小电流接地故障分界新技术

李天友，陈彬，谢菁，薛永端

（1. 国网福建省电力有限公司，福建福州 350003；2. 国网福建省电力有限公司 电力科学研究院，

福建 福州 350007；3. 中国石油大学（华东），山东 青岛 266580）

中压配电线路按区段可分属供电公司和用户，故障后需要尽快确定故障位于用户侧还是系统侧，以明确供电公司和用户的巡线和检修责任。通过配电网自动化系统虽然可以实现故障分段定位，但由于投资原因一般仅对主干线路分段，仍不能满足上述要求。

此外，统计结果表明，相当一部分故障（可能高达30%）是发生在用户线路或设备上的[1]。当用户所属线路或设备发生故障时，如果处理不当，将使整条配电线路停电，扩大停电范围，影响非故障用户的正常供电，并引起供电公司和非故障用户之间的责任纠纷[2-4]。

分界开关是将线路分段开关和微机保护测控以及通信融为一体的装置。分界开关安装在中压线路的T接分支或末端，是供电公司和用户划分中压配电线路不同管辖范围的分界点[5]。接地故障分界技术，是指检测用户侧发生的接地故障并告警，在必要时自动或人工隔离故障区段。通过接地故障分界技术可以进一步缩小故障区段，加快故障处理速度，减少可能引起的非故障用户连带性事故停电，更重要的是给供电公司和用户区分责任提供了依据，也有人形象地将其称为看门狗技术或防火墙技术[6]。

本文分析了线路不同区域发生小电流接地故障时，分界开关处的稳态故障特征，论述了基于分界开关的小电流接地故障工频分量检测原理：工频零序电流幅值法和工频零序电压电流相位比较法。提出了一种新的分界技术检测方法，即工频零序电压电流综合法，并进行仿真验证。分析并解决了小电流接地故障分界技术在实际应用中遇到的若干问题，以期提高其检测和隔离用户界内接地故障的准确性。

1 分界开关处小电流接地故障稳态特征

分界开关一般安装在分支线或线路末端，其下游（用户侧）线路长度远远小于系统中其他部分线路长度之和，对应的，下游线路对地分布电容远远小于其他线路对地分布电容，下游线路对地分布电容电流也远远小于上游（系统侧）线路对地分布电容电流。当小电流接地故障位于不同位置时，分界开关处的工频零序电流幅值、工频零序电压电流之间的相位关系都会存在明显区别。

1.1 分界开关处的工频零序电流幅值特征

如果接地点位于分界开关上游，无论系统为不接地还是经消弧线圈接地方式，分界开关检测到的故障工频零序电流I觶B均为其下游线路的对地分布电容电流I觶CC。按照1 km长10 kV架空线路对地电容电流30 mA、1 km长10 kV电缆线路对地电容电流600 mA计算，I觶CC幅值一般不超过1 A。如图1所示，故障点F1位于分界开关上游，有：

式中，ω为工频频率；U0为系统零序电压。

图1 故障点位于分界开关上游时系统示意图Fig. 1 The circuit of the system with fault located in the system side

图1中，Q为分界开关；CC、Cf和Ch分别为分界开关下游、同出线分界开关上游和健全线路的对地分布电容；Lk为消弧线圈电感；Kk为消弧线圈投入开关。

如果接地点位于分界开关下游，当系统为不接地方式时，如图2所示，分界开关检测到的故障工频零序电流I觶B为开关上游所有线路对地分布电容电流I觶CU，即等于除分界开关下游线路外故障线路对地分布电容电流I觶Cf与健全线路对地分布电容电流I觶Ch之和，有：

图2 不接地系统中故障点位于分界开关下游时的示意图Fig. 2 The circuit of the isolated neutral system when fault is located in the user side

当系统为经消弧线圈接地方式时，如图3所示，故障点F2位于分界开关下游。此时分界开关检测到的故障工频零序电流I觶B，为分界开关上游所有线路对地分布电容电流I觶CU与消弧线圈补偿电流I觶L的相量和，有：

