李天友，陳彬，謝菁，薛永端

（1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州 350003；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，

福建 福州 350007；3. 中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

中壓配電線路按區(qū)段可分屬供電公司和用戶，故障后需要盡快確定故障位于用戶側(cè)還是系統(tǒng)側(cè)，以明確供電公司和用戶的巡線和檢修責(zé)任。通過配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)故障分段定位，但由于投資原因一般僅對主干線路分段，仍不能滿足上述要求。

此外，統(tǒng)計結(jié)果表明，相當(dāng)一部分故障（可能高達(dá)30%）是發(fā)生在用戶線路或設(shè)備上的[1]。當(dāng)用戶所屬線路或設(shè)備發(fā)生故障時，如果處理不當(dāng)，將使整條配電線路停電，擴(kuò)大停電范圍，影響非故障用戶的正常供電，并引起供電公司和非故障用戶之間的責(zé)任糾紛[2-4]。

分界開關(guān)是將線路分段開關(guān)和微機(jī)保護(hù)測控以及通信融為一體的裝置。分界開關(guān)安裝在中壓線路的T接分支或末端，是供電公司和用戶劃分中壓配電線路不同管轄范圍的分界點[5]。接地故障分界技術(shù)，是指檢測用戶側(cè)發(fā)生的接地故障并告警，在必要時自動或人工隔離故障區(qū)段。通過接地故障分界技術(shù)可以進(jìn)一步縮小故障區(qū)段，加快故障處理速度，減少可能引起的非故障用戶連帶性事故停電，更重要的是給供電公司和用戶區(qū)分責(zé)任提供了依據(jù)，也有人形象地將其稱為看門狗技術(shù)或防火墻技術(shù)[6]。

本文分析了線路不同區(qū)域發(fā)生小電流接地故障時，分界開關(guān)處的穩(wěn)態(tài)故障特征，論述了基于分界開關(guān)的小電流接地故障工頻分量檢測原理：工頻零序電流幅值法和工頻零序電壓電流相位比較法。提出了一種新的分界技術(shù)檢測方法，即工頻零序電壓電流綜合法，并進(jìn)行仿真驗證。分析并解決了小電流接地故障分界技術(shù)在實際應(yīng)用中遇到的若干問題，以期提高其檢測和隔離用戶界內(nèi)接地故障的準(zhǔn)確性。

1 分界開關(guān)處小電流接地故障穩(wěn)態(tài)特征

分界開關(guān)一般安裝在分支線或線路末端，其下游（用戶側(cè)）線路長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中其他部分線路長度之和，對應(yīng)的，下游線路對地分布電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他線路對地分布電容，下游線路對地分布電容電流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上游（系統(tǒng)側(cè)）線路對地分布電容電流。當(dāng)小電流接地故障位于不同位置時，分界開關(guān)處的工頻零序電流幅值、工頻零序電壓電流之間的相位關(guān)系都會存在明顯區(qū)別。

1.1 分界開關(guān)處的工頻零序電流幅值特征

如果接地點位于分界開關(guān)上游，無論系統(tǒng)為不接地還是經(jīng)消弧線圈接地方式，分界開關(guān)檢測到的故障工頻零序電流I觶B均為其下游線路的對地分布電容電流I觶CC。按照1 km長10 kV架空線路對地電容電流30 mA、1 km長10 kV電纜線路對地電容電流600 mA計算，I觶CC幅值一般不超過1 A。如圖1所示，故障點F1位于分界開關(guān)上游，有：

式中，ω為工頻頻率；U0為系統(tǒng)零序電壓。

圖1 故障點位于分界開關(guān)上游時系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The circuit of the system with fault located in the system side

圖1中，Q為分界開關(guān)；CC、Cf和Ch分別為分界開關(guān)下游、同出線分界開關(guān)上游和健全線路的對地分布電容；Lk為消弧線圈電感；Kk為消弧線圈投入開關(guān)。

如果接地點位于分界開關(guān)下游，當(dāng)系統(tǒng)為不接地方式時，如圖2所示，分界開關(guān)檢測到的故障工頻零序電流I觶B為開關(guān)上游所有線路對地分布電容電流I觶CU，即等于除分界開關(guān)下游線路外故障線路對地分布電容電流I觶Cf與健全線路對地分布電容電流I觶Ch之和，有：

