姜 健 鮑光海

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

智能配電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的核心部分之一，其中故障選線技術(shù)作為保證配電網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)性工作，具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。

我國(guó)6～66kV 中壓配電網(wǎng)的中性點(diǎn)一般采用小電流接地系統(tǒng)，具體包括：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)（neutral ungrounded system，NUS），中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，即諧振接地系統(tǒng)（neutral resonant- grounded system，NES）和中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)（neutral resistor-grounded system，NRS）。當(dāng)配電網(wǎng)某一相發(fā)生接地故障時(shí)，不構(gòu)成短路回路，且接地點(diǎn)的故障電流小，故這類系統(tǒng)稱為小電流接地電系統(tǒng)[2]。這類接地方式特點(diǎn)有：①故障穩(wěn)態(tài)信號(hào)微弱。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的是系統(tǒng)對(duì)地電容電流，數(shù)值小。經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后（過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、完全補(bǔ)償），數(shù)值更??；②單相接地情況復(fù)雜，受電弧影響大。單相接地故障可分為：直接接地、經(jīng)高阻接地、電弧接地以及雷擊放電接地。單相接地往往伴隨著電弧現(xiàn)象，而電弧又是典型的暫態(tài)過程；③故障暫態(tài)特征復(fù)雜，隨機(jī)性強(qiáng)。故障電壓和電流在暫態(tài)過程中有著豐富的特征量，并且不受消弧線圈的補(bǔ)償?shù)挠绊?。但是暫態(tài)信號(hào)特性復(fù)雜，在不同的故障發(fā)生條件下，暫態(tài)量信號(hào)又有所差異。

由于上述技術(shù)難題，中性點(diǎn)諧振接地接地系統(tǒng)，基于故障穩(wěn)態(tài)量的選線方法存在不可避免的缺陷。因而對(duì)于諧振接地系統(tǒng)基于故障暫態(tài)量的選線方法成為了許多相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)。本文闡述了小電流接地系統(tǒng)故障信號(hào)的特點(diǎn)，總結(jié)目前廣泛采用的選線方法，介紹了相應(yīng)的原理，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 小電流接地系統(tǒng)故障信號(hào)分析

1.1 穩(wěn)態(tài)特征信號(hào)分析

在中性點(diǎn)不接低地的配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)流過的是全系統(tǒng)的對(duì)地電容電流。為抵消系統(tǒng)的電容電流，可在中性點(diǎn)接入一個(gè)消弧線圈產(chǎn)生感性電流，補(bǔ)償容性電流從而減少經(jīng)接地點(diǎn)的故障電流。這種諧振接地系統(tǒng)中的消弧線圈改變了故障電流的大小方向，使傳統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法失效。

由圖1可看出，故障點(diǎn)電流為

式中，Il為消弧線圈補(bǔ)償電流； Σic為非故障點(diǎn)對(duì)地電容電流之和。

圖1 單相接地故障示意圖

1.2 暫態(tài)特征信號(hào)分析

根據(jù)現(xiàn)有研究，通過對(duì)單相接地故障時(shí)零序等效網(wǎng)絡(luò)列寫方程，可計(jì)算單相接地故障電流[3]。健全線路和故障線路首端測(cè)得零序電流分別為

式中，i1為健全線路首端零序電流，i2為故障線路首端零序電流。

從公式可以得以下結(jié)論：

1）影響單相接地電流的暫態(tài)特性主要有故障時(shí)供電線路相電壓初相位、接地點(diǎn)過渡阻抗以及線路參數(shù)，并且這些條件的影響是耦合的。

2）單相接地故障暫態(tài)零序電流振蕩頻率和衰減特性由接地點(diǎn)過渡電阻決定。

3）接地零序電流由容性分量和感性分量組成，故障初相角決定二者比例和振蕩特性。

4）接地電阻的大小影響接地零序電流的暫態(tài)過程。

5）配電網(wǎng)的線路長(zhǎng)度和線路結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)暫態(tài)特性產(chǎn)生影響。

2 小電流接地系統(tǒng)選線方法

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障提出了多種不同原理的選線方法。這些方法按照其利用信號(hào)的不同可分為兩類：①以“S 注入法”為代表的注入信號(hào)的選線方法；②以單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的電氣量為依據(jù)的選線方法，其又可劃分為基于故障穩(wěn)態(tài)分量信號(hào)選線方法或暫態(tài)分量信號(hào)選線方法。因中性點(diǎn)接消弧線圈的應(yīng)用與發(fā)展，目前基于暫態(tài)分量的算法成為研究熱點(diǎn)。