图3 谐振接地系统中故障点位于分界开关下游时的示意图Fig. 3 The circuit of the resonant grounded system when fault is located in the user side

设消弧线圈失谐度为v（一般在-5%～-20%），则分界开关检测的零序电流I觶B又可表示为：

其幅值关系为：

即由于消弧线圈一般为过补偿状态，再考虑故障电流中的有功分量，分界开关处检测到的零序电流I觶B仍远大于其下游线路对地分布电容电流I觶CC[7]。

综上所述，由于分界开关特殊的安装位置，使得无论是不接地系统还是经消弧线圈接地系统，负荷侧接地时其所检测到的故障工频零序电流一般大于系统侧接地时的故障工频零序电流。

1.2 分界开关处的工频零序电流电压相位特征

对于不接地系统，上游线路故障时，根据图1，分界开关检测的电流I觶B为从母线流向线路的电容电流，其相位超前工频零序电压U觶0，考虑到电流中含有少量有功分量，超前相位略小于90°；下游线路故障时，根据图2，分界开关检测的电流I觶B为从线路流向母线的电容电流，其相位滞后于U觶0，考虑到有功电流，滞后相位略大于90°。分界开关处零序电流和零序电压相量关系如图4（a）所示。

对于经消弧线圈接地系统，上游线路故障时，根据图1，与不接地系统时相同，分界开关检测的电流I觶B仍然超前零序电压U觶0约90°；下游线路故障时，根据图3，分界开关检测到的电流I觶B=I觶CU+I觶L。考虑到消弧线圈会增大故障点的有功电流，在欠补偿（消弧线圈电感电流小于系统电容电流）时，I觶B滞后U觶B的相位可显著大于90°；而在过补偿（消弧线圈电感电流大于系统电容电流）时，I觶B超前U觶B的相位可大于100°[8]。分界开关处零序电流和零序电压相量关系如图4（b）所示。

图4 分界开关处零序电压和零序电流相位关系Fig. 4 Phase relationship between zero-sequence voltage and zero-sequence current at the boundary switch

2 基于工频故障分量的分界检测原理

根据上述稳态故障特征，已有的小电流接地故障分界技术可以按所依据工频故障分量特征的不同分为工频零序电流幅值法[1，9]和工频零序电压电流相位比较法[1]。

2.1 工频零序电流幅值法

无论是不接地系统还是经消弧线圈接地系统，负荷侧接地时分界开关处的故障工频零序电流大于系统侧接地时的故障工频零序电流。据此特征，可以实现接地故障方向判断。

设故障电流的预设门槛为：式中，Krel为可靠系数（一般取1.3左右）。则接地故障方向的判据为：

1）IB≥IS时，接地故障位于分界开关下游，即负荷侧；

2）IB

2.2 工频零序电压电流相位比较法

对于能同时获得零序电压和零序电流信号的分界开关，可以利用故障工频零序电压和电流间的相位关系确定故障方向。当分界开关检测到的工频零序电流超前工频零序电压的相位值在预设范围内时，判断为用户界内发生接地故障。

为同时适应不接地系统和谐振接地系统，并考虑电压电流互感器的传变误差，分界开关的接地故障方向判据可设为：

1）100°<∠I觶B－∠U觶0≤280°时，接地故障位于分界开关下游，即负荷侧；

2）60°<∠I觶B－∠U觶0≤100°时，接地故障位于分界开关上游，即系统侧。

2.3 性能分析

工频零序电流幅值法需要预设故障电流的绝对值门槛，在中性点不接地系统中效果较好，但在经消弧线圈接地系统中，受消弧线圈补偿电流影响，当负荷侧电容电流较大时，整定值可能大于故障点残流值引起拒动。即使整定值与金属性接地故障的残流值能够配合，由于过渡电阻Rd与分界开关检测到的零序电流I觶B的关系为：

式中，E为故障相的电压。如图5所示，随着过渡电阻Rd的增大，分界开关检测到的零序电流I觶B的幅值会随之减小，当过渡电阻Rd较大时，IB可能会小于IS，造成灵敏度下降，即故障点过渡电阻增大时可能会引起拒动。

