小电流接地系统单相接地故障处理技术及其进展

2021-06-24杜严行

东北电力技术 2021年5期

杜严行

(国网宁东供电公司，宁夏银川 750411)

配电网运行环境恶劣，配电网线路常常由于恶劣天气(大风、雷雨、大雾、沙尘等)、设备老化绝缘降低、异物干扰、外力破坏、鸟类筑巢、维护不力等诸多因素导致单相接地发生，据不完全统计，配电网85%以上的故障均来源于单相接地故障[1]。配电网单相接地故障频繁发生，尤其是小电流接地系统发生单相接地故障一直困扰着电网运行人员，甚至有人认为它是一个世界性难题[2]。为了更好地促进小电流接地系统单相接地故障处理技术的发展及工程应用，同时反映在配电网单相接地故障处理技术方面的研究成果及应用状况，本文比较全面论述了小电流接地系统单相接地故障处理技术，结合当前最新发展，阐述并探讨了新技术，指出了今后的发展方向。

1 单相接地故障涉及问题及快速处理必要性

小电流接地系统发生单相接地的最大特征就是故障电流相对较小，一般小于负荷电流，而且三相电压依然对称，不影响对用户负荷的持续供电；由于小电流接地方式具有良好的高供电可靠性(电网调度控制规程规定可持续运行1～2 h)，此种中性点接地方式在我国配电网被广泛采用。单相接地故障过程复杂，按照过程变化状态有稳态过程、暂态过程；按照接地时长分有永久性接地、间歇性接地、瞬时接地；按照接地介质可分为金属性接地、弧光接地、高阻接地等。单相接地主要涉及消弧、选线、故障定位、人身触电保护、故障快速隔离、过电压抑制等问题，图1给出单相接地故障“问题六边形”。配电网发生单相接地时，虽可持续供电一段时间，但是接地期间危害巨大，主要表现在：一是非故障相对地电压将会升高至线电压，对设备绝缘构成威胁，尤其对电缆连接头、中间头等薄弱环节影响明显，轻则造成击穿爆炸，重则发展成相间短路造成线路跳闸；二是对于电容电流较大的配电网络，接地时会出现电弧时燃时灭的不稳定状态导致电磁能量的强烈振荡，引起间歇性电弧接地过电压[3],也容易发展成相间故障，同时过程中一旦激发谐振，可能烧毁电压互感器，重则引发大面积停电[4]，因此采用技术手段快速处理单相接地故障显得十分必要。目前国家电网有限公司对于配电网单相接地故障处理提出“瞬时性故障可靠熄弧，永久性故障快速隔离”处理方针，其本质也突出了快速处理的核心思想。

图1 单相接地故障“问题六边形”

2 单相接地故障处理技术

2.1 “人工拉路选线”处理技术

目前，人工“拉路选线”在处理配电网单相接地故障方面仍在继续使用，而且是处理单相接地故障的主要手段[5]。当母线发生单相接地时，一般按照如下方法及顺序进行处理。①电气分割法，根据运行方式将电网分割为电气上互不相连的几部分。②停空载线路和电容器组。③试拉线路长、分支多、负荷轻、历史事故多且不重要的线路。④试拉分支少、负荷重的线路，最后通知重要用户，停用户线路；在紧急情况下，重要用户来不及通知，可先试拉线路，事后通知客户服务中心。⑤对于双母线的变电站，重要用户的线路不能停电时，可采用倒换母线的方法来寻找。如果进行上述处理后，接地仍不消失，其主要原因是多条线路同相接地；母线设备接地；主变压器低压侧设备接地。

实际上，为了进一步提高故障处理效率，一般调控人员在处理单相接地故障时，会参照事先制定的《小电流接地系统单相接地选线顺序表》进行逐一拉路选线，遇到非故障线路拉路后随即恢复供电，直至选出接地线路。《小电流接地系统单相接地选线顺序表》是营销部门、设备运维部门、调度部门综合考虑了用户意见、负荷性质等因素而制定的。

