配电网小电流接地系统单相故障定位分析

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（宁夏电投银川热电有限公司，宁夏 银川 750000）

0 引 言

在35 kV及以下电力系统中，受雷雨等天气因素影响，容易发生单项接地故障。由于单项接地故障不易察觉，长期处于该状态易造成绝缘击穿，从而引起相间短路，使事故损害不断扩大，因此有必要采取相应的故障解决措施，防止故障问题扩大而造成严重后果。

1 小电流接地系统

小电流接地主要有3种形式，分别是中性点不接地、中性点经灭弧线圈接地、中性点经大电阻接地。配网在运行期间如果发生单相接地故障不能和大地之间形成回路，此时三相电压将会无法平衡，但整体上依然相互对称，小电流接地点位置的电流较小，允许电流在短时间内通过，电力系统也能使用，但必须尽快安排人员完成故障定位分析，及时排除安全隐患，防止故障范围扩大。

中性点不接地方式中，如果出现单相接地的情况，小电流接地系统中的零序阻抗将会由线路对地电容组成，这部分电容很小，因此系统的零序阻抗很大，其中的故障电流可以忽略，继电保护不会产生任何保护动作。

中性点经灭弧线圈接地的方式比较常见，电压相位和故障电流处于反向关系，故障点叠加将会对该处残留造成抑制作用。与此同时，灭弧线圈可以对恢复电压初速度和限制电压上限产生抑制作用，避免故障点反复产生电弧，抑制弧光接地过电压。

中性点经大电阻接地方式中，小电流接地系统如果发生了短路故障问题，此时电阻可以对谐振产生良好的阻滞作用，防止形成谐振或弧光接地过电压。线路过电压下降，单相接地后因过电压而引发的事故概率将会降低[1]。

2 小电流接地故障定位步骤

首先，划分接地故障类型。采集故障现场的所有数据，对数据进行有效分析，根据零序电流波形将故障类型划分为稳定型、电弧型、高阻电弧型、高阻放电型以及间歇放电型。其中，稳定型故障包括线路直接接地故障和电阻等出现问题后形成的间接接地故障；电弧型故障与高阻电弧型故障主要指物体与线路靠近后引发的电弧故障；高阻放电型故障与间隙放电型故障一般体现为瓷瓶设备的绝缘击穿，有时也包含变压器放电故障。

其次，根据瞬态信息判断小电流接地故障。如果配网运行期间出现单相接地故障，此时瞬态分量将会产生剧烈变化，变化的同时形成故障信息。使用有效的方式分析单相接地故障发生时的瞬态波形，使用瞬态分量法进行波形的合理化分析，掌握波形特征，再将特征数据归一化处理，基于智能算法的应用诊断故障[2]。

最后，判定小电流接地系统的故障位置。故障定位的有效性取决于输电线路中零序电流分量的分布情况，也与测量点的实际数量有关。分析故障处两侧电压电流情况，从中提取相关特征，找出故障区段。根据小电流接地装置故障两侧节点辐射图，依靠主站得到其他站相关数据，对所有数据综合分析，可以确定故障位置，为后续故障处理提供科学参考。

3 小电流接地系统单相故障定位方法

3.1 阻抗法

采用故障测距原理，根据测量的电压与电流，通过平衡方程求解测量端和故障点的阻抗值，再凭借单位阻抗计算故障距离[3]。阻抗法主要包含单端测距与双端测距2种，其中单端测距一般是按照电流与电压之间的关系消除中间变量来获得故障距离表达方式，而双端测距是依据线路两端电流与电压的关联得出电压方程与故障距离。单相接地故障集中参数等值电路如图1所示。

图1 单相接地故障集中参数等值电路

图1中：F为故障点；M为测量端；UM为M端的电压；IM为M端的电流；ZM为线路中的正序参数；ZM0为线路中的零序参数。一般情况下，可以使用阻抗法完成故障测距分析，相应公式为

式中：x为测量端到故障点之间的距离；RF为过渡电阻阻值；IF0为单相接地故障支路位置的零序电流；K为零序电流补偿系数；DA0为零序电流分布系数。

经过整合可以得到

阻抗法具有投资小的应用优势，可用于线路故障定位，但容易受到过渡阻抗的影响，导致测量精度难以提高。双端阻抗法的使用需要额外预留同步装置的设置时间，可以使用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）装置完成两端时间信号的高效同步，从而提高故障定位效果[4]。