工频零序电压电流相位比较法虽不需预设故障电流的绝对值门槛，但在系统侧故障与谐振接地系统中负荷侧故障，且故障电流较小（远小于1 A）时，受电压、电流互感器传变误差的影响较大，相位测量不准确，很难保证检测效果。

图5 过渡电阻、消弧线圈补偿度与分界开关处零序电流的关系图Fig. 5 Relationship among boundary switch’s zerosequence current，transition resistance and out-ofresonance degree of Petersen coil

3 工频零序电压电流综合法

3.1 工频零序电压电流综合法判据

本文提出的工频零序电压电流综合法同时利用分界开关处零序电压和零序电流的幅值与相位特征确定故障区域。该方法首先需确定故障电流的预设门槛值IS和I′S。IS的确定方法与工频零序电流幅值法的门槛值确定方法相同，即：

式中，Krel为可靠系数（一般取1.3左右）。I′S的选取应保证当IB>I′S时电压、电流互感器的相位测量误差均小于5°，且预设门槛值I′S小于工频零序电流幅值法的预设门槛值IS。

工频零序电压电流综合法的判据为：

交通环境是安全设施设计过程中需特别重视的关键因素，也是交通设计者最容易忽略的一个因素，由此引发的交通事故也时有发生。道路情况、所使用的交通工具组合、气候环境和季节性气候变化、不同的人群对交通环境都有很大的影响。因此，设计交通安全设施时，应以适宜本地生活习惯、工作环境的交通参与者为参照物，采取共享交通资源的方式，尽量引导人们积极参与交通安全工程中，确保平安出行。

1）IBIB≥I′S且60°<∠I觶B－∠U觶0≤100°时，接地故障位于分界开关上游，即系统侧；

2）IB≥IS，或IS>IB≥I′S且100°<∠I觶B－∠U觶0≤280°时，接地故障位于分界开关下游，即负荷侧。

工频零序电压电流综合法的判断流程如图6所示。

3.2 性能分析

工频零序电压电流综合法的动作区域如图7所示。图中，阴影区域为综合法在故障位于负荷侧时的动作区域。该动作区域即保留了工频零序电流幅值法原有的动作区域，又覆盖了其低灵敏度区域，避免了该方法受消弧线圈补偿电流或过渡电阻的影响而使灵敏度降低的缺点；同时综合法排除了工频零序电压电流相位比较法在故障电流较小时，易受电压、电流互感器传变误差影响而误判的区域，尤其是在谐振接地系统中负荷侧故障时，在极端条件下相位测量结果可能小于100°，造成误判，而利用综合法的两个预设电流门槛值限制条件则能减少此类误判：因此，工频零序电压电流综合法具有更高的准确性和可靠性。

图6 工频零序电压电流综合法流程图Fig. 6 Flow chart of synthesis method based on the fundamental frequency zero-sequence voltage and fundamental frequency zero-sequence current

图7 工频零序电压电流综合法动作区域Fig. 7 Action area of synthesis method based on the fundamental frequency zero-sequence voltage and fundamental frequency zero-sequence current

4 仿真验证

图8 经消弧线圈接地系统模型Fig. 8 Model of the resonant grounded system

采用EMTP/ATP仿真软件进行仿真验证，仿真线路模型如图8所示，为中性点经消弧线圈接地的10 kV配电网。消弧线圈过补偿度为8%，阻尼率为4%。图中，共有5条出线，Q1—Q5为线路上游断路器，Q6—Q11为分界开关。线路参数为：线路零序电阻R0=2.7 Ω/km，线路零序电感ωL0=0.078 5 Ω/km，线路对地电容C0=0.28 μF/km。故障点过渡电阻Rd=5 Ω。