圖2 不接地系統(tǒng)中故障點位于分界開關(guān)下游時的示意圖Fig. 2 The circuit of the isolated neutral system when fault is located in the user side

當(dāng)系統(tǒng)為經(jīng)消弧線圈接地方式時，如圖3所示，故障點F2位于分界開關(guān)下游。此時分界開關(guān)檢測到的故障工頻零序電流I觶B，為分界開關(guān)上游所有線路對地分布電容電流I觶CU與消弧線圈補償電流I觶L的相量和，有：

圖3 諧振接地系統(tǒng)中故障點位于分界開關(guān)下游時的示意圖Fig. 3 The circuit of the resonant grounded system when fault is located in the user side

設(shè)消弧線圈失諧度為v（一般在-5%～-20%），則分界開關(guān)檢測的零序電流I觶B又可表示為：

其幅值關(guān)系為：

即由于消弧線圈一般為過補償狀態(tài)，再考慮故障電流中的有功分量，分界開關(guān)處檢測到的零序電流I觶B仍遠(yuǎn)大于其下游線路對地分布電容電流I觶CC[7]。

綜上所述，由于分界開關(guān)特殊的安裝位置，使得無論是不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)接地時其所檢測到的故障工頻零序電流一般大于系統(tǒng)側(cè)接地時的故障工頻零序電流。

1.2 分界開關(guān)處的工頻零序電流電壓相位特征

對于不接地系統(tǒng)，上游線路故障時，根據(jù)圖1，分界開關(guān)檢測的電流I觶B為從母線流向線路的電容電流，其相位超前工頻零序電壓U觶0，考慮到電流中含有少量有功分量，超前相位略小于90°；下游線路故障時，根據(jù)圖2，分界開關(guān)檢測的電流I觶B為從線路流向母線的電容電流，其相位滯后于U觶0，考慮到有功電流，滯后相位略大于90°。分界開關(guān)處零序電流和零序電壓相量關(guān)系如圖4（a）所示。

對于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，上游線路故障時，根據(jù)圖1，與不接地系統(tǒng)時相同，分界開關(guān)檢測的電流I觶B仍然超前零序電壓U觶0約90°；下游線路故障時，根據(jù)圖3，分界開關(guān)檢測到的電流I觶B=I觶CU+I觶L。考慮到消弧線圈會增大故障點的有功電流，在欠補償（消弧線圈電感電流小于系統(tǒng)電容電流）時，I觶B滯后U觶B的相位可顯著大于90°；而在過補償（消弧線圈電感電流大于系統(tǒng)電容電流）時，I觶B超前U觶B的相位可大于100°[8]。分界開關(guān)處零序電流和零序電壓相量關(guān)系如圖4（b）所示。

圖4 分界開關(guān)處零序電壓和零序電流相位關(guān)系Fig. 4 Phase relationship between zero-sequence voltage and zero-sequence current at the boundary switch

2 基于工頻故障分量的分界檢測原理

根據(jù)上述穩(wěn)態(tài)故障特征，已有的小電流接地故障分界技術(shù)可以按所依據(jù)工頻故障分量特征的不同分為工頻零序電流幅值法[1，9]和工頻零序電壓電流相位比較法[1]。

2.1 工頻零序電流幅值法

無論是不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)接地時分界開關(guān)處的故障工頻零序電流大于系統(tǒng)側(cè)接地時的故障工頻零序電流。據(jù)此特征，可以實現(xiàn)接地故障方向判斷。

設(shè)故障電流的預(yù)設(shè)門檻為：式中，Krel為可靠系數(shù)（一般取1.3左右）。則接地故障方向的判據(jù)為：

1）IB≥IS時，接地故障位于分界開關(guān)下游，即負(fù)荷側(cè)；

2）IB

2.2 工頻零序電壓電流相位比較法

對于能同時獲得零序電壓和零序電流信號的分界開關(guān)，可以利用故障工頻零序電壓和電流間的相位關(guān)系確定故障方向。當(dāng)分界開關(guān)檢測到的工頻零序電流超前工頻零序電壓的相位值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，判斷為用戶界內(nèi)發(fā)生接地故障。