人工“拉路选线”具有简单、直接、便捷的处理特点，但技术手段单一。根据配电网运行经验，“拉路选线”存在以下问题或造成如下影响。①拉路时会造成非故障线路短时停电，会引起具有“高、精、尖”特征的用户产品报废、精密仪器损坏、信息丢失、生产线停产等严重后果[5-6]。②由于配电网用户众多，即使通知用户前提下，还是存在用户投诉等现象，影响供电企业品牌形象及服务宗旨，同时人工查找修复故障耗时较长，人力物力耗费大。③调控值班员“拉路”后，由于设备健康水平、存在缺陷等种种原因，自动化系统可能会发出“控制回路断线信号”，一旦发出此信号，此时无法遥控转运行，从而造成整条配电线路长时间停电；即使正常拉路恢复站内断路器后，此过程相当于给线路充电，冲击电流可能造成线路分段断路器分闸，最终还会造成后段线路处于较长时间停电状态。鉴于以上问题，在“以客户为中心”服务理念、“人民电业为人民”的服务宗旨及高供电可靠性发展趋势下，显然人工“拉路选线”处理单相接地故障技术已经不适应当前配电网供电发展的需求及对接地故障处理的要求，迫切需要解决小电流接地系统单相接地故障处理问题。

2.2 利用接地选线装置自动选线技术

该技术的基本原理是在变电站高压配电网母线侧安装专门的小电流接地选线装置，出线侧配置零序TA，当配电网线路发生单相接地故障时，小电流接地选线装置利用判别算法检测故障信息，一般情况下只发出单相接地故障信号，不会跳闸；选出接地线路后由调控值班员通知运维人员查线排除故障。理论上讲，若小电流接地选线装置能100%准确选出接地线路，那么采用此项技术处理单相接地故障准确率也是100%，而且具有对用户不停电的特点。

当前接地选线技术的发展主要集中在单相接地故障检测方法研究上[7-12]。基于单相接地时故障的稳态、暂态信号特征，选线算法可分为稳态选线法、暂态选线法，随着先进技术的发展，近些年来又出现了综合选线法[13]等，稳态选线法主要有：零序电流幅值比较法、零序电流方向法、谐波法、零序电流有功方向法、负序电流法、注入信号法；暂态信号法主要有：暂态零模电流幅值与极性比较法、暂态零模电流方向法、暂态行波法、小波法、暂态能量法等。受接地方式及单相接地故障类型的影响，各种选线技术均具有各自特点。表1给出了不同选线算法的适用范围及特点，就应用效果而言，暂态法选线效果优于稳态法。

表1 不同选线技术对比

利用选线技术处理单相接地故障只能选出接地故障线路，对具体故障点不能进行精确定位，相比“人工拉路”技术，选线技术在故障处理快速性、缩小停电范围、减轻运维人员工作强度方面具有优越性，但需要解决工程安装及后期维护等成本。配电网线路单相接地故障形式及过程复杂，现阶段应用的接地选线技术工程应用效果不是很理想，主要存在以下几个方面的问题。①由于行业缺乏相应的检测规程及有关运维规范标准，导致市场上选线装置生产厂家参差不齐，产品质量难以得到有效保障。②零序TA选型、极性错误，电缆屏蔽线未穿过零序TA等安装调试过程中存在的问题。③供电部门对选线装置重视程度及运维管理缺乏重视性，以至于选线装置成为了变电站“设备摆设”。文献[14]指出小电流接地故障选线问题目前从技术上已经得到了解决,中电阻法与暂态法的故障选线成功率能达到90%甚至95%以上，能满足现场实际要求，但仍有许多工作要做。文献[15]指出高阻接地故障选线是今后要研究的问题。文献[16]提出了一种基于相电流突变量的配电网单相接地故障区段定位方法，该方法原理简单，只需测量电流，对通信要求低，稳态过程及暂态过程都能准确定位。

2.3 利用故障指示器选线及故障定位技术

该技术的基本原理是在配电网线路适当位置装设大量故障指示器[17]，有现场固定型和“二遥”远传型，远传型有外施信号型故障指示器、暂态录波型故障指示器。远传型故障指示器检测接地故障信号上传汇集单元，汇集单元再与配电网自动化主站实现通信将检测结果送至主站供值班调控员判断，实现单相接地故障的选线与定位。图2给出了一种外施信号型故障指示器的故障定位系统。理想状况下，若检测准确就可实现精确定位(见图2)。