针对上述模型选择三种不同的单相接地故障进行仿真：1）负荷侧故障，故障点位于分界开关Q11下游且距其1 km；2）系统侧故障，故障点位于分界开关Q11上游且距其4 km；3）负荷侧故障且过渡电阻Rd=2 kΩ，故障点位于分界开关Q11下游且距其1 km。仿真结果如图9和图10所示，故障发生时间为t=0.05 s，图9和图10为故障期间0.20 s至0.25 s的波形。

图9 负荷侧故障与系统侧故障时分界开关Q11处的零序电压电流波形对比图Fig.9 Zero-sequence voltage and zero-sequence current at Q11 when fault is located in the user side or the system side

图中，I觶B1、I觶B2和I觶B3分别是负荷侧故障、系统侧故障和负荷侧故障且过渡电阻Rd=2 kΩ三种情况下分界开关Q11处的零序电流，U觶B为负荷侧故障和系统侧故障时分界开关Q11处的零序电压，U觶B3是负荷侧故障且过渡电阻Rd=2 kΩ时分界开关Q11处的零序电压。分界开关Q11处的各零序电压电流幅值和相位差如表1所示。

图10 系统侧故障与负荷侧高阻接地故障时分界开关Q11处的零序电压流波形对比图Fig.10 Zero-sequence voltage and zero-sequence current at Q11 when fault is located in the system side，or high impedance fault is located in the user side

表1 分界开关Q11处的测量数据Tab. 1 Measured data at Q11

由仿真结果可知，负荷侧接地时分界开关处的故障工频零序电流（9.751 A）大于系统侧接地时的故障工频零序电流（3.006 A）；负荷侧接地时分界开关处的故障工频零序电流超前零序电压的相位（114.9°）位于100°～280°，系统侧接地时分界开关处的故障工频零序电流超前零序电压的相位（89.1°）位于60°～100°。而在负荷侧接地且过渡电阻Rd=2 kΩ时，IB3=3.042 A，与系统侧接地时的故障工频零序电流近似相等，这说明当故障点过渡电阻增大时，分界开关处的零序电流显著减小，其幅值可能会接近或小于金属性接地时分界开关下游的电容电流值，此时工频零序电流幅值法灵敏度降低。在实际应用中，由于电压、电流互感器传变误差的影响，工频零序电压电流相位比较法的检测效果不易保证。由此看出，工频零序电压电流综合法具有明显优势。

5 小电流接地故障分界技术实现中的若干问题

5.1 零序电流的获取

零序电流的获取有直接和间接两种方式。直接方式是通过零序电流互感器（TA）获得；间接方式是通过三相电流合成后获取。

对于电缆线路，可直接安装零序TA，也可通过三相TA间接获取。对于架空线路，传统上是通过三相TA间接获取零序电流，近年在开关内集成零序TA已成为一种趋势。

系统正常运行时一般不存在零序电流，直接测量方式获得的零序电流就是故障电流。而在间接测量方式下，由于TA误差、装置模拟电路处理及计算误差等，即便是在一次电流对称、不存在零序电流的情况下，由三个相电流相加获得的工频零序电流值也不为零，这个电流称为不平衡电流。为了保证故障工频电流测量的准确性，间接测量方式下，需要通过零序电流突变量方法剔除不平衡电流影响。

5.2 接地故障的启动判据

如果分界开关接有三相或零序的电压互感器（TV），则可以利用一相电压降低、两相电压升高或零序电压超越一定门槛来判断接地故障的发生。

部分分界开关处不具备安装TV的条件，即使安装了TV也多是测量线电压不能反映接地故障电压变化，此时，需要根据零序电流的工频分量或暂态分量是否超越一定门槛来判断故障的发生。

5.3 故障持续时间的判断

如果接有三相或零序TV，则可以根据电压变化时间计算接地故障的持续时间。如果没有相电压或零序电压信号，则需要根据工频零序电流变化量的持续时间计算故障持续时间。

5.4 接入配电网自动化系统

在实施配电网自动化系统后，分界开关可纳入其管理范畴，将故障信息上传主站，实现更精确的故障区段定位。

5.5 故障区段隔离

根据需要，可设定分界开关是否允许跳闸，以及跳闸的延时时间。当允许跳闸时，用户侧发生接地故障并持续一定时间后，跳开分界开关隔离故障区段。这样做，可以缩小故障范围，减少对其他用户的影响，但也会增加分界开关内用户的停电时间。