為同時適應(yīng)不接地系統(tǒng)和諧振接地系統(tǒng)，并考慮電壓電流互感器的傳變誤差，分界開關(guān)的接地故障方向判據(jù)可設(shè)為：

1）100°<∠I觶B－∠U觶0≤280°時，接地故障位于分界開關(guān)下游，即負(fù)荷側(cè)；

2）60°<∠I觶B－∠U觶0≤100°時，接地故障位于分界開關(guān)上游，即系統(tǒng)側(cè)。

2.3 性能分析

工頻零序電流幅值法需要預(yù)設(shè)故障電流的絕對值門檻，在中性點不接地系統(tǒng)中效果較好，但在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，受消弧線圈補償電流影響，當(dāng)負(fù)荷側(cè)電容電流較大時，整定值可能大于故障點殘流值引起拒動。即使整定值與金屬性接地故障的殘流值能夠配合，由于過渡電阻Rd與分界開關(guān)檢測到的零序電流I觶B的關(guān)系為：

式中，E為故障相的電壓。如圖5所示，隨著過渡電阻Rd的增大，分界開關(guān)檢測到的零序電流I觶B的幅值會隨之減小，當(dāng)過渡電阻Rd較大時，IB可能會小于IS，造成靈敏度下降，即故障點過渡電阻增大時可能會引起拒動。

工頻零序電壓電流相位比較法雖不需預(yù)設(shè)故障電流的絕對值門檻，但在系統(tǒng)側(cè)故障與諧振接地系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)故障，且故障電流較小（遠(yuǎn)小于1 A）時，受電壓、電流互感器傳變誤差的影響較大，相位測量不準(zhǔn)確，很難保證檢測效果。

圖5 過渡電阻、消弧線圈補償度與分界開關(guān)處零序電流的關(guān)系圖Fig. 5 Relationship among boundary switch’s zerosequence current，transition resistance and out-ofresonance degree of Petersen coil

3 工頻零序電壓電流綜合法

3.1 工頻零序電壓電流綜合法判據(jù)

本文提出的工頻零序電壓電流綜合法同時利用分界開關(guān)處零序電壓和零序電流的幅值與相位特征確定故障區(qū)域。該方法首先需確定故障電流的預(yù)設(shè)門檻值IS和I′S。IS的確定方法與工頻零序電流幅值法的門檻值確定方法相同，即：

式中，Krel為可靠系數(shù)（一般取1.3左右）。I′S的選取應(yīng)保證當(dāng)IB>I′S時電壓、電流互感器的相位測量誤差均小于5°，且預(yù)設(shè)門檻值I′S小于工頻零序電流幅值法的預(yù)設(shè)門檻值IS。

工頻零序電壓電流綜合法的判據(jù)為：

交通環(huán)境是安全設(shè)施設(shè)計過程中需特別重視的關(guān)鍵因素，也是交通設(shè)計者最容易忽略的一個因素，由此引發(fā)的交通事故也時有發(fā)生。道路情況、所使用的交通工具組合、氣候環(huán)境和季節(jié)性氣候變化、不同的人群對交通環(huán)境都有很大的影響。因此，設(shè)計交通安全設(shè)施時，應(yīng)以適宜本地生活習(xí)慣、工作環(huán)境的交通參與者為參照物，采取共享交通資源的方式，盡量引導(dǎo)人們積極參與交通安全工程中，確保平安出行。