图2 外施信号型故障指示器故障定位系统

故障指示器安装数量巨大，对于弧光接地不能进行消弧，也不能抑制过电压，但可以做到单相接地故障处理不拉路不停电。对于该技术，目前大多研究主要集中在检测方法及装置可靠性方面。实际工程应用中还是存在以下问题：故障指示器动作可靠性有待进一步提高；故障指示器单相接地故障检测准确性不高；故障指示器供电不稳定。

2.4 基于调度主站/选线装置+终端的处理技术

目前站内配电网出线断路器调管范围属于主网，配电网线路发生单相接地故障，调度主站也会识别到，该技术的基本原理就是应用调度主站或选线装置或配电网线路终端检测感知单相接地故障，然后进行接地线路的选线。

文献[18]提出了一种依靠配电网自动化开关的馈线单相接地故障区段定位和隔离方法，实质上就是测控故障量并实现通信进行判断，从而进行故障判断和区段定位。鉴于调度机构SCADA应用已经成熟，文献[19]提出了基于主网调度SCADA系统的稳态零序电流选线方法，该技术方案一是无需在变电站侧装设专门的选线装置，二是无需对变电站中性点进行改造，只将线路零序电流接入调度端主站SCADA系统就可进行选线，对于中性点不接地系统，通过比较零序电流幅值识别故障线路与非故障线路；对于中性点经消弧线圈接地，首先断开零序电流幅值最大的线路，而后比较零序电流幅值变化量识别故障线路，只需要一次拉路停电即可。

该技术充分利用了调度主站SCADA系统功能，具有简单易用、投资较少、维护简单的特点。但是该技术基于稳态零序电流量进行识别，因此只适用于永久性接地故障；其二只能进行选线，不能进行故障定位。

2.5 基于“DAS主站+终端+故障指示器”处理技术

该技术原理是依靠配电网自动化主站、馈线终端、故障指示器检测信号进行单相接地故障处理，是配电网自动化主站、终端及故障指示器功能的有机结合和利用，是一项系统工程技术(见图3)。

关于此项技术发展，文献[20]结合目前配电网自动化建设，充分利用配电网自动化系统(DAS)、终端、故障指示器，提出了基于单相接地故障录波暂态量故障特征提取方法和融合故障录波故障特征量和故障事件信息的单相接地故障区段定位策略，也提出了整体系统的分层(主站层、通信网络层、设备层)设计方案，分层方案如图3所示。文献[21]利用配电网自动化系统及终端，提出了暂态功率方向定位方法和暂态电流相似性定位方法。主要方法是利用暂态功率方向大致估计故障所在区段，利用暂态电流相似性原理确定具体的位置。文献[22]提出了一种将单相接地定位装置的信息直接上报配电网自动化主站进行单相接地定位的方法，该方法无需改变已有配电网自动化系统主站,也无需传送波形信息,即能正确实现单相接地定位。文献[23]论述了基于配电网自动化系统的配电网单相接地故障定位技术在福建龙岩电网中的应用，选线准确率可达100%，故障定位虽比传统方法好，但是仍未理想，特别是针对高阻接地情况准确性差。从技术原理分析及目前应用效果看，“DAS主站+终端+故障指示器”处理单相接地技术可以进行选线、故障定位，但是对消弧、防止过电压方面作用甚微。文献[24]针对现有集中式小电流接地故障定位方法参与环节多，不同厂家的产品之间不易配合等问题，提出了基于配电网自动化系统的分布式小电流接地故障定位方法。为了避免配电网系统线路故障时出现指示信号不全无法为配电网自动化主站判断与定位故障提供可靠依据的情况，文献[25]提出了DAS的容错定位方法。

图3 基于分层结构的单相接地故障定位系统框架

2.6 单相接地故障测距定位技术

对于一条配电网线路若能够进行单相接地故障点的测距，那么也能提高查找故障和处理故障的效率，理论上讲，配电网线路单相接地故障测距也是单相接地故障处理的一种技术方案。文献[26]提出了利用一套高采样率的电流互感器和一套常规的电压互感器实现多馈线系统选线和测距，经过仿真验证了发生单相接地故障时，该方法能够正确选出故障线路并且准确地测得故障点的位置，且不受过渡电阻和系统运行方式的影响，但是在分支较多的配电网，由于信号噪声问题，行波识别比较困难。文献[27]提出了一种基于广域同步信息的故障测距新方法，通过算法求出唯一一个最大横向故障电流从而确定实际故障距离。

