小电流接地系统单相接地故障选线技术

朱世东（国网成都市新都供电公司，四川 成都 610045）



小电流接地系统单相接地故障选线技术

朱世东（国网成都市新都供电公司，四川 成都 610045）

本文简要分析小电流接地系统单相接地故障时的电路模型和故障特征；概述了现有的单相接地故障选线原理、方法及优缺点；基于当前小电流接地系统结构的复杂性，提出了当前选线技术研究的难点，因此对现有的选线技术和装置进行融合改进是提高选线技术可靠度和精确度的重要研究方向之一。

小电流接地系统；单相接地故障；零序电流

引言

小电流接地系统包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经高电阻接地系统。而在我国主要采用中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。小电流接地系统具有持续性久和可靠性高的特点［1］。

随着电网发展，馈线的不断增多，线路电容电流也在不断增大，且长时间带故障运行会使得单相接地故障扩大，引起系统过电压，甚至损坏设备，破坏运行，所以必须及时查出故障线路予以切除。

长期以来，小电流接地系统单相接地故障查找最常用的方法就是逐条拉路法。然而这种方法会造成非故障线路短时供电，严重影响供电可靠性；且对用户造成了越来越大的损失。这迫切要求开发出可靠实用的选线技术。传统选线装置以故障时电气量为判别依据，选出一条或几条线路供调度参考，准确率低。随着微机自动化系统在电力系统中的广泛应用，选线方法更加多样化，而如何利用现有的微机综合自动化系统资源进行准确的选线是一个亟待解决的问题［2～3］。

1　电路模型与故障特征

1.1中性点不接地系统单相接地故障

图1　中性点不接地系统单相接地故障模型

中性点不接地系统单相接地故障时电路模型如图1所示。当在线路A相k点发生单相接地时，线路中零序电流流向如图中虚线所示。压电流矢量图。结合图1可以分析得到［4］：

图2　中性点不接地系统金属性单相接地电压电流矢量图

（1）发生单相金属性接地时，故障相对地电压降为0，而非故障相电压升高为线电压。系统出现零序电压电流。

（2）非故障线路的零序电流大小等于本线路的接地电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路。

（3）故障线路零序电流Ik等于非故障线路零序电流之和，即是非故障线路的接地电容电流之和，其电容性无功功率的方向为由线路流向母线。

（4）非故障线路的零序电流超前零序电压90°，而故障线路的零序电流滞后零序电压90°，故障线路的零序电流与非故障线路零序电流在相位上相差180°。

1.2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障

图3　中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障模型

中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的电路模型如图3所示，其零序电流量特征主要不同点如下：

（1）故障线路的零序电流Ik等于系统总电容电流减去消弧线圈补偿电流IL的残流。

（2）消弧线圈的电流也经过接地故障点和故障线路的故障相，但它不通过非故障线路。

当系统没有消弧线圈补偿，故障线路零序电流为所有非故障线路电容电流之和，其幅值较大，相位与非故障线路相反，故障特征明显，对选线有积极作用，缺点是残流较大，容易误判。加上互感器采样误差等原因，使补偿后的小电流接地系统单相接地故障选线更加困难［5］。

1.3中性点经大电阻接地系统单相接地故障

中性点经大电阻接地系统的单相接地故障电路模型如图4所示，与中性点不接地系统的情况不同在于：接地电流中有较大的电阻分量，对谐振有明显的阻尼和加速衰减作用；如电阻太大，就会影响供电的可靠性。

1.4小电流接地系统单相故障暂态特征

如图5所示，为常用的分析小电流接地系统单相故障暂态量的等效电路图，其中U0为零序电源电压，C表示三相对地总电容，L0表示三相线路和变压器等在零序回路中的等值电感，L表示消弧线圈的集中电感（对于；rL表示消弧线圈的电阻，R0表示零序回路中的等值电阻（L，rL的值可根据中性点接地情况取零值或无穷大）。

图4　中性点经大电阻接地系统单相接地故障模型

图5　小电流接地系统单相接地故障暂态分析模型

从等效暂态分析模型可以得到如下结论：

（1）当单相接地故障发生后，在故障点便有衰减很快的暂态电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过。暂态接地电流的幅值虽然很大，但是持续时间很短，约为0.5～1个工频周期［6］。

（2）不论电网中性点为谐振接地或不接地方式，暂态接地电流的幅值和频率均主要由暂态电容电流所确定，其幅值均和初始相角有关。

优缺点：小电流接地系统单相接地故障中暂态零序电流幅值大、检测灵敏度高，但持续时间短，受电网结构和参数的影响很大，使其不能被有效的采集；而随着微机保护在电力系统中的应用，这一缺陷能够得到有效地克服［6］。

2　常用小电流接地系统线技术与局限性

2.1基于稳态分量的选线技术

2.1.1绝缘监测装置

单相接地是常见故障，由于接地电流小，所以接地保护灵敏度较差。所以目前绝大多数变电站采用交流绝缘监视装置对接地故障进行监测。但是对于通过过渡电阻发生不完全接地故障时，接地相对地电压降低而为零，非接地相电压升高但不为线电压，此时绝缘监视装置的灵敏度就大大降低。采用绝缘监测装置的选线技术，值班人员依据报警电压信号，需要采取传统的逐条拉路法来选出接地线路，这也是其最大的缺陷。