3.2 注入信号寻迹法

注入信号寻迹法也叫注入法，产生接地故障后可使用信号注入装置经过电压互感器向线路注入一定频率的信号，信号沿着线路从故障点逐渐流向大地。应用信号探测器进行线路检测分析，如果有信号流过，此线路就属于故障线路，然后使用探测设备沿着线路继续寻找故障点，进而判断故障点的具体位置。

注入信号寻迹法无须在线路中安装电流互感器，其应用不会受到消弧线圈的影响，但需要使用信号注入设备。利用探测装置对沿线加以检测，整个过程可能会花费一定的时间，无法科学检测出间接性的接地故障。对于绝缘恢复，可向故障相加入直流高压，从而让接地点时刻保持着击穿的工作状态，随即注入交流信号，信号消失点就是故障所在位置。由此可见，脉冲信号注入法，能够解决信号频率高的问题，避免线路对地电容的分流，提高故障定位有效性[5,6]。

3.3 零序电流瞬态能量法

电力系统与配电网中的中性点接地主要有大电流接地和小电流接地2种，其中小电流接地系统包含不接地、消弧线圈接地、高阻抗接地3种情况。以中性点接地为例进行故障定位研究，根据故障稳态特性与瞬态特性，经过仿真分析实现接地故障的有效判断和定位。

3.3.1 单相接地故障稳态特性

如果配电网中的线路上发生了单相接地故障，在灭弧线圈的作用下，接地点处的电阻会和大地之间产生电流，这部分电流分为感性电流与容性电流。当中性点经灭弧线圈接地处于过补偿状态时，此时能够抑制谐振造成的过电压，但线圈位置会产生感性电流，感性电流会与容性电流相互抵消，因此故障处零序电路的电流可能与其他位置的相位同步。

3.3.2 单相接地故障瞬态特性

系统故障时的瞬态电流主要包含容性电流与感性电流2种，其中容性电流由线路对地等效电容电流构成，感性电流包括流过灭弧线圈的电流、流过相关元器件与电力设施的电流。单相接地故障瞬态等效电路如图2所示。

图2 瞬态等效电路

图2中，R0为故障产生后电源内阻与线路电阻等效和；L0为故障时线路中所有感性元件的电感和；U0为零序电压；RL为灭弧线圈等效电阻：L为灭弧线圈等效电感。由于瞬态等效电路的电感超过等效电感L0，因此可以认为电感支路与电阻支路都属于开路。经过零序电压分析计算后，能够从中获得关于单相接地故障的瞬态电感电流，相应计算公式为

式中：ILm为经过电感线圈处的电流幅值；τL为电感回路中的一种时间常数[7]。瞬态电感电流主要分为稳态交流分量与瞬态直流分量，其中稳态交流分量的幅值与故障合闸角存在一定关联。如果合闸角处于90°，此时瞬态分量幅值最小；如果合闸角为0°，此时瞬态分量幅值最大。

3.3.3 零序电流瞬态能量法仿真

利用零序电流瞬态能量法计算故障发生后的零模能量，从而得到相应的表达式[8]。建立一个配电网小电流系统模型，其中共有3条输出线路，分别是L1、L2以及L3，采用中性点经灭弧线圈接地方式，相应参数如表1所示。

表1 配电网中性点经灭弧线圈接地线路参数

在Matlab环境下仿真分析，使用Sym6小波包基函数，对L1、L2以及L3线路中的零序电流进行有效分解，求出线路在不同特征频带内的小波包系数和，进而得到3条线路的瞬态能量。

3.4 五次谐波法

五次谐波法一般是对小电流接地故障系统进行检测，掌握电流幅值，判断其中的相位关系，从而使故障定位更加准确[9]。小电流接地系统中如果产生了单相接地故障，此时谐波电流就是该线路的零序电流，并朝着母线的方向流向线路。五次谐波零序电流的数值与谐波电容电流之和相等，方向为滞后零序电压90°[10]。当发生单相接地故障时，由于信号检测难度偏大，因此在利用五次谐波法进行故障定位时需要同时采用其他方法，通过各类方法的相互协调实现故障快速定位。

4 结 论

通过分析配电网小电流接地系统运行期间的单相故障问题，采用有效的故障定位方法。针对小电流接地的不同方式，以中性点经灭弧线圈接地方式为例，分析不同故障定位技术的实践应用效果。通过阻抗法、注入信号寻迹法、零序电流瞬态能量法的应用，能够有效提高系统故障定位效率。