影响小电流接地选线准确率的因素及发展展望

2013-07-18沈齐，李全，李军

冶金动力 2013年9期

沈齐，李全，李军

（1.马鞍山钢铁股份有限公司第二能源总厂，安徽马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司第一能源总厂，安徽马鞍山 243000）

1 引言

小电流接地系统单相接地故障选线问题为多年来困扰配电网运行的难题。早在20世纪80年代，微机的出现给小电流接地选线研制提供了硬件条件，90年代初曾掀起了“小电流接地选线技术”的应用高潮，市场上生产和实际运行的小电流接地选线装置很多，也结累了很多经验。但是90年代后期又陷入了低潮，约有80%～90%的厂家选线装置因选线效果不佳退出了生产，而选线失败的原因并无定论，这说明选线研究工作仍任重而道远，需要及时总结分析其成功的经验和失败的教训，提高故障选线的准确率。

2 历史回顾

最初的故障选线方法是逐条线路拉闸监视零序电压有无，虽可保证正确性，但速度慢且对供电可靠性极为不利，也不符合继电保护快速性的要求。于是根据实践经验和对选线原理的深入研究及科技的发展，相继提出了多种不同原理的故障选线方法并投入使用。但运行实践证明，这些不同原理和方法的选线装置，运行中的效果仍不尽人意，其选线正确率仍然难以保证［3］。

我国对小电流接地选线的研究始于20世纪50年代中后期，运用于60年代初，按年代顺序推出的选线原理和方法大致如下（限于篇幅，其原理部分不予介绍）：

（1）零序功率最大法（接地故障稳态算法）

（2）零序电流有功分量法；

（3）首半波原理；

（4）5次谐波原理（谐波法）；

（5）相对相位比较法；

（6）S信号注入法；

（7）微机综合概率判断法；

（8）面保护（群体比幅比相法）；

（9）Prony法；

（10）基于小波变换的选线技术（小波原理）；

（11）负序电流选线法；

（12）最大（ISinj）原理；

（13）两相电流旋转变换的新原理；

（14）零序对地导纳选线的新原理；

（15）基于人工智能的模糊理论及遥感选线；

（16）神经网络选线法。

虽然有如此众多不同判据和不同原理的选线方法，但按照所选用的电气量，可分为利用注入信号和故障信号两类。其中利用故障信号的方法又可分为故障信号稳态量和暂态量两大类。

2 存在的问题

2.1 共性问题

（1）系统接线和故障状态。小电流接地系统发生单相接地故障时，受到不同故障线路、故障相别、故障初相角、故障点位置以及不同系统的接地方式、故障接地电阻的影响等因素，采集的参量差别较大。尽管有上述多种选线方法，但任何一种选线方法都难以对所有故障状况作出正确选线。

（2）网架结构与变化情况。小电流接地电网的自身结构、负荷变化及现场状况复杂，故实际应用中针对单一故障信息的选线方法都有适用范围和局限性，不能保证对所有故障类型均有效[3]。

（3）电流信号太小。小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统的电容电流，其大小与系统规模和线路类型（电缆或架空线）有关，若经消弧线圈接地，数值会更小。在小电流弱信号下实现选线，当然其准确率难以保证。

（4）干扰大、信噪比小。尤其是现场各种干扰使检测出的故障成分信噪比非常低，可用信号不能被有效提取，特别是利用故障发生后几个周波数据的装置，误选的可能性会更大。还有当负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大时，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，保证正确率几乎是不可能的。

（5）随机因素的不确定。配电网运行方式改变频繁，造成电容电流和谐波电流也频繁改变，此外，母线电压水平的高低，负荷电流大小的不断变化，也会造成零序电流和谐波电流的不稳定。

（6）电容电流波形的不稳定。小电流接地系统的单相接地故障，常常是间歇性大稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的其它参量亦不稳定并随时处于变化之中，这种情况下的选线准确性，根本无法谈起。

2.2 运行方式的影响[2]

配电网络运行方式变化较大，在最小运行方式下的单侧电源辐射性分段供电时与最大运行方式下的环网并列运行时，零序电流差额较大[4]。由于发生单相接地故障时，流过故障线路首端的零序电流为整个系统的电容电流减去故障线路本身的电容电流。在不同的运行方式下，不同的地点发生单相接地故障时，线路首端（零序电流采集处）流过的零序电流数值变化较大。当故障线路本身的电容电流占系统总电流的比例相当大时，仅仅依靠零序电流的数据来判断故障线路是困难的，而不同的零序电流数值对选线的影响至关重要，其影响选线准确率也就不难理解。

