小电流接地选线技术研究综述

小电流接地选线技术研究综述

曹志刚 赵丽萍 侯壮 曹志强 常潇续

国网冀北电力有限公司张家口供电公司 河北张家口 075000

摘要：我国3～66kV电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即小电流接地系统。该系统的单相接地故障选线问题一直是配电自动化的研究热点，解决该问题的方法层出不穷，各有其特点。本文对现有的故障选线技术进行了归纳，分析了这些方法的基本原理与优缺点，总结了前人的研究结果，最后对小电流接地选线技术进行了展望。

关键词:小电流接地系统；故障选线；配电网；选线方法

0引言

电力系统按接地处理方式可分为大电流接地系统（包括直接接地，电抗接地和低阻接地）、小电流接地系统（包括高阻接地，消弧线圈接地和不接地）[1]。我国3～66kV电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统[2]。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的临时性故障，在地区电网线路特别是10kV配电线路单相接地经常发生。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运行1～2h。但是该故障情况下电网长期运行，因非故障的两相对地电压升高，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电[3]，还可能使电压互感器铁心严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。同时弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。

因此，一旦发生单相接地故障，若能及时发现故障点并立即消除，就可以最大限度地将故障范围限定在较小的区域内。这有利于提升系统安全可靠供电的能力。所以，在生产中研究单相接地故障选线具有重要的现实意义。

1研究现状

经过多年的发展以及大量专家学者的努力，系统故障后进行选线的技术已经取得了明显的进步。现有的选线方法主要可以分为三大类：稳态、暂态以及暂稳态融合法。稳态法即利用系统故障稳定后持续的一段较长时间内正常线路与故障线路的区别进行线路选择，主要包括群体比幅法，零序导纳法、高次谐波法、无功功率法、有功功率法等；暂态法主要包括首半波法、小波法、能量法在内的一些经典方法。以上方法从本质上看都是利用系统故障后，正常线路与非正常线路的电气特征量之间的差异来进行选线，这些单一方法都各有其优缺点。总体来说综合法的选线效率更高，并且在某些情况下具备测距功能。

2选线方法综述

2.1稳态选线法

（1）幅值、相位比较法

幅值比较法是指在系统发生故障后进入稳态，正常线路在该阶段的零序电流幅值明显小于故障线路的幅值。然而，该方法存在明显的缺点。首先，它极大程度上依赖于信号检测装置的灵敏度。其次，即便信号检测装置具有很高的灵敏度，仍然存在选线困难的问题。特别是在系统发生大电阻接地时，电流信号的幅值变化不明显，难以清晰区分二者的差异，导致选线困难。

相位比较法原理与幅值比较法的原理类似，是指在系统进入稳态后，利用正常线路与故障线路在该阶段的零序电流信号方向的不同来进行选线，同样该方法和幅值比较法一样，易受到接地电阻，信号频率和信号检测灵敏度的影响。

群体比幅比相法是对上述幅值比较法和相位比较法的综合，与上述单一的方法一样，该综合方法也受接地方式的影响。

（2）高次谐波法

系统发生故障后，线路中除了产生工频分量外，还会产生谐波分量。由于消弧线圈补偿的电流是工频零序电流，因此该方法适用于多种接地方式。然而，零序电流的谐波分量幅值较小，目前的方法大多是利用其中占比最高的五次谐波进行选线，也有学者提出将多个高次谐波幅值求和后进行选线的方法。

（3）有功功率法

系统发生故障后的零序电流为容性电流和消弧线圈的感性电流之和，幅值、相位比较法正是在中性点不接地的情况下比较线路故障前后容性电流的差异。有功功率法在此基础上利用电压和电流的相位关系，分解出零序电流的容性部分，线路故障后的有功功率数值大于正常时的有功功率，方向与正常线路的有功功率相反，但由于零序电流的幅值较小，需要对其进行信号增强的处理。

