小電流接地系統(tǒng)接地故障選線方法

張馥荔，張紅旗

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010000）

0 引言

在我國(guó)6～66 kV中低壓配電網(wǎng)中廣泛采用小電流接地系統(tǒng)，但是在各種故障中此系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的概率最高，約占各種故障類型的80%左右。在線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，小電流接地系統(tǒng)的線電壓仍然能保持其對(duì)稱性，對(duì)用戶的供電沒(méi)有影響，按照電力規(guī)程，可以不必立即跳閘繼續(xù)帶故障運(yùn)行1～2 h[1]。但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，線路的電容電流在不斷地增大，極易造成多相短路，引起各種危害系統(tǒng)安全運(yùn)行的問(wèn)題。因此，發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)人員必須馬上排查線路，找出故障線路并切除故障。配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流很小，且?jiàn)A雜在比它大很多的負(fù)載電流及各種復(fù)雜的干擾中[2-3]，使得系統(tǒng)中故障電氣量的特征不明顯，再加上系統(tǒng)運(yùn)行方式的多變，使得選線的問(wèn)題變得更為復(fù)雜化。長(zhǎng)期以來(lái)各位學(xué)者對(duì)選線問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，并提出了各種解決方法，但由于我國(guó)的配電網(wǎng)不斷地改進(jìn)與發(fā)展，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行效果上，現(xiàn)有的選線方法并不能完全解決各種問(wèn)題。基于這個(gè)原因，應(yīng)繼續(xù)針對(duì)故障選線方法進(jìn)行大量深入的研究，找到更有效的解決辦法，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性［4］。本文分析了小電流接地系統(tǒng)接地故障信號(hào)的特征，并總結(jié)現(xiàn)在廣泛使用的選線方法的原理與優(yōu)缺點(diǎn)。

1 單相接地故障信號(hào)特征的分析

1．1 穩(wěn)態(tài)特征信號(hào)分析

中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，全系統(tǒng)伴隨零序電壓的產(chǎn)生會(huì)有零序電流產(chǎn)生，所有非故障線路上元件的對(duì)地電容電流之和在數(shù)值上等于故障線路的零序電流，故障相電流方向從線路流向母線，與非故障線路相反［5-6］。為了減少故障點(diǎn)處的故障電流，在中性點(diǎn)處接入了消弧線圈，相當(dāng)于疊加了一個(gè)與故障電流相反的感性電流，在實(shí)際運(yùn)行中，由于消弧線圈過(guò)補(bǔ)償?shù)淖饔?，所疊加的感性電流在數(shù)值上大于故障電流，使得故障電流方向發(fā)生改變與非故障線路相同，由此，使得基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法失?。?］。由圖1可以看出故障電流為

其中iL為消弧線圈補(bǔ)償電流；∑iC為L(zhǎng)1—Lk對(duì)地電容電流之和。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

1．2 暫態(tài)特征信號(hào)分析

配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，所產(chǎn)生的故障電流包含的暫態(tài)成分比穩(wěn)態(tài)成分多?？梢员焕玫挠行У男畔⑤^多，全網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)電容電流相當(dāng)于2個(gè)電容電流之和：放電電流，此電流方向由母線流向故障點(diǎn)處，是由于故障線路的電壓突然降低而產(chǎn)生；充電電流，該電流通過(guò)電源形成回路，是由于非故障線路的電壓突然升高而產(chǎn)生[5]。一般在相電壓接近最大值時(shí)刻較多地發(fā)生接地故障，此時(shí)電容電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電感電流，消弧線圈補(bǔ)償作用可以忽略不計(jì)，所以可以認(rèn)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的暫態(tài)特征是相似的，因此利用故障時(shí)的暫態(tài)特征作為選線的基本依據(jù)的重要意義顯而易見(jiàn)。

2 小電流接地系統(tǒng)故障選線方法

2．1 基于穩(wěn)態(tài)分量的選線方法

2．1．1 零序電流比幅法

零序電流比幅法所需的特征量是零序電流，是根據(jù)系統(tǒng)故障的穩(wěn)態(tài)特征來(lái)進(jìn)行選線，比較母線處各出線零序電流幅值大小，其中幅值最大的線路即為故障線路，此方法比較簡(jiǎn)單容易實(shí)行。但是，當(dāng)幅值差距不大或者母線故障時(shí)，會(huì)造成選線失敗，此外還有各種復(fù)雜因素的影響，如不平衡的CT，系統(tǒng)運(yùn)行方式等問(wèn)題［8］。由于電容電流在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中被補(bǔ)償，使得該方法不適用于此系統(tǒng)，但可用于小電流不接地系統(tǒng)，適用范圍較小。