2.3 接地状态参数的影响

（1）当发生单相接地故障时（图1），若A相经过渡电阻Rj接地，忽略泄漏电导和线间电容，并假设三相对地电容C0相等，则各相对地导纳为：

中性点位移电位为：

可解得：U0=-UA/（1+j3ωC0Rj）

或-UA=U0+j3ωC0RjU0

由上式可知，随着接地电阻Rj数值的变化，中性点位移电压未端轨迹是以-UA为直径的圆，如图2所示。

图1 系统单相相接地时等值电路图

图2 Rj变化时的中性点位移电压轨迹

显然，当没有接地时，Rj→∞，U0→0；当完全金属接地时，RJ=0，U0=Uφ（相电压）；当通过不同的数值RJ接地时，U0的大小在0～U0范围内变化。那么，与此相应的零序电流分量，将发生很大的变化，在此范围内，零序电流变化较大，这对利用故障信息判断选线是致命的，直接影响到选线的准确性。

（2）图1是在忽略泄漏电导和线间电容的理想情况下作出的。但当接地电容电流较小时，上述因素的影响已不容忽略。它的存在使接地电容电流与零序电压间的相位关系发生变化，功率方向产生干扰，易发生假象，影响到准确性。

（3）在辐射性网络中，对于网络中的短线路，若该线路中的不平衡电流大，加之接地电阻Rj的不确定性，零序电流变化较大，故对故障信号暂态量的干扰大，严重时，会导致无法选线[4]。

2.4 选线原理存在的不足[3]

由于目前投入运行的选线方法和不同原理的装置较多，只简要分析运用较多的以下几种。

2.4.1 谐波原理选线[1]

在分析小电流接地系统单相接地故障的零序网络中，零序电源是附加在线路故障点上的工频电压源。从过渡电阻的非线性可知故障点本身就是一个谐波源。而变压器和部分负荷的非线性特性，会产生波形畸变。这会导致在零序电流中含有大量的奇次谐波。其中三次谐波电流相位一致，流经变压器三相绕组或被削弱或相互抵消。所以零序谐波电流按照幅值大小依次为基波、5波、7次、11次谐波，而且它们在系统中的分布基本相同[3]。由于5次谐波分量通过消弧线圈时的阻抗是基波的5倍，其线路对地电容容抗却是基波的1/5，所以消弧线圈上的5次谐波感性电流远远不能补偿系统的5次谐波对地电容电流，所以在中性点经消弧线圈接地系统中，通过零序5次、7次谐波电流作幅值或无功方向比较，可以实现故障选线。

但是存在的问题是，系统5次、7次谐波受过渡电阻和系统中非线性特性元件的影响，尤其是在电力电子装置应用较多的环境下，其幅值波动较大，难以保证选线的可靠性。

2.4.2 零序电流幅值、无功方向、有功方向、首半波选线[1，4]

这四种选线原理是使用较多的选线方式,是利用小电流接地系统单相接地故障的特点来实现选线的。实际运用中主要受CT不平衡电流、系统运行方式、线路长短不一、接地电阻的影响、有功分量太小（一般只占到零序电流的2%～3%）、相角比误差、暂态过渡过程和暂态电流等因素的影响而难以保证准确性[4]。

2.4.3 信号法选线

采用信号注入法导致选线不准确的主要原因是：

（1）装置向高压系统中所能“注入”的信号能量有限,电流太小,与电力系统的大电流相比显得微不足道,实际上变电站的谐波干扰信号比它大的多。

（2）受供电系统的大小,线路的多少、长短以及母线段运行方式的变化等多种条件制约；

（3）受故障点接地电阻的影响,当故障为高电阻接地时,流过故障线路的信号电流很微弱,其他非故障线路若较长时,反而比故障线路的电流信号还要强许多倍；

（4）电能损耗很大,在使用过程中造成电压互感器温度升高发热,电度表计量误差和容易引起其他保护装置误动.且这种频率的电流在系统中是有害的,对电能的质量会产生影响。

基于上面分析，所以，很多使用过该类型装置的，现在都已经放弃了，又在寻求新的解决方法。

2.4.4 人工智能选线

将故障后系统各处零序电流的幅值相位组合起来,可以认作是对应于此类故障的一个模式，这样就把故障选线问题转变为一种故障电流模式识别问题，即Bayes决策[3]。但由于要求每个系统都需要有大量的故障电流数据构成模式信息，这在实际运行工况中是很难满足的。

