小电流接地故障选线技术探讨

李科峰，张海台，樊晓峰，刘翔宇，咸日常

（1.国网成都供电公司，四川 成都 610036；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255087；3.山东理工大学，山东 淄博 255049）

小电流接地故障选线技术探讨

李科峰1，张海台2，樊晓峰1，刘翔宇1，咸日常3

（1.国网成都供电公司，四川 成都 610036；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255087；3.山东理工大学，山东 淄博 255049）

我国中压配电网广泛采用小电流接地方式。该系统发生最多的是单相接地故障，故障选线方法原理众多，实际应用中故障选线准确率不高。系统归纳和比较了小电流接地故障选线主要方法的基本原理、优缺点及适用范围，提出了尚需解决的工程问题。故障选线后应用自适应跳闸技术能够兼顾提高供电可靠性、减少接地过电压危害，为今后此类工程应用提供参考。

小电流接地系统；故障选线；消弧线圈；稳态算法；暂态算法

0 引言

我国中压配电网广泛采用小电流接地方式，包括中性点不接地方式与中性点经消弧线圈接地方式。小电流接地方式下，配电网发生单相接地故障（又称小电流接地故障）时，虽然三相对地电压会发生变化，但三相之间的线电压基本保持不变，不影响对负荷的供电；同时，单相接地故障时接地电流数值比较小，对电力设备、通信和人身可能造成的危害也较小。因此，允许系统在单相接地的情况下继续运行一段时间，以提高供电可靠性。然而，小电流接地故障产生的过电压容易导致非故障相绝缘击穿，引发两相接地短路。

在现场，大多数变电站小电流接地故障选线装置的平均正确动作率达不到实用化的要求，往往采用人工试拉路的方法查找故障线路，导致非故障线路的短时停电。近年来，配电网发生了一些人身触电事故，通过社交媒体广泛传播，引起了社会的极大关注，给供电企业带来了极大的供电安全压力。

因此，小电流接地系统单相接地故障选线问题亟待解决，以减少不必要的短时停电，防范导线坠地等危害人身安全的触电事故，提高供电质量与配电网的安全运行水平。

1 小电流接地故障选线方法

小电流接地系统单相接地故障选线 （以下简称小电流接地故障选线），是以变电站、开闭所内专用选线设备或共用设备（如线路保护等）为基础，利用故障产生的信息或其他设备附加的信息确定故障线路的方法。按照所利用电气量的不同，可以将选线方法分为稳态电气量选线方法和暂态电气量选线方法两大类。

1.1 稳态电气量选线方法

利用稳态量的选线方法，必须建立在接地电弧稳定、接地电阻固定的前提下，而现场实际接地故障中包含一定比例的间歇性弧光接地故障。由于间歇性弧光接地故障不具备稳定的接地电弧，接地电阻随时间不断变化，对稳态量选线的可靠性产生影响。

零序电流法。在中性点不接地系统中，故障线路的工频零序电流等于所有非故障元件 （不包括故障线路本身）的对地电容电流之和，其幅值远大于非故障线路，方向由线路流向母线。非故障线路工频零序电流的方向与之相反。零序电流法利用上述特征实现故障选线，主要有零序过电流法、群体幅值比较法、极性比较法、群体比幅比相法等［1-3］。对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈的补偿作用使得故障线路的幅值减小，甚至可能小于非故障线路，因此不适宜采用零序电流法。

零序无功功率方向法。中性点不接地系统中，线路串联零序阻抗远小于对地电容的阻抗，在忽略线路阻抗的情况下，故障线路零序电流相位滞后零序电压90°，零序无功功率从线路上流向母线；非故障线路零序电流相位超前零序电压90°零序无功功率从母线流向线路。零序无功功率方向法利用上述特征实现故障选线［1-2］。对于间歇性弧光接地故障，故障电流严重畸变，计算工频零序电流误差较大，影响选线的准确性。与零序电流法类似，零序无功功率方向法不适用于中性点经消弧线圈接地系统。

零序有功功率方向法。在消弧线圈推广应用的初期，为了解决零序电流方法不能适用的问题，文献［4-5］提出利用故障电流中有功分量进行故障选线的方法。故障线路的有功功率从线路流向母线，非故障线路的有功功率从母线流向线路。通过检测零序有功功率的方向实现故障选线。实际应用中，检测零序有功功率方向通常采用直接计算有功功率或比较零序电流、电压相位关系的方法。由于零序电流中有功分量比较小，故障选线的可靠性无法保证。