2．1．2 零序電流相位法

配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，該方法利用故障穩(wěn)態(tài)特征選出與各條出線零序電流方向不同的線路作為故障線路。當(dāng)線路很短且零序電很小時(shí)容易產(chǎn)生“時(shí)針效應(yīng)”，在零序電流方向的判斷上出現(xiàn)錯(cuò)誤。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式、電流不平衡以及過(guò)渡電阻也會(huì)對(duì)故障線路產(chǎn)生一定程度的干擾。同樣，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用可以改變故障線路電流的方向，同零序電流比幅法一樣，此方法也不適用諧振接地系統(tǒng)，只能用于不接地系統(tǒng)。

2．1．3 群體比幅比相法

該方法是前兩個(gè)方法的結(jié)合。首先比較各條線路的零序電流幅值大小，選出3條以上幅值相對(duì)較大的線路，然后再比較它們的相位，方向與其他線路相反的即為故障線路，若所有方向線路都相同則為母線故障［9］。但此方法易受過(guò)渡電阻的大小以及CT不平衡等因素的影響，且死區(qū)和盲點(diǎn)的存在會(huì)對(duì)相位的判斷產(chǎn)生影響。除此以外，由于是前兩種方法的結(jié)合，同樣只能適用于不接地系統(tǒng)。

2．1．4 有功分量法

電網(wǎng)中各條線路存在對(duì)地電導(dǎo)，消弧線圈串／并聯(lián)的電阻在發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定有功電流且不能被消弧線圈補(bǔ)償。以零序電壓作為參考量，將有功分量取出，然后利用故障線路零序電流有功分量比非故障線路大且方向相反來(lái)選線[5]。此方法雖然不受消弧線圈的限制，但接地電流中有功分量的成分較少，降低了檢測(cè)的靈敏度，且受接地電阻和電流互感器不平衡的影響。

2．1．5 五次諧波法

配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，諧波成分是產(chǎn)生的故障電流中主要的一部分，且主要是5次諧波，并且消弧線圈對(duì)5次諧波的影響僅僅是工頻的1/25，幾乎可以忽略消弧線圈對(duì)5次諧波的補(bǔ)償，因此可直接利用故障線路5次諧波分量的幅值較非故障線路大且方向不同來(lái)選線[10]。但現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行效果并不完美，因?yàn)榻拥仉娮栎^大時(shí)，諧波分量較小，不容易檢測(cè)，還受電弧不平衡影響。

2．1．6 零序?qū)Ъ{法

在發(fā)生接地故障時(shí)，就像是在電網(wǎng)中增加了一個(gè)不對(duì)稱電源，由于此電源的影響會(huì)引起線路導(dǎo)納系數(shù)的改變，該方法就是根據(jù)此特點(diǎn)比較每條線路在故障后零序?qū)Ъ{的大小與相位的來(lái)選線。故障線路的零序?qū)Ъ{散布在第二和第三象限，非故障線路的零序?qū)Ъ{散布在第一象限[11]。該方法的靈敏度較高，有較高的準(zhǔn)確率，但需要能自動(dòng)協(xié)調(diào)的消弧線圈一起使用，且在間歇性瞬時(shí)故障時(shí)幾乎失效，大大降低了適用范圍以及選線的準(zhǔn)確性。

2．1．7 S 注入法

在發(fā)生接地故障時(shí)，通過(guò)閑置的PT向系統(tǒng)注入一個(gè)不同于系統(tǒng)頻率的特殊電流信號(hào)，它會(huì)通過(guò)故障線路流經(jīng)接地點(diǎn)最后流入大地，可以用信號(hào)探測(cè)器檢測(cè)各條出線尋找該特殊信號(hào)的蹤跡，選出故障線路[12]。該方法的原理是：在系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，只有接地相可以通過(guò)大地形成回路，所以注入的信號(hào)可以在故障時(shí)形成通路。該方法不受電網(wǎng)參數(shù)的影響，不受消弧線圈的影響，提高了各種因素影響下的選線準(zhǔn)確率。但是注入的電流信號(hào)受裝設(shè)的PT容量的限制不能太高；除此之外，在接地電阻較大時(shí)，注入的信號(hào)會(huì)被線路上的電容分流，這就降低了檢測(cè)的靈敏度；并且注入的電流信號(hào)會(huì)受到電弧現(xiàn)象的影響，使得信號(hào)不再連續(xù)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，影響對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)。