2.5 装置现场反映的问题

主要有以下几点：

（1）硬件电路设计上存在的先天不足。可能装置投运的最初一段时间，判断准确率很高，运行一段时间后，会因为由于硬件电路故障导致不准确了。

（2）小电流接地选线装置未作为继电保护装置对待。不论是从设计、制造、工艺还是从应用上讲，小电流选线装置一直被认为是一个检测装置，由于它的运行好坏不直接对系统的安全运行造成影响，因此未引起足够的重视。

（3）接线错误。接线错误包括张冠李戴和极性错误二种，从现场的情况来看，往往会出现零序回路不对应、回路未接入、零序不平衡电流过大、极性不对等现象。

（4）架空线出线。很多变电站采用架空线出线，无法安装零序电流互感器，只能采用三相电流互感器合成零序电流。由于电流互感器的误差及各线路的电流互感器变比可能不一致，使选线准确率大大降低，这是基于零序电流选线原理的装置无法克服的缺陷。

2.6 零序CT的影响

2.6.1 零序电流互感器误差分析

小电流接地系统中所使用的零序电流互感器原方绕组仅有一匝，原方电流里激磁流占的比例较大，故造成的误差亦大。在正常运行时原方基本无电流,出现接地故障时原方电流（故障电流）也很小，一般在10 A以下。因为系统接地故障电流大于10 A，要装设消弧线圈进行补偿，而带有消弧线圈系统接地故障电流更小，一般小于2～5 A（可小于0.2～0.5 A）。在这样小的原方电流下常规零序电流互感器的变比和相角误差均很大，所以一般各互感器厂家对零序电流互感器均不能给出变比，也无误差保证指标。从零序电流互感器的实际一、二次电流变化曲线（变比曲线）中可知：零序电流互感器的电流变比值随一次电流值变化很大，而一次电流小于1 A时，已经不能给出具体的二次电流输出值了。

经实际测量，在原方零序电流为5 A以下时，各厂家生产的零序电流互感器，带上规定的二次负荷后，变比误差达20%～80%，角误差达100～500，使得利用零序电流大小与方向、零序电流中5次谐波电流大小与方向和零序有功、无功功率原理的接地检测装置和徽机保护无法保证选线的准确率。

2.6.2 零序滤序器的误差

现实际使用的零序滤序器大多为三相保护用电流互感器的组合，即用三相保护电流合成零序电流。但零序滤序器本身固有的不平衡输出使其采集的零序电流准确性较低，而且一般保护用电流互感器在一次电流低于50%额定电流值时误差已不能保证。随着系统容量的增大并考虑到电流互感器饱和的因素，保护所使用的电流互感器的变比逐渐增大，其额定一次电流值多大于400～600 A，因此在接地电容电流小于10 A的小电流接地系统使用零序滤序器，单相接地电容电流仅为保护用互感器一次额定电流0.4%～0.6%，可见互感器综合误差根本无法保证。

2.6.3 微机检测装置的测量误差

典型的微机选检装置的电流变换器均按普通保护级选择，额定电流为5 A或1 A，其线性范围为0.120 In，而实际使用中的输入电流在几十毫安左右，远超出它的线性范围。以In=5 A为例，当系统取最大接地电容电流10 A，零序电流互感器或零序滤序器取较小值60（3005）时，二次侧的电流值为0.16 A；当接地电容电流值为2 A时，二次侧的电流值为0.03 A，二次侧电流值均小于0.1In（0.5 A），超出了电流变换器的测量线性范围，这必然要影响到选线的准确性。

3 难点与尚需解决的问题

小电流接地系统单相接地故障的检测与正确选线主要存在以下困难和问题：

（1）信号微弱。这主要是系统故障时易受到各种干扰的影响，同时故障条件、运行方式不同，信号特征也大不一样，已经应用的一些方法都存在着一定的缺陷，无法适应复杂多变的故障情况；

（2）现场实际故障状态的复杂性，可能是理想的金属接地或稳定电阻接地，也可能是没有规则的非线性电阻接地故障或电弧故障；

（3）现场各种干扰使检测出的故障成分信噪比非常低，可用信号不能被有效提取出来；

（4）很多装置在故障发生后只利用几个周波数据进行一次选线，增大了误选的可能性；

（5）尽管目前有多种选线方法，但任何一种选线方法都很难对所有的故障状态作出正确判定，特别是仅利用一种方法进行选线是不充分的，也是难以保证选线准确性的。

4 提高选线准确率的措施

为提高故障选线的准确率，现场应尽量使参数配合合理，减少测量环节的误差，保证零序电流、电压接线的正确。

4.1 零序CT的选择

（1）尽量选择准确度高的专用零序电流互感器。额定原方电流的选择应保证系统在出现最大接地电容电流时能处在零序电流互感器的线性范围内（准确限值），原方电流的线性测量范围应向下延伸到0.2 A左右，以便能适应经消弧线圈接地的小电流接地系统。

