小电流接地系统单相接地故障及选线的探究

陈酋锋

（国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林吉林，132000）

1 小电流接地系统单相接地故障的特殊性质

1.1 稳态信号特性

小电流接地系统中，常见的接地方式为中性点不接地、中性点经消弧线圈接地等[1]。对于中性点不接地系统，出现单相接地故障后，系统中三相对称性被破坏，故障相电压转变为0，正常线路相电压提高至以往的31/2倍，诱发故障点出现零序电压且中性点电位移位；对于中性点经消弧线圈接地系统，在出现单相接地故障后，中性点位置电位由几乎为0 转变为不再等于0，各相对地电容由相等转变为不相等，且故障线零序电流多包含电感电流、电容电流，后者小于前者，前者滞后于零序电压90°，后者超前于零序电压90°。

1.2 零序谐波特征

在小电流接地系统单相接地故障时，较之谐波电流消弧线圈主要为感抗，容抗作用几近于无，此时，零序谐波电流方向、大小所受到的影响就较小，中性点不接地、中性点经消弧线圈接地等不同接地方式谐波特征一致[2]。即正常配电网中，流经幅值最大的谐波为奇次谐波。在配电网出现小电流单相接地故障后，故障线路的零序五次谐波分量会出现与正常线路方向相反的变化，且五次谐波分量会增加。同时三次谐波在变压器内可形成无法进入小电流接地系统的环流。

2 小电流接地系统单相接地故障线路选择的现状问题

当前在小电流接地系统单相接地故障线路选择时，可用的方法较多，比如，基于暂态量的故障选线方法（能量法、基于小波变换的暂态零序电流比较法等）、基于稳态特征量的故障选线方法（零序电流群体比幅比相法、负序电流法、残留增量法等）。上述方法虽然在一定程度上满足了小电流单相接地故障线路选择要求。但是由于小电流单相接地故障情况涉及了经电阻接地故障、金属性接地故障等稳定性接地故障，以及电弧接地故障等非稳定性接地故障，再加上小电流单相接地故障发生特征无法预估、发生位置随机变换、变换规律动态演变，无法根据单一模型进行零序分量的定量核算，尽可进行故障线路的定性分析[3]。同时由于单相接地故障稳态分量在小电流接地电流的10.00%以下，在较大程度上影响了信号检测、故障线路选择精准度。特别是在谐振小电流接地系统中性点经消弧线圈接地中存在可补偿故障电流，进一步加剧的信号检测的困难程度。

3 小电流接地系统单相接地故障线路选择的改善方案

3.1 函数描述

过于单一的故障线路选择远离、过分恶劣的小电流单相接地故障现场工况，是造成当前小电流单相接地故障选择正确率低下的主要原因。为了解决这一问题，可以立足人类大脑神经网络的理解、认知，汇集大量结构简单的元件，综合利用不同类型暂态特征值、稳态特征值以及故障稳态、暂态特征值在小电流单相接地故障发生时刻变化规律，形成基于信息融合的故障线路测度函数，为小电流接地系统各条线路发生单相接地故障的概率计算提供依据[4]。故障测度函数具体为：

上述式子中，第一项为故障测度函数，范围为[-1,1]，即小电流接地系统各线路故障测度函数值分别为-1、1 时，分别为非故障线路、故障线路；第二项、第三项分别为相对故障测度函数、可确定故障函数。

式中的K 是说明零序电流故障测度函数的数值。若K 为第k 条线路零序电流幅值与小电流接地系统中全部线路零序电流之和的比值。在单相接地故障发生第一时间，因线路之间电流零序分量无法确定为正方形或反方向，可以结合K 值大小进行判定。在零序电流处于相同方向时，K 值与线路不发生故障概率成反比，故障测度无限趋近于-1；在零序电流与相反方向时，K 值与线路发生故障概率成正比，故障测度无限趋近于1。

若K 为第k 条线路五次谐波分量与全部线路五次谐波分量之和的比值，则在小电流单相接地故障发生的短时间内，线路之间的电流五次谐波分量方向即可能为相同也可能为相反。基于此，可以结合K 值大小，进行小电流单相接地故障线路的选择。在第k 条线路五次谐波分量与其他线路电流五次谐波分量处于相同方向时，K 值大小与线路不发生故障的概率成正相关，故障测度无限接近于-1；在第k 条线路五次谐波分量与其他线路电流五次谐波分量处于相反方向时，K 值大小与线路发生故障的概率成正相关，故障测度无限接近于1。

