基于单相电流行波的配电线路单相接地故障选线方法

李爱兵张建全

摘要：我国配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地（即小电流接地）的运行方式，其中尤以经消弧线圈接地方式占绝大多数，由于故障点的电流很小、电弧不稳定等原因，接地选线的问题一直未被完满解决。配电网是电能输送中直接与用户相连的环节，其可靠性直接关系到对用户的供电质量。因此，提高配电可靠性是提高电力系统供电可靠性的重要内容。

关键词：小电流；电流行波；配电线路；单相接地故障；选线方法

1小电流接地选线研究现状

传统的以基频零序电流电压作为特征的接地选线方法，主要是依靠群体比较电流的大小和方向。由于受线路参数、过渡电阻及消弧线圈的影响，接地故障电流变化很大，尤其是经消弧线圈全补偿的时候，接地电流很小，幅值和方向的测量困难，影响保护精度，灵敏度不高。基于零序五次以上谐波的方法虽然不受消弧线圈的影响，但故障信号中谐波分量很小，灵敏度受到很大限制。而且这些方法都需要比较各条支路电流的大小和方向，所以很难与馈线保护合为一体，不能满足配电自动化的要求。

单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往比稳态值大十几倍到几十倍，基于暂态信号的选线方法灵敏度高且不受消弧线圈的影响，但现有方法大多有待完善。首半波法其极性关系成立时间极短（远小于暂态过程），检测可靠性不高，而且在相电压过零时故障，首半波电流暂态分量很小，以及过渡电阻的影响，该方法可能失效。基于小波变换的选线方法利用了故障电压和电流瞬时过程的特征量，具备了快速性和精确性，但易受外界电磁干扰和过渡电阻的影响。

综上所述，小电流接地系统的单相接地故障选线问题始终没有得到彻底解决（尤其对中性点经消弧线圈接地系统），一直是继电保护领域研究的热点和难点。

2故障初始行波分析

电力系统发生故障，电网结构将发生变化。根据叠加原理，故障后的网络可以分解为故障前的负荷网络和故障分量网络的叠加，故障分量网络是由故障直接产生的，包含所有的故障信息，故障行波也不例外。而在故障分量网络中，故障点将其分解为系统正常运行时就存在的系统侧和故障直接产生的故障支路两部分。

3小电流接地系统单相接地故障基本特征分析

3.1中性点消弧线圈接地系统单相接地故障特征分析

在中性点不接地电网中，消弧线圈是接在中性点的一个电感线圈，当出现单相接地故障时，接地点就会出现一个分量电流通过，此电流会与原系统中的电容电流相互抵消，避免形成两点或多点接地接地故障。中性点消弧线圈接地系统单相接地故障特征有：

3.1.1消弧线圈的两端电压为零序电压，消弧线圈电流经过接地故障点和故障线路的故障相，但不经过非故障线路。非故障线路上的零序电流数值相当于本身对地的电容电流，它超前零序电压90°，其方向为母线流至线路。接地故障点的残余电流数值相当于电网原系统接地电容电流与补偿度的乘积，数值很小，它滞后零序电压90°。

3.1.2单相接地故障发生时，故障点相对地的电压为零，非故障点相对地的电压为电网原系统的线路电压。电网全系统这时出现零序电压，数值为电网正常运行时的相电压。

3.1.3在对电容电流的过补偿情况下，故障线路上电流的方向也是由母线流至各线路，相位也是超前于零序电压90°，其零序电流的大小为本线路电容电流与残余电流之和。

3.2中性点不接地系统单相接地故障特征分析

在正常运行的情况之下，中性点不接地系统各个线路对地电容基本相同，由此中性点电压为零。但是一旦发生单相接地故障，其对称性就会遭到破坏，中性点由此悬空，单相接地后中性点电位将发生偏移，最终影响其他两相对地龟压。通常来说，中性点不接地系统发生单相接地故障时有以下几点：

3.2.1在发生单相接地的时候，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，此时，全系统会出现零序电压，其大小与电网正常工作时的电压相等。

3.2.2在非故障线路上会存在零序电流，其数值和自身的对地电容电流相等，方向从母线流向线路。

3.2.3在故障线路上，零序电流等于所有非故障线路的零序电流的和，方向从线路流向母线，相位和非故障线路零序电流的相位相反。

3.2.4接地故障处的电流和所有线路的接地电容电流的总和相等。

以上分析表明：基于单相电流初始行波的故障选线与系统的中性点接地方式无关，不仅适用于小电流系统，包括中性点不接地系统，中性点经消弧线圈系统等等，甚至对大电流系统，如中性点直接接地系统也同样适用。所提原理比较故障线路与非故障线路电流行波之间的相对关系，所以从原理上讲，不受电流行波绝对大小的影响。也就是说该原理不受故障电阻，线路波阻抗（线路形式）、线路回数的影响；基本不受故障初始电压的影响。但与现有基于模量行波的选线原理比较，其还受零模初始行波的影响，下面具体分析零模故障初始行波下的新原理性能。

4小电流系统单相接地故障选线原理

4.1首半波法

首半波单相接地故障选线方法的原理是假设在相电压接近最大值得瞬间发生接地故障。由于在零序参考电压与首半波的暂态零序电流之间有固定的相位关系存在，致使非故障线路与故障线路暂态零序电流相位相反，由此就可以将故障线路选出来。但是在相位电压过零附近发生故障时，首半波电流暂态分量比较小，而过滤电阻对其的影响又比较大，因而工作中存在死区。

4.2注入法原理

利用原边被短接时，人为地向系统注入一个特殊信号电流，通过检测跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。

4.3注入变频信号法原理

即根据故障后不同位移电压的大小，监视各出线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化并比较大小，再计及线路绝缘老化或受潮等因素，综合得出选线判据。

4.4能量法原理

即根据非故障的能量函数总是大于零，故障线路的能量函数总是小于零，消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同，并且故障线路的能量函数的绝对值等于其它线路的总和，根据这一特征提出方向判别和大小判别两种接地选线方法；

七是负序电流选线原理。即利用负序电流与零序电流比较进行故障选线，由此构成的保护装置不仅不受弧光接地影响，而且抗过渡电阻能力强。这种比较式接地保护具有自适应等优点，但非故障线路负序电流很小，测量很困难，在实际保护配置中基本不使用。

4.5基于小波变换的接地选线原理

小波分析对暂态信号和微弱信号的变化较敏感，能十分可靠地提取出故障特征。小波变换的奇异性检测及模极大值理论提出了实现故障启动和选线方法。模式识别和多层前馈神经网络方法用统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯决策方法和人工神经网络方法进行小电流接地选线，它将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通过人工神经网络的训练与学习来判断故障模式从而实现故障选线。

结束语：

小电流接地系统在我国有着广泛的应用，单相接地故障选线对提高我国电网供电可靠性有着重要的作用，我们应该结合具体的情况，选取合理的选线方法，避免选线的局限性，从而切实保障供电的可靠性。

参考文献：

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