谐波分量法。忽略消弧线圈对谐波电流的补偿作用［6］，故障线路谐波电流幅值最大、极性与非故障线路谐波电流极性相反，故障线路谐波电流由线路流向母线，而非故障线路由母线流向线路。谐波分量法利用上述谐波电流特征，构造幅值比较、极性比较、群体比幅比相或者谐波电流方向等选线方法进行故障选线。线路中谐波电压的分布并不均匀，随着电源和负荷谐波源的幅值、相位关系变化而变化［7］。由于故障产生的谐波电流不仅取决于系统中有无谐波源及谐波源的幅值、各谐波源间的相位关系，还取决于故障点相对于谐波源的位置，此外，故障电流中谐波分量幅值较小（一般小于10%工频电流幅值）且不稳定，检测灵敏度低。

中电阻法。中电阻法，当配电网发生永久接地故障时，在系统中性点和大地之间短时投入阻值适中并联电阻，以产生附加工频零序电流，通流时间大约为数百毫秒到数秒，采用零序有功功率方向法或利用零序电流的变化实现故障选线［8-9］。中电阻法具有简单可靠、易于实现的优点，但需要安装电阻投切设备；并联电阻使接地电流增大，存在使事故扩大的风险。

消弧线圈扰动法。消弧线圈扰动法利用消弧线圈调整前后零序电流的变化信息实现故障选线。中性点经消弧线圈接地系统中，故障时通过调整消弧线圈装置向系统附加一定幅值的工频零序电流，同时比较各线路零序电量的变化量。理论分析表明，非接地线路的零序电流与脱谐度的关系曲线关于工频谐振点是对称的，而接地线路的则不对称，因此，接地故障线路的零序电量变化量必然最大，从而被选出［9］。本质上，消弧线圈扰动法与中电阻法与的选线原理是一致的，区别主要在于中电阻法产生的附加电流比较大，某种意义上已经改变了中性点的接地方式。

信号注入法。信号注入法利用专用的信号发生设备，故障时向系统耦合特定的电流信号，注入信号沿母线和故障线路的接地相流动，经故障点和大地返回，根据信号寻迹原理即可确定故障线路［10］。信号注入法原理简单，需要安装信号注入设备。在接地电阻较大时，非故障线路上注入信号幅值接近甚至大于故障线路，难以保证选线可靠性；在间歇性弧光接地故障时，会使得注入信号时断时续，影响选线的可靠性。此外，对于瞬时性接地故障，信号注入法选线装置来不及响应。

1.2 暂态电气量选线方法

小电流接地故障的暂态零模电流幅值大，通常达到系统稳态对地电容电流的十几倍；在出现间歇性弧光接地时，暂态过程持续时间更长、暂态量更丰富，利用暂态量选线可靠性更高。相对于稳态量选线，暂态选线原理相对复杂，对选线装置数据采集与处理能力要求较高。

首半波法。首半波法利用暂态零模电压与零模电流极性关系进行故障选线。在故障第一个暂态半波内，暂态零模电压与故障线路的零模电流极性相反，而与非故障线路的暂态零模电流极性相同。在首半波后的暂态过程中，暂态零模电压与故障线路暂态零模电流的极性关系会出现变化［11-12］，失去了故障选线的依据。实际配电网中，接地故障暂态信号的频率较高且在一定范围内变化，使得首半波极性关系成立的时间非常短（约1 ms以内），而且不确定，无法保证选线可靠性。

暂态方向法。暂态方向法根据暂态零模电流的方向特征进行故障选线。故障线路的暂态零模电流由线路流向母线，而非故障线路的暂态零模电流方向由母线流向线路［11-12］。检测暂态零模电流方向采用暂态零模电流极性法或暂态无功功率方向法。暂态零模电流极性法以暂态零模电压的导数为参考，通过检测暂态零模电流的极性实现故障选线：故障线路上暂态零模电流与零模电压的导数始终反极性，非故障线路暂态零模电流与零模电压的导数的始终同极性。暂态无功功率方向法通过计算暂态零模电压的Hilbert变换与暂态零模电流的平均功率Q实现故障选线；如果Q＞0，则暂态无功功率流向线路，判断为非故障线路；如果Q＜0，则暂态无功功率流向母线，判断为故障线路。