1）IBIB≥I′S且60°<∠I觶B－∠U觶0≤100°時，接地故障位于分界開關(guān)上游，即系統(tǒng)側(cè)；

2）IB≥IS，或IS>IB≥I′S且100°<∠I觶B－∠U觶0≤280°時，接地故障位于分界開關(guān)下游，即負(fù)荷側(cè)。

工頻零序電壓電流綜合法的判斷流程如圖6所示。

3.2 性能分析

工頻零序電壓電流綜合法的動作區(qū)域如圖7所示。圖中，陰影區(qū)域為綜合法在故障位于負(fù)荷側(cè)時的動作區(qū)域。該動作區(qū)域即保留了工頻零序電流幅值法原有的動作區(qū)域，又覆蓋了其低靈敏度區(qū)域，避免了該方法受消弧線圈補償電流或過渡電阻的影響而使靈敏度降低的缺點；同時綜合法排除了工頻零序電壓電流相位比較法在故障電流較小時，易受電壓、電流互感器傳變誤差影響而誤判的區(qū)域，尤其是在諧振接地系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)故障時，在極端條件下相位測量結(jié)果可能小于100°，造成誤判，而利用綜合法的兩個預(yù)設(shè)電流門檻值限制條件則能減少此類誤判：因此，工頻零序電壓電流綜合法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖6 工頻零序電壓電流綜合法流程圖Fig. 6 Flow chart of synthesis method based on the fundamental frequency zero-sequence voltage and fundamental frequency zero-sequence current

圖7 工頻零序電壓電流綜合法動作區(qū)域Fig. 7 Action area of synthesis method based on the fundamental frequency zero-sequence voltage and fundamental frequency zero-sequence current

4 仿真驗證

圖8 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)模型Fig. 8 Model of the resonant grounded system

采用EMTP/ATP仿真軟件進(jìn)行仿真驗證，仿真線路模型如圖8所示，為中性點經(jīng)消弧線圈接地的10 kV配電網(wǎng)。消弧線圈過補償度為8%，阻尼率為4%。圖中，共有5條出線，Q1—Q5為線路上游斷路器，Q6—Q11為分界開關(guān)。線路參數(shù)為：線路零序電阻R0=2.7 Ω/km，線路零序電感ωL0=0.078 5 Ω/km，線路對地電容C0=0.28 μF/km。故障點過渡電阻Rd=5 Ω。

針對上述模型選擇三種不同的單相接地故障進(jìn)行仿真：1）負(fù)荷側(cè)故障，故障點位于分界開關(guān)Q11下游且距其1 km；2）系統(tǒng)側(cè)故障，故障點位于分界開關(guān)Q11上游且距其4 km；3）負(fù)荷側(cè)故障且過渡電阻Rd=2 kΩ，故障點位于分界開關(guān)Q11下游且距其1 km。仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，故障發(fā)生時間為t=0.05 s，圖9和圖10為故障期間0.20 s至0.25 s的波形。

圖9 負(fù)荷側(cè)故障與系統(tǒng)側(cè)故障時分界開關(guān)Q11處的零序電壓電流波形對比圖Fig.9 Zero-sequence voltage and zero-sequence current at Q11 when fault is located in the user side or the system side

圖中，I觶B1、I觶B2和I觶B3分別是負(fù)荷側(cè)故障、系統(tǒng)側(cè)故障和負(fù)荷側(cè)故障且過渡電阻Rd=2 kΩ三種情況下分界開關(guān)Q11處的零序電流，U觶B為負(fù)荷側(cè)故障和系統(tǒng)側(cè)故障時分界開關(guān)Q11處的零序電壓，U觶B3是負(fù)荷側(cè)故障且過渡電阻Rd=2 kΩ時分界開關(guān)Q11處的零序電壓。分界開關(guān)Q11處的各零序電壓電流幅值和相位差如表1所示。

圖10 系統(tǒng)側(cè)故障與負(fù)荷側(cè)高阻接地故障時分界開關(guān)Q11處的零序電壓流波形對比圖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 分界開關(guān)Q11處的測量數(shù)據(jù)Tab. 1 Measured data at Q11