2.2暂态选线法

暂态过程指的是系统发生故障的瞬间，各条线路的零序电流在此阶段会产生极其不稳定且幅值频率较高的状态。尽管这一阶段持续时间很短，通常不到1个工频周期，但其信号特征非常明显。在这个阶段，信号的幅值通常是稳态部分信号幅值的数倍甚至十几倍，因此包含了大量有用的故障信息。这一特性使得暂态过程能够解决稳态部分故障特征不明显、信号微弱的问题。

（1）首半波法

该方法与之前提到的基于稳态的幅值相位比较法相似，在70年前由德国科学家提出。该方法利用系统发生故障后，正常线路和故障线路的暂态信号在幅值和相位上存在巨大差异来进行选线。这一特征持续时间通常在故障后的首个半波长周期内。然而，该方法存在波形持续时间过短、信号瞬息即逝的问题，在实际工程中很难准确测量。此外，它容易受到故障合闸角、弧光接地等因素的影响。同时，该方法还放弃了许多其他故障信息，因此在实际工作中很难准确地进行选线。

（2）小波分析法

作为一种出色的非平稳信号处理方法，小波分析能够有效提取故障特征信息，已成为目前应用最广泛的方法之一。利用小波分析无需考虑系统运行方式的影响。以往，一些方法利用小波分解提取特征能量或者利用小波包分解获取线路模极大值来进行选线。然而，小波分析面临着基函数的选取问题，不同的基函数可能导致分解结果的质量参差不齐。

（3）综合分析法

由于暂态信号部分包含大量故障特征，而该信号本身属于典型的非平稳信号。因此，基于希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform, HHT）的基础上，推广了经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）用于对暂态信号进行分解。随后，利用分解后的各个子信号计算能量特征，以用于故障选线。然而，EMD 在信号分解过程中存在端点效应，这导致本来就微弱的信号在该方法下可能出现信息丢失的问题，进而可能导致误判。尽管后来出现了改进的经验模态分解算法，如多尺度经验模态分解（Multi-scale EMD, MEEMD），可以提升算法性能，但无疑也增加了模型的复杂度。

4结语

本文分析了暂态选线法、稳态选线法以及综合选线法的基本原理与优缺点，结合前人的研究结果分析了这些方法的应用条件。结合目前供电企业接地选线的现状和现实需求，提出如下选线方法：

目前，大部分地区的小电流接地系统接地故障后，依托现有网架结构和装置配置，智能电网调度控制系统可以做到接地线路所属变电站母线的确定，但接地线路查找仍需采用人工拉路的方法，准确性和时效性难以满足现代电网高可靠性和高稳定性要求，严重影响供电企业优质服务水平。

结合新一代配电自动化系统的建设应用情况，采用“智能电网调度控制系统+新一代配电自动化系统综合研判”的方法，可以做到接地线路所属分段快速定位的目的，提升故障研判准确性和处理的时效性。具体逻辑如下：智能电网调度控制系统确定接地线路所属变电站母线的接地相别，新一代配电自动化系统分析该变电站相应母线所有出线开关的告警信息，采用该母线上零序电流+零序电压最大值，且潮流方向为母线指向线路侧最大值的算法屏蔽其他告警信息的模式，精准确定接地故障所处的具体接地线路分段位置。此种接地选线选段方法，不需要增加现有一次和二次设备投资，仅需将现有系统数据进行交互即可实现，其经济意义和实用意义强，有非常大的实用化前景。为新型数字化电网建设可提供有效的技术支撑。

小电流系统接地选线公式：(Up≤Upq)&(maxU0n&maxI0n)

为进一步提高选线的准确性，本文认为需要从以下几个方面加强技术应用：提高小电流信号检测精度，完善故障录波技术；丰富现场运行数据，并准确提取接地故障时的有效信息；智能化融合选线技术，特别是将暂态信号法和稳态信号法有效地融合，其中选线方法适用范围的确定是关键。

参考文献

[1]吕佳穗.基于多暂态特征的小电流接地系统单相接地故障选线方法研究[D].四川农业大学,2020.000828.

[2]叶伟权.基于多故障判据融合的小电流接地系统单相接地故障选线研究[J].电工技术,2022,(11):7-9.2022.11.002.

[3]赵芳谊,张明.小电流接地系统单相接地故障选线方法[J].农家参谋,2019,(23):144.