线路中的零序电流被增大，而非故障线路中则不会出现这种情况。如果通过电力电容器人为增大对地电容电流总和的幅值，两个线路之间零序电流之间的差距就会拉大，其抗过渡电阻能力就会提高，选线的准确率也会提升。在发生故障时，在母线处放置助增电容器，就能够扩大故障线路和非故障线路的零序电流差距，实现通过人为加强故障线路的特征来提高选线的精确性。

2.1.2 关键技术分析

首先是确定注入电流大小，在确保系统稳定运行的状况下，确定对应的电容电流。尤其需要注意的是，对地电容电流最好要低于电力规程规定的装设消弧线圈U2N 的电流要求，即I0_Z≤ICΣ_SC，其中，I0_Z为助增后全系统的对地电容电流，ICΣ_SC为配电网装设消弧线圈的条件对应的全系统电容电流。同时，助增电容器的电容为QCOZ=U2NωCOZ，其中，UN为配电网的额定电压，COZ为助增电容。其次是分析助增电容对过电压的影响。在电容施用的过程中，会因为暂态过程而产生短时过电压，这样容易破坏绝缘，对整个系统造成坏的影响。在投入期间，系统的总电抗不变，但是电网对地总的容抗却相应减小，这样也可以防止铁磁谐振等现象的产生。

2.1.3 仿真验证

设置Rg=0 为金属性接地故障，Rg=1 kΩ 为非金属性接地故障的根据电压幅值，得到注入电容电流前后零序电压幅值曲线。仿真曲线结果显示，当Rg=0（金属性接地故障）状态时，前后电压不变，此时幅值最大；同时，随着过渡电阻Rg（非金属性接地故障）的增加，零序电压逐渐减小，但是注入后的幅值始终小于注入前的幅值。

2.2 基于母线分列动作的选线技术

2.2.1 原理分析

在中性点不接地系统中，母线分列操作后，电网中的零序电压和零序电流的变化明细：在Rg=0（金属性接地故障）状态下，电网的零序电压不变，零序电流方面，非故障线路不变，故障线路减小而且特增量最大；在Rg=1 kΩ（非金属性接地故障）状态下，零序电压方面，故障段增大，零序电流方面，非故障段增大，故障段减小明显。可以依靠如下公式进行判断：U’0=U0=UX情况下，金属性接地，当U’0＞U0的情况下，则为非金属性接地。其中U0是监测系统零序电压幅值，UX代表非故障线路电压幅值，U’。由此可以做出选线依据的判断，当操作前后各馈出线零序电流的变化量大于0 时，为故障线路，小于等于0 时为非故障线路。当系统零序电压幅值超过整定值时，即可判定系统发生单相接地故障。在中性点经消弧线圈接地系统中，同样，当零序电压无变化时，为金属性接地，当操作后电压大于整定值时，判断为非金属性接地。操作后当母线分列操作前后各馈出线变化量小于等于0 时，判断为母线故障。对于线路故障的判定原理如下：当其变化量大于0 时，判断为故障线路，否则，则为非故障线路。对系统零序电压进行检查，当其幅值大于整定值时，则判断发生故障[3]。

2.2.2 仿真验证

系统可以采用PSCAD 电磁暂态仿真软件进行试验，观测操作前后的零序电压幅值变化曲线图，经过测试能够看出，在金属接地时，操作前后零序电压不变，此时幅值最大；在非金属接地时，其幅值增大，符合研究原理。在金属性接地故障的状况下，设置为Rg=0，非金属性接地时状态下，设置为Rg=2 kΩ。前者零序电流明显减小；同时，验证还表明，故障段母线连接的最长非故障线路的零序电流基本不变。在Rg=2 kΩ 的状态下，故障线路和非故障线路的零序电流表现不同，前者减小，后者增大，前者的零序电流幅值变化量随着过度电阻的增大而不断减小，后者始终是增大的。试验也可以发现母线故障与线路故障的前后各馈出线变化量差距较为明显，该系统的优势在于可以利用系统本身特性选线，而不需要添加外部设备[4]。

2.3 基于随机共振理论的S 注入信号技术分析

2.3.1 “S 注入法”的技术原理

该方法的优势在于打破了传统检测利用小电流接地的故障量本身进行检测的缺陷，通过人为注入信号量的方式来放大其强度，可以通过故障接地点入地来实现信号的选择。在系统正常运行时，电网故障检测的装置不输出注入信号电流，但是当故障发生时，PT二次侧电压发生变化，电压放大之后，信号注入装置在在A 相PT 二次侧绕组传输特定电流信号。电流信号的特点在于只通过故障线路的故障相，因此便于识别，但是为了更有效的识别信号，还需要在该处配置信号探测器，便于检测信号，提升选线的精确率[5]。

2.3.2 注入电流信号的选择

在选择过程中，最为关键的是幅值和频率，只有精准选择，才能够精确测量。从原理上来讲，幅值越大，检测就越精准。但是幅值大也会带来相应的问题，因为谐波信号幅值过大造成的能量波会给电网系统带来干扰和影响，尤其是当负荷过大时，这种不利影响就更为明显。例如，当幅值超出母线PT 容量的限制，就会发生过载现象，甚至造成整个电网系统的危险。但是如果注入的信号较小，那么也会导致问题。因此在信号选择过程中，要尽可能增大其幅值，但是也要考虑到PT 容量和系统的负荷，减少对系统的干扰，清除可能存在的隐患。频率也是一个重点问题，注入信号的频率必须要有自己的工作波段，既要区别于电力系统工频和谐波的频率，还要确保高低适当，不要过高，也不要过低，要位于工频n 次谐波与n+1 次谐波之间，一般可以选择80 Hz 或220 Hz。

2.3.3 注入电流信号的检测

为了避免由于耦合到PT 一次侧时较微弱带来的检测困难，因此要采用一定措施进行处理。目前主要有两种方法，一种是采用多级模拟带阻和带通滤波器，这种方法可以实现多级模拟，以提升精确度；另一种是采用高阶FIR 数字带阻和带通滤波器，这种方法利用高阶FIR 数字带阻提高精确度。但是两种方法同样都有缺陷，抗过渡电阻能力不高。因此，在研究中提出采用随机共振检测的方法，该方法通过非线性系统、微弱周期信号和噪声三个条件，提升了信号增强的能力，可以采用。

3 结论

每一种选线技术都有自身的缺陷，但是在选线过程中仍然要以快速测出故障为原则。未来，为了提高选线技术能力，除了采用先进技术放大信号外，还应该结合智能技术，放置探测传感器，来提高其精确度。