配电自动化系列二：小电流接地故障选线和定位

来源：    发布时间：2013-12-09 15:51:23 

　　中性点不接地、经消弧线圈接地等非有效接地方式中压配电网中，单相接地时故障电流较小（一般在数十安培以内），通常称其为小电流接地故障。受故障电流微弱、故障点不稳定、消弧线圈补偿作用等因素影响，长期以来，小电流接地选线和定位问题未得到完全解决。过去主要借助人工试拉路选择故障线路、人工巡线查找故障点，既导致健全线路不必要短时停电、影响系统供电可靠性，也消耗大量人力物力、影响故障查找和修复速度，还可能使系统长期带故障运行面临弧光过电压等危害。

　　近年，小电流接地故障选线问题已基本解决，定位问题也已取得突破性进展。

　　接地故障特征

　　主要包括反映故障工频电压电流的稳态特征和反映故障主谐振过程的暂态特征。在不接地系统和经消弧线圈接地系统中，稳态特征有明显差异，而暂态特征则相同。

　　中性点不接地系统的故障稳态特征主要有：①接地相电压降低，两个健全相电压升高，出现零序电压，三相间线电压始终保持正常状态。②故障点电流为同一系统中所有线路对地分布电容电流之和，一般在数安培到数十安培。③对同母线的各出线，故障线路零序电流幅值最大、流向（极性）和健全线路相反。④在故障线路上，故障点上游零序电流幅值一般远大于下游零序电流，且流向（极性）相反。⑤在健全线路或故障点下游（负荷侧）线路，故障电流从母线流向线路；而在故障点上游（母线侧）线路，故障电流从线路流向母线。

　　经消弧线圈接地系统的故障稳态特征：①由于消弧线圈电感电流与线路对地电容电流相位相反、相互抵消，故障点电流明显降低，一般在数安培。②在消弧线圈过补偿条件下，故障线路零序电流极性（流向）和健全线路相同、幅值不一定最大；③在故障线路上，故障点上游零序电流幅值和下游零序电流幅值接近，二者流向（极性）也相同。④其它情况与不接地系统中相同。

　　单相接地时存在着显著的过渡过程（即暂态过程），包括故障相对地分布电容因电压下降的放电过程与非故障相对地分布电容因电压升高的充电过程，将产生按指数衰减的暂态电流分量。非有效接地系统的故障暂态特征主要有：故障暂态电流幅值远大于工频电　  流，可达数百安培，暂态主谐振频率一般在200~2000赫兹。暂态电流的分布规律与不接地系统中工频零序电流相同：故障线路暂态电流幅值最大、流向（极性）和健全线路相反；故障点上游线路和下游线路的暂态电流流向相反，一般情况下上游线路暂态电流幅值远大于下游线路。此外，由于故障点上游和下游的暂态谐振过程近似独立，故障点两侧暂态电流波形的相似度也较低。由于消弧线圈的电感特性，其对高频率暂态电流的补偿作用可忽略，暂态电流在不接地系统和经消弧线圈接地系统中的分布规律是相同的。

　　接地故障选线技术

　　早期选线技术主要是利用故障产生的稳态电压电流信号，如故障工频电流、谐波电流、有功电流，这些方法均存在故障量不突出、不稳定、不确定的问题，检测效果（特别是对经消弧线圈接地系统）不理想。

　　目前实用的选线技术，可以分为利用一次设备动作改变系统运行状态及向系统注入电流的主动式选线方法和利用故障产生暂态电压电流信号的被动式选线方法。

　　主动式检测技术主要包括注入信号法、残流增量法、小扰动法、中电阻法等。各方法的工作机理本质上是相同的，都是通过检测在系统原有故障电流基础上附加的扰动电流来鉴别故障线路，其效果主要取决于扰动电流幅值大小、可重复性等因素，一般而言，扰动电流越大选线结果越可靠。注入信号选线法通过电压互感器（TV）等向系统耦合数百毫安到数安培的扰动电流。残流增量选线法依赖改变消弧线圈补偿度或切除阻尼电阻等操作产生数安培扰动电流。小扰动选线法作为残流增量选线的特殊形式，利用电子式消弧线圈调节灵活的特点，可通过动态配合和重复选线等措施提高选线可靠性。中电阻选线法通过在系统中性点投入阻值适中的电阻产生数十安培（一般为45安培）电流信号，由于其产生的扰动电流更大，检测可靠性也更高。对于该类选线方法，由于需要附加一次设备或需要一次设备动作配合，易给系统带来一定的安全隐患。

　　故障暂态信号包含了丰富的故障信息，用于故障检测或继电保护具有独特的优点，是继电保护研究和应用工作　  者一直追求的目标。从上世纪70年代开始，人们已经开始尝试用暂态信号解决小电流接地的检测问题，终于在近期取得实质性成果，成为继电力线路行波故障测距技术之后暂态保护领域的又一项重大突破。

　　暂态选线的早期形式是首半波法，其利用故障线路暂态零序电流与暂态零序电压初始极性相反的特点鉴别故障线路。但由于受系统结构、参数及故障位置等因素影响，暂态首半波的持续时间不确定，检测可靠性较低。

　　新型的暂态选线方法利用了整个过渡过程所有的暂态电压和电流信号，主要判据有：①利用瞬时功率理论构造暂态功率算法，选择暂态无功功率流向母线的线路为故障线路；②选择暂态零序电流幅值最大的线路为故障线路；③选择与其它线路暂态零序电流极性不同的线路为故障线路。由于故障暂态电流频率高，不受消弧线圈影响，可适应不接地和经消弧线圈接地系统；暂态电流幅值大，可达数百安培，检测可靠性高；特别是在配电网普遍存在的间歇性接地、弧光接地时，暂态信号更丰富，选线可靠性更高；只利用故障自身信号，不需要一次设备配合，安全性好。

　　注入较大电流的主动式方法（如中电阻法）和暂态法，选线效果能够满足现场需求，但两类方法的安全性、实现便利性、经济性仍存在较大差异。另一方面，仍需要大量的应用和推广工作。

　　接地故障定位技术

　　利用线路两端或中间的检测设备、便携式巡线设备等，通过检测故障电气量或其它设备产生的扰动电流，确定故障区段或故障位置。

　　利用扰动电流的定位技术，通过在系统中性点投入阻抗、改变消弧线圈补偿度、电压互感器（TV）耦合等方法在系统中产生扰动电流信号，再利用沿线路的故障检测装置 （如故障指示器）确定故障区　　  段，或利用便携式巡线设备根据信号寻迹原理确定故障位置。该类方法的可靠性主要受扰动电流幅值等影响。

　　暂态定位技术利用故障产生的暂态电压电流信号、基于配网自动化系统或故障指示器确定故障区段。暂态功率方向方法利用故障暂态无功功率在故障点上游由线路流向母线而在下游由母线流向线路的原理，适用于能够同时获得电压和电流信号的情况。暂态电流相似性方法利用故障点两侧暂态电流相似程度低而健全区段两侧暂态电流相似程度高的原理，适应仅能获得电流信号的情况。和暂态选线技术相似，其不受消弧线圈补偿影响可适用于中性点不接地系统和经消弧线圈接地系统，不需要一次设备动作配合安全性能好。

　　行波测距技术利用故障产生的暂态电压电流行波信号在线路上的传播时间，测量故障点到测量点的距离。该技术主要适用于线路较长、结构简单、无或少分支的配电线路。

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