10kV配电网接地选线保护装置运行实践及研究

郑泽寰 郑鹏鹏

(1.国网厦门供电公司，福建 厦门 361004，2.国网晋江市供电公司，福建 泉州 362200)

10kV配电网中单相接地约占故障的70%～80%，而且一处弧光接地产生过电压可能引发多处故障。小电流接地选线保护是一项系统工程，主要难点在于故障特征不明显，故障电流小，并有很大的随机性和接地点电弧不稳定性。由于受到选线原理、装置质量、安装维护等诸多因素影响，各地配电网综合选线准确率高于70%的依然不多。近年来，大量挂网运行的线路柱上开关接地保护及故障指示器接地点定位，准确率普遍更低，成为制约配电自动化技术发展的一个重要因素。

1 变电站常用接地选线方法

1.1 稳态零序无功功率方向法选线

该选线法适用于中性点不接地系统，以零序无功功率(电流)方向作为判据，即故障线路稳态零序无功电流从线路流向母线，流向与健全线路相反。通常10kV馈线测控保护装置自带选线模块，无需另设装置，接线相对简单，较适合于金属性永久性接地故障。存在高阻(>1kΩ)接地选线准确率低，瞬时性、不稳定电弧和间歇性电弧接地无法判线，以及无法群体比较等问题。

据晋江7座110kV变电站2019—2020年统计，各站选线准确率66.7%～100%不等，总体准确率79%。

1.2 中电阻法选线

对于中性点经调匝式等自动消弧线圈接地系统，当发生永久性接地故障，经一定消弧延时后，短暂(约1秒)投入消弧线圈并联中电阻(通常为132 Ω[4])，其中零序电流和有功功率变化量均为最大者即为接地故障线路。

中电阻法较好地解决谐振接地系统接地选线难题。理论上，永久性金属性接地选线准确率接近100%,但同样存在高阻接地及瞬时性、不稳定电弧和间歇性电弧接地难判线或误判线等问题。此外，早年装置控制器硬件水平所限，信号采样及处理能力不足，影响选线准确率，未达预期效果。

晋江半城网78套消弧线圈并联中电阻装置运行后，2019年—2020年10月发生接地故障151起，选线正确97起，选线错误35起，未选线19起，选线准确率仅64.2%。

1.3 暂态特征分量法选线

实际接地故障暂态信号经数字滤波分解后，在其主频段(300～1000Hz)内，暂态特征分量具有以下基本规律[1]：①故障线暂态零序电流幅值大于任一条健全线；②故障线暂态零序电流从线路流向母线，流向与健全线相反；③与是否存在消弧线圈无关。

在瞬时性和间歇性接地暂态过程中，以及大多数稳定接地的起始阶段，均含有丰富的暂态特征量，暂态电流值较稳态时大几倍到十几倍(一般大于100A)[1,6]，通过暂态电流群体比幅比相实现接地选线。相对于零序电压与电流极性关系成立时间仅1～2ms的传统首半波法，暂态特征分量法判据在整个暂态过程中都成立，判线可靠性较高；在过渡电阻小于1kΩ时，暂态分量法能够保证在任何故障初始相角下，具有足够的暂态信号幅值[3]。晋江配网2套装置运行，统计期间共发生接地故障8起，选线正确7起，未选线1起(装置故障)。

1.4 最大增量法选线

对于10kV母线装设快速开关接地消弧柜的情况，通常采用最大增量法选线。线路单相弧光接地时，母线快速接地开关将故障相强行合闸金属接地，通过动作前后，各回路采集的两次零序电流值相减，由于接地点转移使故障线零序电流改向，其增量值最大的即为故障线路。晋江配网2套装置运行，统计期间发生接地故障7起，均选线正确。

晋江配网应用上述几种选线技术，据2020年统计，综合选线准确率为68.5%。

2 配电线路接地保护

2.1 稳态零序电流幅值法保护

中性点不接地系统，柱上开关利用接地故障线路故障点上游稳态零序电流明显偏大，且超越设定槛值，来实现接地保护故障报警。其设定槛值按躲过本开关后线路对地电容电流整定。

而对于中性点经消弧线圈接地系统，经接地补偿后接地点残流一般小于5～10A[2](含部分有功分量)，故障点上游开关流过的零序电流已无明显偏大特征。

半城网中，中性点大量采用或经联络线倒电后成为消弧线圈接地系统，故此法通常仅适用于负荷侧电缆总长度约不超过1km的用户分界开关上，保护槛值不宜超过4A，按躲过用户侧电缆及配电设备总体对地电容电流，又小于补偿后流经开关剩余电流考虑，且仅对金属性永久性接地故障比较有效。