（2）零序滤序器应尽量使用变比较小的计量级（最好为S级）电流互感器组合而成，因较小的变比可使电容电流的二次值较大，有利于检测装置的电流变换器采集电流值，S级电流互感器的测量精度线性范围更宽，有利于测量较小的电容电流。最不宜的是与计量系统合用同一电流互感器线圈。

（3）微机检测装置的电流变换器的线性测量范围应与互感器的二次输出值配套。因为零序电流互感器的二次侧电流一般为mA级，所以电流变换器的线性测量范围应以mA级起步。

4.2 保证接线的正确性

（1）二次接线中尽量减少误差和电磁干扰的影响，二次电缆采用屏蔽电缆为好，屏蔽层两端应可靠接地。零序电流互感器与母线之间不应有接地点，即高压电缆外皮的接地线应穿过互感器在线路侧接地，当电缆穿过零序电流互感器时，电缆头的接地线应穿过互感器后接地，由电缆头至穿过零序互感器的一段电缆金属护层和接地线并对地绝缘。

（2）所有配出线的零序电流互感器一、二次极性要核对正确。无论采取何种零序电流互感器，引出的极性一定要绝对相同。

（3）最好在同一变电所采用同一种接线方式，如果在同一变电所或者同一条母线上既采用三相电流互感器的接线方式，又采用按装专用零序电流互感器的接线方式，那么引出的极性一定要统一，否则选线装置是不可能正确工作的。

（4）支撑零序电流互感器的铁框架不应形成闭合框架，以免分散故障时的接地电流。

4.3 现场模拟试验[4]

对带方向元件的保护装置，现场采用从零序电流互感器一次侧加入A相电流，从PT开口三角端子处加入B、C相电压（注意极性），逐个通电来检验其动作情况。对零序滤序器回路，则从电流互感器二次端子侧加入动作电流来检验其动作情况。应当指出，些项试验的动作电流值不是主要的，关键是检验加入方向元件的相角差是否正确。

5 故障选线发展展望[3]

现有的故障选线原理已经基本完备，只有新方法和新技术的应用才能更进一步提高小电流接地选线装置工作的准确性。从发展方向看，有以下几点值得关注：

（1）小电流接地系统单相接地故障暂态过程的研究工作有待深入和突破。更精确的故障数学模型也有待提出。在这些基础研究未取得突破，未得到具有普遍意义的故障暂态特征的数学模型前[3]，利用现有的信号处理手段和分析方法，难以得到更好的故障选线方法和性能可靠的选线装置。

（2）对于配电网运行中各种状态下的故障情况还有待做大量的研究与仿真试验。不能只考虑某些理想状态下的情况，应当考虑到运行现场会出现不同运行方式的最不利情况下的各种因素，并且尽量减少其对选线的影响，这样的选线方法才有实际意义，才能提高选线准确率和可靠性。

（3）目前，还处在初期发展阶段的自适应继电保护克服了同类型传统继电保护长期以来存在的困难和问题，能改善和优化保护的性能指标，若能用于选线装置时，或许有着无与伦比的优越性。

（4）目前，我国大部分配电网线路只装设两相CT的架空线路，在这种情况下难以获得零序电流，基于这种零序电流的选线方法易于失效，所以对只有两相装设CT的出线回路其适用的选线原理还有待进一步研究和完善。

（5）基于系统中“变电站综合自动化保护装置”的应用已经很普及，但大规模应用配电自动化技术进行单相接地故障的处理技术尚末成熟和完善，研究、开发独立的带有远动或通信功能的小电流接地选线设备不失为一种很好的选择。

（6）从现场运行经验来看，小电流接地选线装置，仅仅依靠一种原理实现百分之百正确选线是不可能的。只有根据系统的运行工况有机地将各种理论完美地结合起来，扬长避短，才能达到满意的效果。实践证明，任何一种单一判据的选线原理都有其局限性，只有将多种判据智能化集成在一起，发挥各种判据的优势和互补特性，才能最大限度地提高选线的正确性和可靠性。