2．2 基于暫態(tài)分量的選線方法

2．2．1 首半波法

此方法最重要的一點(diǎn)就是假設(shè)故障發(fā)生的時(shí)刻是相電壓接近峰值的瞬間，此時(shí)，暫態(tài)電容電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于暫態(tài)電感電流。該方法的選線原理是在發(fā)生單相接地故障后的首個(gè)半周期內(nèi)，故障線路的零序暫態(tài)電流和電壓的極性與非故障線路相反[3,8]。但是如果故障發(fā)生在相電壓經(jīng)過(guò)零的時(shí)刻，暫態(tài)電流的信號(hào)非常薄弱，特征信號(hào)不明顯，不易檢測(cè)。顯而易見(jiàn)，該方法有一定的局限性，并且過(guò)渡電阻和諧波會(huì)造成一定的干擾，降低故障選線的準(zhǔn)確性。

2．2．2 小波分析法

小波分析理論可以在一定的頻帶內(nèi)將暫態(tài)信號(hào)分解，尤其是對(duì)奇異信號(hào)和變化不明顯的信號(hào)應(yīng)用較好，信號(hào)突變部分和信號(hào)的奇異點(diǎn)處包含有能清晰反映原始信號(hào)中重要信息的成分[13]。而在小電流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，暫態(tài)信號(hào)的奇異處隱藏有較多有價(jià)值的故障信息，能清晰地反映故障的暫態(tài)特征，所以可以利用小波分析法來(lái)分析和提取故障信息。故障發(fā)生時(shí)電流會(huì)突然改變，小波分析法就是利用這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選線，首先利用小波奇異性檢測(cè)的方法對(duì)各條線路的暫態(tài)零序電流使用小波變換，然后對(duì)各條線路的零序電流經(jīng)過(guò)小波變換后的模極大值的峰值和相位進(jìn)行分析和對(duì)比，模極大值最大且相位與其他線路相反的線路即為故障線路。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)，也涉及到一些細(xì)節(jié)選擇：小波基函數(shù)的選取對(duì)小波變換的結(jié)果非常關(guān)鍵，要選擇緊支集正交性的小波；對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行小波分解后，選擇小波變換細(xì)節(jié)部分中絕對(duì)值幅值最大的點(diǎn)所在的尺度作為分解尺度；信號(hào)的采樣頻率也有相應(yīng)的要求，應(yīng)該大于等于信號(hào)中最高頻率的2倍[14]；還要進(jìn)行細(xì)節(jié)分量的重構(gòu)以及邊界的處理。

本文認(rèn)為小波分析在信號(hào)處理方面是一種比較理想的數(shù)學(xué)工具，所以應(yīng)將小波分析法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，并結(jié)合實(shí)際繼續(xù)深入研究，使得小波分析法能適用于各種類型的單相接地故障的選線。

2．2．3 暫態(tài)能量法

暫態(tài)能量法首先需要得到能量函數(shù)（用零序電壓乘以零序電流，然后再對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分），即對(duì)故障發(fā)生后各條線路暫態(tài)零模功率進(jìn)行積分。故障線路和非故障線路能量函數(shù)的正負(fù)不同，且非故障線路能量函數(shù)的總和等于故障線路能量函數(shù)的絕對(duì)值[15]，根據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)選擇故障線路。但是，有功分量在暫態(tài)電流中所占成分小，使得暫態(tài)信號(hào)在暫態(tài)能量法的使用中不能完全被利用，大大減小了檢測(cè)的靈敏度，除此之外，計(jì)算積分函數(shù)時(shí)容易將固定誤差引入其中，所以實(shí)際中的應(yīng)用效果還有待檢驗(yàn)。