若K 为第k 条线路的零序电流有功分量与全部线路零序电流有功分量之和的比值，则在小电流单相接地故障发生的瞬时时刻，故障线路与正常线路之间的电流零序电流有功分量方向无法确定。结合K 值变化，可以作为故障线路选择的依据。若在第k 条线路的零序电流有功分量与全部线路零序电流有功分量方向相同，则K 值大小与第k 条线路不发生故障的概率成负相关，小电流单相接地故障测度与-1 相接近；若第k 条线路的零序电流有功分量与全部线路零序电流有功分量方向不同，则K 值大小与第k 条线路发生故障的概率成正相关，小电流单相接地故障测度与1 相接近。

3.2 智能选线

在故障测度函数确定之后，为了解决配电网结构过分复杂、选线方法原理单一、单相接地故障现场工况恶劣等给单相接地故障线路选择精准性造成的干扰，可以将故障测度函数与基于计算机的智能算法相结合，比如支持向量机、神经网络等，同步提高小电流单相接地故障线路选择的精确性、迅速性[5]。以神经网络为例，可以选择应用范围较为广阔、建模便捷且编程难度小的BP 神经网络，结合小电流单相接地故障特殊性质，进行包含输入→输出的非线性映射建立。即：

在这一映射中正向传播可以描述为：

式（3）中，第一项、第二项分别为第s 个样本网络训练输出层在第i 个处理单元的期望、实际输出值。在小电流单相接地故障线路选择模型中，输入量为故障测度函数处理后的零序电流法、零序有功功率、五次谐波分量法提取的稳态特征量，输出结果为小电流单相接地故障线路选择期望值。基于此，可以设定小电流单相接地故障线路选择BP 神经网络具有三层前向，输入层、输出层节点均为3，隐含层为7。网络运行过程为：零序电流基波信号及有功分量信号、五次谐波分量信号稳态特征值提取→故障测度函数处理后输入→开展神经网络训练获得小电流单相接地故障模型→故障发生瞬时取电阻接地故障、金属性接地故障、电阻接地故障等状态，计算合并后状态对应基本分配概率→设定阈值并计算最终选线结果。

3.3 仿真训练

开展MATLAB/Simulink 仿真获得测试样本是基于神经网络的配电网小电流单相接地故障线路选择精确度保障环节[6]。在仿真训练阶段，可以选择线路L1-L5，L1长度为4.80km，L2长度为9.80km，L3长度为14.80km，L4长度为19.80km，L5长度为29.80km，每条线路包括两条馈线。过渡电阻R1为0.50Ω，R2为500.00Ω，设定合闸角为0，在中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地（过补偿10.00%）时，开展神经网络仿真训练。训练中可采集的零序电流信号个数为5x2x2x5x2x2=400，故障特征（零序电流有功分量、零序电流幅值、五次谐波分量）为400x3=1200 个。在MATLAB2018 软件中，根据上述故障特征量对特征数据进行训练，设定误差平方为10-6，输出层节点激活函数为purelin 函数，学习速率为0.0001，输入层、输出层节点为5 个，隐含层节点为11个，训练次数为4500 次。零序电流、零序电流有功分量、五次谐波分量训练样本阈值分别为0.38、0.12、0.89。

在零序电流、零序电流有功分量、五次谐波分量训练样本下，分别仿真训练760 次、100 次、110 次时，达到误差完成训练，正确率分别为62.30%、97.56%、92.68%，总体正确率为84.18%，单一选线原理下的故障线路特征值为零序电流、零序电流有功分量、五次谐波分量时选线正确率分别为52.36%、95.62%、89.56%，表明基于多种类别的故障线路选择原理融合的小电流单相接地故障线路选择总体准确率以及在多选线特征量下的准确率均较高。

4 总结

在配电网运行管理领域，小电流接地系统单相接地故障线路选择始终是难点。层出不穷的故障线路选择装置并无法显著提高故障线路选择效果。究其原因，主要是由于单一选线方法无法满足小电流接地系统复杂多变单相接地故障线路选择要求。因此，针对小电流接地系统单相接地故障，技术人员可以将多种类别的故障线路选择原理融合，提高故障线路选择精度，为小电流接地系统运行质量的改善提供依据。