2.2 暂态零序无功功率方向法保护

根据特定频段内暂态分量在线路上的分布特点，故障点上游开关流过的暂态容性无功功率明显较大，方向从负荷侧流向电源侧；故障点下游开关，以及健全线路开关流过的暂态容性无功功率明显较小，方向从电源侧流向负荷侧。通常情况下，因不具备相邻配电自动化终端(FTU)间综合比较研判的条件，故常以暂态无功功率方向的自具性，作为开关接地保护的主要判据。

有些装置还以有功功率方向法作为后备保护。故障线路有功电流从故障点流向母线，与健全线路相反。正常情况下有功电流比例小，谐振接地系统发生高阻故障时，零序电压低，消弧线圈串联的阻尼电阻不会被短接，故障线路中有功分量比例大，有利于提高接地保护灵敏度。因此，在预调式(带阻尼电阻)谐振接地系统中，抗过渡电阻能力可提高到2kΩ[3]。

然而在使用中，当故障点过渡电阻偏大以及渐变故障时，暂态信号相对微弱；短线路暂态信号过小、不平衡电流等各种干扰可能影响电流的极性；如果装置的电压、电流极性接错，或开关装反、联络线路倒电潮流改向，都将影响装置正确动作；暂态量持续时间短(毫秒级)、频率高，各种一二次融合成套装置数据采集的实时性和速率、信号处理能力、软硬件整体水平等性能存在差异；电容式零序电压互感器存在材质因素导致采样精度下降问题；尤其是FTU间未能实现故障量综合研判，存在较大局限性。接地保护动作正确率普遍偏低，远未达到预期效果。

晋江配网2021年安装一二次融合开关的线路，共发生接地故障24次，故障点上游开关有接地保护动作报警的14次(占58%)，涉及故障点上游开关33台次，其中，正确动作15台次(占45%)，则接地保护总体动作准确率仅26%。此外，故障点下游及非故障线路融合开关接地误报50台次。

3 配电线路接地点定位

线路故障指示器(简称故指)接地点定位，因难以精确同步采集架空线三相电流来合成零序电流；通过检测导线的空间电场电位梯度，难以获得准确的零序电压参考相量，所以难度更大。

以每相突变的暂态电容电流作为判据，需过滤正常负荷电流后才能获得，而且突变电容电流的动作槛值也不易设定，动作准确率普遍很低。

晋江配网共安装运行“二遥”式“故指”4903套，2021年131次接地故障中，正确动作仅54套次，错误动作24套次。

主动信号注入法接地故障定位系统，对永久性金属性接地比较有效，而对间歇性电弧会导致注入信号不连续、特征被破坏；线路负荷波动，可能影响识别特征电流信号；信号元件投入时刻系统的过电压，以及投入后元件的发热，使信号元件易损坏。

通过线路开关对应FTU检测到的暂态特征量，远传到配电自动化系统主站，经对相邻终端上传的特征量进行综合研判，识别故障区段效果良好，但需设备布置密度来确保精度，且对自动化程度要求较高。

4 相关问题探讨

①利用短暂投入消弧线圈并联电阻实现线路接地保护，应确保变电站消弧成套装置运行状态良好，线路FTU与之同步协调配合，且具备零序电流或有功功率短暂(约1s)增量可靠保护功能。

投入并联小电阻(一般为10～16Ω)[7-8]，虽然比投入并联中电阻可得到明显的电流增量，便以实现零序过电流保护，但要求系统内配电变压器应进行保护接地与低压侧工作接地分开改造，防止变压器内部单相接地时低压中性线出现过高电压，改造工作量较大；因为并联的电阻较小，在高阻故障时系统零序电压较小，则保护耐过渡电阻能力反而更低(<140Ω[3,8])，容易造成零序过电流保护拒动[7-8]。

为了防止在恶劣天气等情况下短时间内多次故障，频繁投切并联电阻(尤其是小电阻)对系统造成频繁冲击，且损坏电阻，应限制规定时间内电阻投入次数。

该方案主要针对永久性金属性接地比较有效，而对于高阻性、瞬时性、间歇性接地依然存在局限性。

②变电站10kV母线装设消弧柜，对限制弧光接地过电压具有一定的作用，而且采用最大增量法选线效果良好，但与之配套的接地故障定位技术尚未成熟。通过低励磁阻抗变压器向接地相注入双频特征信号，若接地过渡电阻较大或配电线路较长，则线路上的对地分布电容将吸收较多注入信号电流，该定位方法可能不准确；尤其是接地点快速转移到母线后，线路弧光接地故障点可能暂时消失，特征信号电流无法流通，不仅无法定位，还会因故障点破坏不明显，给后续查找处理隐患点带来更大难度。

③暂态特征分量法利用故障瞬间频率高、幅值大的电压电流暂态信号，同时适用于中性点不接地或消弧线圈接地系统，对永久性和瞬时性接地故障均可选线。二十余年来，国内已有数千套暂态选线装置投入运行，选线准确率大多达90%以上[1,3]。