暂态零模电流群体比较法。暂态零模电流群体比较法根据暂态零模电流的幅值和极性特征进行故障选线。故障线路的暂态零模电流幅值最大，且极性与非故障线路相反［13］。暂态零模电流群体比较法有暂态零模电流群体幅值比较法和暂态零模电流群体极性比较法两种实现方式。暂态零模电流群体幅值比较法通过比较变电站所有线路的暂态零模电流幅值，选择幅值最大的为故障线路；暂态零模电流群体极性比较法通过比较变电站所有线路的暂态零模电流极性，如果某一线路和其他所有线路极性相反则判别该线路为故障线路，如果所有线路极性相同则判别为母线接地故障。

库伦-电压法。库伦-电压法是德国提出的一种暂态量选线方法，通过比较暂态零模电流的积分（即电荷量）与暂态零模电压的变化鉴别故障线路［14］。库伦-电压法与暂态无功功率方向法都利用了暂态零模电压和零模电流间的容性约束关系，其本质上是相同的。

行波选线法。单相接地故障时，故障点产生电流行波向线路两侧传播。在母线处，故障线路电流行波为沿故障线路来的电流入射行波与其在母线上反射行波的叠加，非故障线路电流行波为故障线路电流入射行波在母线处的透射波。故障线路电流行波幅值大于非故障线路，且极性与非故障线路相反［15-17］。行波选线法利用电流行波构造幅值比较、极性比较、群体比幅比相以及行波方向等选线方法。与利用暂态零模电流群体比较法相比，只是利用了故障信号的不同分量。暂态零模电流幅值可达数百安培，初始电流行波只有数十安培；暂态零模电流的持续时间在毫秒级，初始行波在微秒级。从能够利用信号的幅值与持续时间来看，暂态零模电流群体比较选线方法所利用的信号能量均远大于行波选线方法。

1.3 存在问题与解决方法

小电流接地选线原理多样化，质量参差不齐。现场部分选线方法从检测原理上对选线可靠性就没有保证，此外，不少产品的软硬件设计不完善或存在缺陷，不能充分发挥检测原理的效果。由于现场实际选线成功率低、应用效果不理想，配电网运行值班人员失去了对小电流接地选线装置的信任，更习惯于使用人工拉路方法选择故障线路。

产品工程安装质量方面存在缺陷。现场相当一部分装置不能确保实际接入的零序电流信号有效，如零序电流互感器变比选择不当、安装位置不合理、极性反接、电缆屏蔽层接地线没有回穿、二次回路存在短路或断线故障等，都使信号不能准确传递到选线装置中，无法保证装置有效运行。

现场管理存在不到位的问题。现场运行人员忽视小电流接地故障选线装置的定期检修或巡检，装置运行中出现的问题不能及时发现和处理。

要提高小电流接地故障选线的准确率，首先要选择选线技术原理可靠、工程应用得到充分验证的选线方法，然后还需要解决装置的设计质量、建设安装与管理维护等问题，要做大量的设计改进与工程化工作。

2 自适应跳闸与高阻接地

2.1 自适应跳闸技术

配电网采用小电流接地方式，在发生单相接地故障时允许短时继续运行，有利于提高供电可靠性。但单相接地运行期间，非故障相电压升高为线电压，长时间带接地故障点运行可能危害配电网绝缘性能，特别是间歇性弧光接地可能在非故障相上产生超过3倍额定电压的过电压，或者非故障相电压可能叠加雷击过电压、操作过电压等，易导致系统绝缘薄弱点击穿，从而引发两相接地短路，扩大事故范围。对于电缆线路，接地电弧长时间存在，会加重对故障点的破坏，严重时引发相间故障。如果能够在小电流接地系统出现永久接地故障时，选择出故障线路后自动跳闸切除故障线路或区段，则既可以保留瞬时性接地故障自愈的优点，又能够避免系统长时间带接地故障点运行带来的危害。

国内的原配电网运行规程允许小电流接地配电网带接地点运行2 h。欧洲国家中，奥地利与德国允许小电流接地配电网带接地点运行，其他国家都是在检测到发生接地故障且经过一段时间不能自行熄弧后直接跳开故障线路［8］。日本也采用直接跳开故障线路的做法。

目前，国家电网公司和南方电网公司都有推行选线后自动跳闸切除小电流接地故障的做法，主要是考虑到目前小电流接地故障检测技术本身日趋成熟，已经拥有了自动隔离故障区段的技术手段，而且目前配电网广泛采用环式结构，能够通过负荷转供将停电区域控制在尽可能小的范围内。