6 结语

长期以来，由于缺少有效的小电流接地故障保护隔离措施，使得用户侧的故障无法快速准确地被识别与隔离，影响配电网的供电质量和供电可靠性。

本文所提出的工频零序电压电流综合法同时利用分界开关处工频零序电压和工频零序电流的幅值与相位特征，能快速准确地识别故障区域。与工频零序电流幅值法相比，该方法的判定结果不会受消弧线圈补偿度或过渡电阻大小的影响，灵敏度较高；与工频零序电压电流相位比较法相比，它避免了故障电流较小时电压、电流互感器传变误差对测量结果的影响，提高了判定的准确度。

工频零序电压电流综合法提高了小电流接地故障分界技术检测的准确性和可靠性，能为供电公司和用户区分责任提供更为准确的依据，具有良好的发展前景。

[1] 徐丙垠，李天友，薛永端. 智能配电网建设中的继电保护问题[J]. 供用电，2012，29（5）：16-26.XU Bingyin，LI Tianyou，XUE Yongduan. Relay protection issues in construction of smart distribution network[J]. Distribution&Utilization，2012，29（5）：16-26（in Chinese）.

[2] 吴日昇，张勇军，何毅思，等. 配电网增设分支线保护的方法研究[J]. 高压电器，2006，42（4）：281-283.WU Risheng，ZHANG Yongjun，HE Yisi，et al. Study on sub-feeder protection installation in distribution systems[J].High Voltage Apparatus，2006，42（4）：281-283 （in Chinese）.

[3] 张敏，崔琪，吴斌.智能配电网馈线自动化发展及展望[J].电网与清洁能源，2010，26（4）：41-43，51.ZHANG Min，CUI Qi，WU Bin. Development and prospect of intelligent distribution network feeder automation[J].Power System and Clean Energy，2010，26（4）：41-43，51（in Chinese）.

[4] 葛树国，沈家新. 10 kV配电网馈线自动化系统控制技术分析及应用[J].电网与清洁能源，2012，28（8）：29-34.GE Shuguo，SHEN Jiaxin. Analysis and application of the 10 kV electric distribution network feeder automation system control technology[J]. Power System and Clean Energy，2012，28（8）：29-34（in Chinese）.

[5] 苑舜，王承玉，海涛，等. 配电网自动化开关设备[M].北京：中国电力出版社，2007.

[6] 程志刚.浅谈10 kV分界开关在配电网架空线路上应用[J].电力学报，2011，26（1）：50-59.CHENG Zhigang. A study of the application of 10 kV boundary load switches in overhead power distribution lines[J]. Journal of Electric Power，2011，26（1）：50-59（in Chinese）.

[7] 徐丙垠，薛永端，李天友. 小电流接地故障选线技术综述[J]. 电力设备，2005，6（4）：1-7.XU Bingyin，XUE Yongduan，LI Tianyou. Review of line selection of grounding fault in non-effectively grounding network techniques[J]. Electrical Equipment，2005，6（4）：1-7（in Chinese）.

[8] 李辉，唐轶，孙常青. 谐振接地系统单相接地故障仿真分析[J]. 工矿自动化，2012（1）：47-51.LI Hui，TANG Yi，SUN Changqing. Simulation analysis of single-phase grounding fault of resonant grounding system[J]. Industry and Mine Automation，2012（1）：47-51（in Chinese）.

[9] 吕继伟，唐云峰，张枞生. 电缆分界负荷开关控制器故障判断算法[J]. 电力与能源，2011，32（6）：484-487.L譈Jiwei，TANG Yunfeng，ZHANG Zongsheng. Research of cable dividing load switch controller fault diagnosis algorithm[J]. Energy Technology，2011，32（6）：484-487（in Chinese）.