2.1.2零序电流比幅法

在中性点不接地系统中发生单相接地故障时，线路故障零序电流的大小等于所有非故障线路的零序电流之和，也就是所有非故障线路的接地电容电流之和。因此，故障线路的零序电流比非故障线路零序电流大很多。当系统进行倒闸操作或允许状况发生变化时，电容电流分布也发生相应变化，故保护装置的动作值难以整定。可见此法在理论上是不完备的［7］。

2.1.3零序电流方向法

在中性点不接地系统中，故障线路上的零序电流从线路流向母线，而非故障线路的零序电流方向是从母线流向线路。因此，根据零序电流的方向，可以判断出故障线路。但是有时故障线路的零序电压和零序电流均很小，很难判断方向。

此类保护只适用于稳定金属接地，而接地故障大多是间歇性或瞬时性弧光接地，难以准确判断。

2.1.4五次谐波零序功率法

在经消弧线圈接地的电网中，由于消弧线圈对五次谐波分量呈现的阻抗较基波分量时增大到5倍，因此，消弧线圈已远远不能补偿五次谐波的电容电流。5次谐波法可以消除消弧线圈的影响，但是由于故障电流中的5次谐波分量很小，检测的灵敏度低。为提高灵敏度，可以将3、5、7次谐波分量的平方和进行幅值比较，但这从根本上解决不了检测灵敏度低的问题。

2.1.5零序电流有功分量法

由于线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻，故障电流中就会含有有功分量。非故障线路消弧线圈产生的有功分量方向相同且都经过故障点返回，因此，可以利用故障线路有功分量比非故障线路有功分量大且方向相反的特点选出故障线路。但是由于非故障线路中有功分量比较小，而且受到线路参数的影响，使得其检测灵敏度比较低，可靠性得不到有效的保障。

2.1.6注入信号法

注入信号法是在发生接地故障后，通过电压互感器的中性点向接地线路注入特定频率的电流信号，有注入信号流过的线路被选为故障线路。优点是不受消弧线圈的影响，不要求装设零序电流互感器。其缺点是需要安装信号注入设备。

2.2基于暂态分量的选线技术

2.2.1暂态零序功率法

发生单相接地故障，暂态电容电流很大，而经消弧线圈的暂态电感电流很小，可认为消弧线圈处于开路状态。所以在同一电网中，不论中性点绝缘或是经消弧线圈接地，在相电压接近于最大值时发生故障的瞬间，其过渡过程是近似相同的。

非故障线路暂态零序功率由线路流向母线。因此，故障线路有功比非故障线路大且方向相反，据此可选出故障线路。该原理比其他各类反映接地稳态量的原理灵敏度高，对单相接地反应迅速，电流互感器不平衡电流的影响仍然存在。

2.2.2暂态零序电流法

小电流接地系统单相接地故障大部分情况下是发生在电压接近峰值时，产生很明显的暂态过程，其电流主频率是稳态电流的几倍到几十倍。暂态零序电流比较法具有简单易于实现的优点，但从理论上分析并不是很严格，用于实际选线有可能出现误判。

3　结论与展望

小电流接地的选线问题，是一个至今还不能做到选线完全准确的问题。由于被测电气量单一，且幅值较小，常规方法存在各种各样的选线盲点。所以，可以从以下几个方面入手提高选线速度和精确度：

（1）将基于小电流接地系统单相故障的稳态分量和暂态分量原理的选线技术相结合，综合各选线技术的优势，提高选线技术的可靠度和精确性。

（2）提高选线装置的精确度。随着电力电子技术的发展和微机技术在电网中的应用，选线装置的精确度也应该相应的提高，在应用传统选线方法的同时，使故障选线更加精确。

（3）将现代的信号处理技术应用于小电流接地系统故障选线。可利用模糊理论、不确定性理论、神经网络等方法，对电网进行建模，融合各种算法和特征，建立明确指标判断故障线路。

小电流接地系统单相接地故障查找在实际运行中是一个重大的难点。现有理论研究已经有了一定的深度，但是如何将理论运用到实际的运行操作中，还有很长的一个过程。为了更好更快地提高小电流接地系统单相故障选线的精确度，从现有的方法和装置进行融合改进是最为快捷有效的方法之一。

［1］郭清滔，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（2）：146～152.

［2］齐 郑，杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析［J］.电力系统自动化，2004，28（14）：1～5.

［3］徐丙垠，薛永端，李天友，等.小电流接地故障选线技术综述［J］.电力设备，2005，6（4）：1～7.

［4］向小民，雷 雨.中性点不接地系统单相接地选线方法的研究［J］.四川电力技术，2008，30（6）：61～64.

［5］丁 磊.小电流接地系统单相接地选线与定位技术的研究［D］.山东大学，2005.

［6］李荣明.小电流接地系统单相接地故障选线［D］.重庆大学，2004.

［7］陈志亮，范春菊.基于5次谐波突变量的小电流接地系统选线［J］.电力系统及其自动化学报，2006，18（5）：37～41.

朱世东（1965-），男，工程师，本科，主要从事电力企业规划、建设、运行及管理工作。

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2095-2066（2016）16-0053-03

2016-5-21