由仿真結(jié)果可知，負(fù)荷側(cè)接地時分界開關(guān)處的故障工頻零序電流（9.751 A）大于系統(tǒng)側(cè)接地時的故障工頻零序電流（3.006 A）；負(fù)荷側(cè)接地時分界開關(guān)處的故障工頻零序電流超前零序電壓的相位（114.9°）位于100°～280°，系統(tǒng)側(cè)接地時分界開關(guān)處的故障工頻零序電流超前零序電壓的相位（89.1°）位于60°～100°。而在負(fù)荷側(cè)接地且過渡電阻Rd=2 kΩ時，IB3=3.042 A，與系統(tǒng)側(cè)接地時的故障工頻零序電流近似相等，這說明當(dāng)故障點過渡電阻增大時，分界開關(guān)處的零序電流顯著減小，其幅值可能會接近或小于金屬性接地時分界開關(guān)下游的電容電流值，此時工頻零序電流幅值法靈敏度降低。在實際應(yīng)用中，由于電壓、電流互感器傳變誤差的影響，工頻零序電壓電流相位比較法的檢測效果不易保證。由此看出，工頻零序電壓電流綜合法具有明顯優(yōu)勢。

5 小電流接地故障分界技術(shù)實現(xiàn)中的若干問題

5.1 零序電流的獲取

零序電流的獲取有直接和間接兩種方式。直接方式是通過零序電流互感器（TA）獲得；間接方式是通過三相電流合成后獲取。

對于電纜線路，可直接安裝零序TA，也可通過三相TA間接獲取。對于架空線路，傳統(tǒng)上是通過三相TA間接獲取零序電流，近年在開關(guān)內(nèi)集成零序TA已成為一種趨勢。

系統(tǒng)正常運行時一般不存在零序電流，直接測量方式獲得的零序電流就是故障電流。而在間接測量方式下，由于TA誤差、裝置模擬電路處理及計算誤差等，即便是在一次電流對稱、不存在零序電流的情況下，由三個相電流相加獲得的工頻零序電流值也不為零，這個電流稱為不平衡電流。為了保證故障工頻電流測量的準(zhǔn)確性，間接測量方式下，需要通過零序電流突變量方法剔除不平衡電流影響。

5.2 接地故障的啟動判據(jù)

如果分界開關(guān)接有三相或零序的電壓互感器（TV），則可以利用一相電壓降低、兩相電壓升高或零序電壓超越一定門檻來判斷接地故障的發(fā)生。

部分分界開關(guān)處不具備安裝TV的條件，即使安裝了TV也多是測量線電壓不能反映接地故障電壓變化，此時，需要根據(jù)零序電流的工頻分量或暫態(tài)分量是否超越一定門檻來判斷故障的發(fā)生。

5.3 故障持續(xù)時間的判斷

如果接有三相或零序TV，則可以根據(jù)電壓變化時間計算接地故障的持續(xù)時間。如果沒有相電壓或零序電壓信號，則需要根據(jù)工頻零序電流變化量的持續(xù)時間計算故障持續(xù)時間。

5.4 接入配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)

在實施配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)后，分界開關(guān)可納入其管理范疇，將故障信息上傳主站，實現(xiàn)更精確的故障區(qū)段定位。

5.5 故障區(qū)段隔離

根據(jù)需要，可設(shè)定分界開關(guān)是否允許跳閘，以及跳閘的延時時間。當(dāng)允許跳閘時，用戶側(cè)發(fā)生接地故障并持續(xù)一定時間后，跳開分界開關(guān)隔離故障區(qū)段。這樣做，可以縮小故障范圍，減少對其他用戶的影響，但也會增加分界開關(guān)內(nèi)用戶的停電時間。

6 結(jié)語

長期以來，由于缺少有效的小電流接地故障保護(hù)隔離措施，使得用戶側(cè)的故障無法快速準(zhǔn)確地被識別與隔離，影響配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電可靠性。

本文所提出的工頻零序電壓電流綜合法同時利用分界開關(guān)處工頻零序電壓和工頻零序電流的幅值與相位特征，能快速準(zhǔn)確地識別故障區(qū)域。與工頻零序電流幅值法相比，該方法的判定結(jié)果不會受消弧線圈補償度或過渡電阻大小的影響，靈敏度較高；與工頻零序電壓電流相位比較法相比，它避免了故障電流較小時電壓、電流互感器傳變誤差對測量結(jié)果的影響，提高了判定的準(zhǔn)確度。

工頻零序電壓電流綜合法提高了小電流接地故障分界技術(shù)檢測的準(zhǔn)確性和可靠性，能為供電公司和用戶區(qū)分責(zé)任提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)，具有良好的發(fā)展前景。

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