线路开关应用暂态分量法，无需额外附加一次设备及动作配合，便可独立实现接地保护功能。虽然远未达到预期实用效果，但依然是相对可行的主要方法。另外增加了有功功率方向后备保护，在预调式谐振接地系统中，耐过渡电阻值高于一般装置的1kΩ。为此，有必要对单相接地故障发生机理、暂态特性及利用方式进行更为系统的分析和研究，切实提高完善各种融合成套产品性能，以满足运行现场对精品装置的迫切需求。同时，应具备随潮流改向而改变方向判据的功能，以防开关装反及适应众多联络线路的运行变化情况。

④准确、充分地提取故障信息是实现选线保护的前提。

推荐选用LJWZ系列高精度套管型零序电流互感器(TA)，其优质高导磁合金材料卷绕制成的环形铁芯，线性良好，原方零序电流在2～50A范围内，变比误差<1%，角误差<1°。

零序TA一次额定电流宜选20A(最大不超过50A)，二次额定电流不超过1A。不推荐选用开合式结构或无变比及无误差保证指标的产品。

三相共箱式柱上开关内置零序TA，比三相支柱式柱上开关外置长条形零序TA(漏磁较大)，测量精度相对较高。零序TA变比取20A/1A，输入接地保护装置电流不宜小于2A零序精工电流。电容(或阻容)式零序电压互感器应注意采用性能稳定的材质。建议对一二次融合进行整组精度测试，确保采样环节正常。

⑤近年来在福建、浙江、陕西等地挂网运行的“一二次深度融合智能柱上开关”，据称“可实现80%以上单相接地故障的故障点最小区域自动研判并隔离”①。该现象值得深入调研、总结和借鉴。

设备结构主要特点：一是以电流传感器替代电磁式电流互感器，暂态零序电流由三相电流合成获得；二是以阻容分压的电压传感器替代电磁式电压互感器，暂态零序电压由三相电压合成获得；三是电容分压取能加锂电池储能供电，替代传统电磁式电压互感器(TV)供电模式；四是一体化全融合产品，将控制终端融合到断路器机构箱内。

⑥除了通过配电自动化主站检查、比较FTU的故障检测结果来定位故障区段外，如何借助5G通信的技术优势，利用网络拓扑技术，通过线路开关相邻终端之间多维故障数据融合的分析定位，是个有待于研究的新课题。

⑦开闭所、户外环网箱等配电站房，建议采用暂态零序电流群体比幅比相法集中选线(参与比较线路不得少于3条)，其效果将优于暂态方向的分布选线。

宜选用消谐型电压互感器(如“三相主TV+中性点零序TV”型)，或电容(或阻容)式电压互感器获得零序电压。不宜大量安装中性点直接接地的电磁式TV，以免系统易于激发铁磁谐振[5]。

对于用户配电室，由于馈线发生不易查找的单相接地故障发生几率极小，可暂不考虑接地选线问题。

⑧对于纯电缆配电网络，可采用中性点小电阻接地方式，实现零序过电流保护和消除弧光接地等内部过电压。该方案同样应满足配电变压器保护接地与工作接地分开的要求，而且有必要进一步提高零序保护抗过渡电阻能力。

吴海江等利用发生单相接地故障或两出线同相接地故障后,接地变中性线零序电流与各出线零序电流比值的相对差异，提出了一种集中式接地保护算法，抗过渡电阻能力有望高达1.5kΩ。该法仅适用于变电站内保护。

5 结论

①中性点不接地系统，10kV馈线测控保护装置接地选线准确率一般可达70%～80%。

②消弧线圈并联中电阻法，依然不失为谐振接地系统相对可取的选线方法之一，须对早年装置进行软硬件升级改造，提高装置性能。

③母线消弧柜接地系统，最大增量法选线良好，但仍需成熟的线路接地故障点定位装置与之配套使用。

④暂态法接地选线，适用范围广，准确率较高，值得推广应用。线路开关暂态接地保护装置，有待于切实完善整体产品性能，尽可能实现暂态量综合研判，提高运行效果。

⑤配电站房推荐采用暂态零序电流群体比幅比相法集中选线，选用电容(或阻容)式电压互感器获得零序电压。

⑥纯电缆配电网络中性点小电阻接地方式，仍需提高零序保护抗过渡电阻能力，降低保护拒动概率。

⑦长期以来，配电网以“2小时运行+接地选线”作为接地故障的处理原则，应当努力优化为在躲过瞬间接地故障后，快速就近隔离永久性接地故障。

准确“选段跳闸”依然是有待于努力实现的原则目标，从而形成“线路接地选段保护为主，变电站接地选线为辅”的故障处置模式，而且将大大降低弧光接地过电压对系统的破坏性。

注释：

①根据上海宏力达信息技术股份有限公司及国网南安市供电公司等技术交流材料。