2．3 綜合法

2．3．1 模糊控制綜合選線法

模糊控制是利用精確的模糊數(shù)學(xué)工具對(duì)模糊概念里存在的數(shù)量規(guī)律進(jìn)行處理。該方法首先選出幾種不同的在理論上有較好效果的選線方法，然后根據(jù)模糊理論建立每個(gè)選線方法判據(jù)的隸屬度函數(shù)，然后對(duì)選線結(jié)果給出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的加權(quán)評(píng)價(jià)，最后對(duì)得到的選線結(jié)果進(jìn)行結(jié)合得到一個(gè)綜合性的選線結(jié)果。該方法克服了單一選線判據(jù)的不足，且該綜合性的判據(jù)可以適應(yīng)各種復(fù)雜情況下的接地故障，系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式和運(yùn)行方式對(duì)其沒(méi)有影響，使得選線的準(zhǔn)確率大大提高。

2．3．2 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模式識(shí)別

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和貝葉斯的決策方法是該方法的立足點(diǎn)，該方法的基本原理是將接地故障發(fā)生后各個(gè)線路的零序電流認(rèn)為是某類故障的一個(gè)模式，然后通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)來(lái)判斷此故障模式[8]，以此實(shí)現(xiàn)選線。故障模式的判斷與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)及鍛煉有非常緊密的關(guān)系，所以使得此方法具有較高的準(zhǔn)確率。除此之外，需要深入了解和全面掌握小電流接地系統(tǒng)接地故障選線的具體特征，然后根據(jù)特征對(duì)選線識(shí)別框架分配函數(shù)進(jìn)行科學(xué)的構(gòu)建（可通過(guò)證據(jù)理論模型的構(gòu)建對(duì)選線問(wèn)題進(jìn)行有條理科學(xué)的判斷），這是選線方法判定的基礎(chǔ)，該方法中綜合選線策略的制定的核心就是信息的融合。

3 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了以上各種選線方法的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

a）零序電流比幅和比相法簡(jiǎn)單易行，但都不適用于諧振系統(tǒng)，只能用于不接地系統(tǒng)，且易受過(guò)渡電阻和CT不平衡的影響。有功分量法、5次諧波法和S注入法這3個(gè)方法都可以適用于諧振接地系統(tǒng)，但是接地電流中的有功分量較小、故障線路中的諧波較小、S注入法容易被線路上的電容分流，這就使得這3種方法得檢測(cè)靈敏度較低。零序?qū)Ъ{法在發(fā)生間歇性故障時(shí)幾乎失效。

b）基于暫態(tài)算法的選線方法克服了穩(wěn)態(tài)算法靈敏度低的缺點(diǎn)，且不受消弧線圈的影響。目前，基于暫態(tài)故障信號(hào)與理論比較完善的數(shù)學(xué)算法相結(jié)合是一熱點(diǎn)，但過(guò)于依賴數(shù)學(xué)分析工具和仿真驗(yàn)證，所以本文認(rèn)為應(yīng)該將單相接地故障的發(fā)生進(jìn)行更加深入的系統(tǒng)分析以及研究現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，并將兩者相結(jié)合。除此之外，接地故障的邊界條件復(fù)雜且具有隨機(jī)性，應(yīng)深入研究暫態(tài)信號(hào)的特性，全面地理解故障特征量并能可靠地將其提取。

c）小波分析法和綜合法在理論上都有較高的選線準(zhǔn)確率，但缺乏實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)將這種有著較高選線準(zhǔn)確率的方法應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行分析研究此兩種方法。

本文認(rèn)為若想研究出準(zhǔn)確率高的選線方法，首先需要更加深入地研究故障的發(fā)展和形成過(guò)程，以及各種因素對(duì)故障的影響，對(duì)故障信息了解地更加透徹。其次，重點(diǎn)研究故障發(fā)生后暫態(tài)特征量的特點(diǎn)，使得小波分析不僅能在理論上有高準(zhǔn)率而且在實(shí)際運(yùn)行中也能有較好的運(yùn)用。第三，應(yīng)從線路故障的實(shí)際情況出發(fā)，可以根據(jù)我國(guó)配電網(wǎng)的實(shí)際情況有選擇性地借鑒國(guó)外優(yōu)秀的科學(xué)技術(shù)，并與我國(guó)選線技術(shù)相結(jié)合，做好對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的檢測(cè)工作。