采用小电流接地故障自适应跳闸技术，能够兼顾提高供电可靠性、减少接地过电压危害的要求。所谓自适用跳闸是指根据选线结果、故障条件与负荷情况决定是否直接跳开发生接地故障的线路。在选线结果可靠、间歇性弧光接地故障且过电压幅度很高、负荷不是特别重要的情况下，尽快跳闸，避免引发相间短路故障；而当发生稳定的接地故障、过电压幅度较低时不必跳闸，以保持供电的持续性。自适应跳闸能够发挥小电流接地配电网可带接地故障运行的优点，同时又可避免过电压造成事故扩大，能够兼顾供电可靠性和配电网运行的安全性。

2.2 高阻接地故障选线技术

由于受到配电网电压等级低、绝缘击穿不彻底等因素的影响，小电流接地配电网发生高阻接地的概率较大，且接地电阻值远大于输电网的接地故障电阻。高阻故障对配电网对负荷正常供电的影响并不大，但是高阻故障中相当一部分是导线坠地故障，极易引发人体或牲畜接触导线造成触电事故。因此，应及时地检出存在高阻接地故障的线路并将其停运。

为减少配电网触电事故，美国电气电子工程师协会（IEEE）电力工程委员会（PES）就成立了工作组，调研配电网高阻故障检测与坠地导线检测问题。研究结果表明，小电流接地配电网发生高阻接地时，故障产生的工频电流和谐波电流等大幅降低；注入、附加电流随过渡电阻增大而减小，同时非故障线路分布电容将分流更多的故障线路附加电流；故障暂态过程不明显，暂态电压电流信号幅值小。因此，对于高阻接地故障，难以通过简单改进现有的小电流接地选线方法或提高选线装置的检测灵敏度解决问题，需要采取特殊的检测方法与技术措施。目前，国际上先后开发出了基于零序电流、模式识别、谐波电流等原理的商业化产品，但这些产品的实际应用效果并不十分理想。IEEE PES发表专题报告指出，现有的技术还不能完全解决高阻接地（导线坠地）故障的检测问题，为保障公共安全，需进一步研发配电网高阻故障保护新技术。考虑到高阻接地故障的电流微小、存在严重的非线性现象以及成本约束等方面的因素，在研究开发高阻接地故障检测技术时不能要求其具有100%准确率。

3 结语

本文系统梳理了小电流接地故障选线方法的技术优缺点及适用范围。利用稳态量的选线方法在间歇性弧光接地故障时选线可靠性得不到保证，零序电流法、零序无功功率方向法等不能适用于中性点经消弧线圈接地系统；利用暂态量的选线方法不受消弧线圈补偿的影响，在发生间歇性弧光接地故障时可靠性更高。要充分发挥选线技术本身的工程应用效果，除了选线方法本身技术原理可靠、成熟外，还需要在选线装置设计质量、工程安装与管理维护方面进行改进。

小电流接地系统发生永久接地故障时及时跳开故障线路，可以兼顾供电可靠性和配电网安全性的要求。小电流高阻接地故障电流微弱，而且非线性现象严重，目前还缺少成熟的检测技术，是下一步研究的重点。

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Methods of Fault Line Detection for Low Current Grounding System

LI Kefeng1，ZHANG Haitai2，FAN Xiaofeng1，LIU Xiangyu1，XIAN Richang3
（1.State Grid Chengdu Power Supply Company，Chengdu 610036，China；2.Shandong Kehui Power Automation Co.，Ltd.，Zibo 255087，China；3.Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

Low current grounding system is widely used in medium-voltage distribution network in China.In this system，the most common fault is the single-phase-to-earth fault.There are many fault line detection methods but the accuracy of these fault detection is not satisfactory.In this paper，the principles，advantages，disadvantages and the application range are analyzed and compared for different fault line detection methods，and the unsolved engineering problems are put forward.The application of adaptive tripping technology is a good solution to this problem.This can not only improve the reliability of power supply but also reduce the grounding overvoltage，which provides references for the future engineering applications.

low current grounding system；fault line selection；arc suppressing coils；steady state algorithm；transient state algorithm

TM77

B

1007－9904（2017）12－0041－04

2017-06-12

李科峰（1967），男，高级工程师，从事电气设备安全运行管理工作；

张海台（1972），男，工程师，从事配电网继电保护与配电自动化工作；

樊晓峰（1963），男，工程师，从事配电运行及管理工作；

刘翔宇（1981），男，高级工程师，从事配电运行及管理工作；

咸日常（1965），男，教授，研究方向为供用电技术、电力变压器运行与故障分析诊断。