实际上，目前比较经典的故障测距方法有阻抗分析测距法、行波测距法。制约阻抗法在配电网中应用的因素其一是主要由于配电网线路分支多，参数很难准确化，其二是配电网线路发生单相接地时故障电流小，因此阻抗法很难实际应用。行波法受配电网参数与接地点过渡电阻影响较小，相比阻抗法具有实用化应用的可能，但是采用行波法进行配电网故障测距对配电网终端硬件采样频率配置要求较高，这也是目前没有采取故障测距技术进行配电网定位的制约因素所在。文献[14]指出配电网行波测距目前主要停留在理论探讨与试验阶段，还没有获得实际应用。

2.7 “自愈开关+继电保护”处理技术

Q/GDW 10370—2016 《配电网技术导则》中已经明确规定：中性点不接地或经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后，线路开关宜在延时一段时间(最短约10 s，级差3 s)后动作于跳闸，以躲过瞬时接地故障；中国南方电网有限责任公司也对配电网运行规程进行了修改，要求快速就近隔离永久性小电流接地故障,以消除事故扩大风险,进一步提高供电安全性与可靠性。这些都是中国配电网运行及管理方面的一次重大变革。鉴于当前自愈开关的应用及配电网继电保护技术重视程度的提高，“自愈开关+继电保护”技术成为配电网单相接地故障处理的一种方案。按照导则规定，根据单相接地故障处理要求，对于主干线或分支可合理配置配电网继电保护，对于用户分支，可配置分界开关，进而有效隔离界内单相接地故障。建设面向供电质量的配电网继电保护今后还有许多工作要做。文献[28]研究提出了一种小电流接地系统接地故障基于继电保护技术的“保护拉路法”，提高了接地故障判断速度和成功率。

3 新技术

3.1 加装智能配电网接地装置/转移接地设备处理技术

长期以来，配电网故障处理研究焦点多关注如何采取先进算法提高单相接地选线正确性及故障定位，而较少关注如何及时可靠地熄灭电弧以避免故障扩大，有效抑制单相接地时产生的过电压以更加安全的方式保持广大用户的持续供电等内容。实际电网运行中，单相接地时引起的熄弧难问题及过电压造成的设备损害频频出现，尤其是接地点人身触电伤害已经发展到了不容忽视的趋势。事实上，选线和定位并非单相接地故障处理的全部内容。

针对配电网单相接地故障的6个问题，文献[29-30]提出了一种智能接地配电网系统并论述了其关键技术，可以说是配电网单相接地故障处理的“完美”技术，其核心技术原理就是在变电站中通过断路器方式安装智能配电网接地装置，装置如图4所示。图5给出了装置处理单相接地故障流程。该装置采用了“软开关”技术，能够减少短接故障母线的冲击电流以及误选相引起的两相短路电流，并能够在误选相时进行纠正性操作。从理论技术层面讲，智能配电网接地装置实现并满足了“瞬时性故障可靠熄弧，永久性故障快速隔离”的基本要求。文献[31]论述了智能接地装置的参数设计，文献[32]对转移接地设备工程应用的安全性进行了分析，文献[33]“灵活”或“智能”接地装置在提高高阻接地故障判断准确率方面有一定的改善，该装置在国网漯河试验基地进行了试验，平均选线准确率可达到92%。

图4 某型智能配电网接地系统组成简图

图5 智能配电网接地系统处理单相接地故障流程

3.2 FA自愈技术

馈线自动化技术(FA技术)原理是依靠终端对出线进行数据采集和监控，执行相应控制策略，及时准确定位故障区段，自动或手动，迅速隔离接地故障区段并恢复全区段正常供电。该技术方案可以有效提高故障处理速度，减少人工巡线查找及保障人员安全。目前有基于重合器的馈线自动化技术方案和基于FTU的技术方案，基于馈线终端设备(FTU)技术方案又可分为远方控制模式和分布式故障处理模式[34]，两者均对自动化系统可靠性要求较高，理论上能够实现故障的快速隔离与非故障区的恢复供电。实际上该FA技术方案就是一种配电网故障处理自愈技术，结合了通信技术、继电保护技术、先进控制技术。