2.1 基于外加注入信號(hào)的選線方法

“S 注入法”作為外加注入信號(hào)選線方法的代表[4]。其原理沒有利用小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的電氣量，而是通過接地相PT 向系統(tǒng)注入個(gè)信號(hào)電流，該信號(hào)感應(yīng)到一次側(cè)，通過接地點(diǎn)構(gòu)成回路，利用尋跡原理跟蹤該信號(hào)實(shí)現(xiàn)選線。

圖2 信號(hào)注入原理示意圖

但該方法在接地電阻較大時(shí)，往往不能正確選線。原因在于注入信號(hào)不僅在接地點(diǎn)構(gòu)成回路，還經(jīng)系統(tǒng)對(duì)地電容，消弧線圈構(gòu)成回路。當(dāng)過渡電阻較大時(shí)，流經(jīng)接地回路的信號(hào)電流不一定是最大值，導(dǎo)致無(wú)法選線。

文獻(xiàn)[5]在原有“S 注入法”的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)意見：降低注入信號(hào)頻率，應(yīng)用信號(hào)電流的相位信息，使用雙頻信號(hào)。但是配電網(wǎng)是一個(gè)不斷擴(kuò)容，擴(kuò)支路的系統(tǒng)。其系統(tǒng)的參數(shù)隨著配電網(wǎng)的規(guī)模發(fā)展而改變，系統(tǒng)對(duì)地電容的改變將影響著注入信號(hào)電流的流向。仿真也證明，降低注入信號(hào)頻率能減少對(duì)較大過渡電阻的誤判，但消弧線圈分流增加，使流經(jīng)接地回路信號(hào)電流絕對(duì)值過小難以檢測(cè)。

“S 注入法”的提出者在文獻(xiàn)[6]又提出從接地變壓器一次側(cè)中性點(diǎn)向故障系統(tǒng)注入較大的半波直流為依據(jù)的選線方法。對(duì)金屬性接地，選線定位不受消弧線圈影響。但經(jīng)過渡電阻接地時(shí)，消弧線圈，分布電容都會(huì)有直流通路，減小了流經(jīng)接地點(diǎn)的直流電流，選線靈敏度受影響。其可靠性需進(jìn)一步驗(yàn)證。

另一方法為脈沖信號(hào)注入法[7]，其用周期性的脈沖信號(hào)作為注入信號(hào)。本質(zhì)是降低注入信號(hào)的頻率，仍無(wú)法克服大過渡電阻引起誤判的缺點(diǎn)。

2.2 基于故障穩(wěn)態(tài)分量信號(hào)的選線方法

1）零序電流幅值比較法

該方法簡(jiǎn)稱幅值法[8]。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后其非故障線路流過的零序電流為本身對(duì)地電容電流，故障線路流過的零序電流數(shù)值等于全系統(tǒng)非故障線路的對(duì)地電容之和。幅值法利用故障線路流過零序電流比非故障線路大的特點(diǎn)進(jìn)行選線。幅值法的缺陷在于不適用諧振接地系統(tǒng)，消弧線圈的補(bǔ)償作用改變了故障相流過的零序電流的大小。

2）零序電流相位法

相位法利用故障線路零序電流由線路流向母線而非故障線路由母線流向線路的特點(diǎn)，根據(jù)方向進(jìn)行選線。在此基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了群體比相法，先用幅值法選出幅值最大的幾條線路，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相位比較。但仍然不適用于諧振接地系統(tǒng)，消弧線圈在過補(bǔ)償運(yùn)行下改變了故障線路的零序電流流向。

3）零序電流有功分量法

零序電流有功分量法[9]是根據(jù)流過故障線路端的零序電流含有中性點(diǎn)電阻或消弧線圈產(chǎn)生的有功電流以及非故障線路對(duì)地零序電流之和兩部分。由于有功電流只流過故障線路，利用這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)選線。

實(shí)際運(yùn)行的問題在于：當(dāng)線路中性點(diǎn)電阻和消弧線圈阻值較小時(shí)，零序有功分量小，對(duì)裝置檢測(cè)精度要求高。

4）諧波法

消弧線圈的補(bǔ)償作用是針對(duì)基波頻率設(shè)定的，對(duì)于高次諧波補(bǔ)償很小。配電網(wǎng)5 次諧波分量含量最大，因此不少學(xué)者提出利用5 次諧波幅值相位選線。但諧波含量較基波分量小，對(duì)其提取檢測(cè)造成很大困難，且選線易受負(fù)荷中諧波源影響。文獻(xiàn)[10]針對(duì)這一問題提出基于5 次諧波突變量的選線方法。其原理是對(duì)于故障線路，正常相與故障相的5次諧波電流突變量大小不等，方向相反；故障線路與非故障線路的故障相相比5 次諧波電流突變量大小不等，方向相反。但是仍無(wú)法解決系統(tǒng)中5 次諧波含量不高的選線精度問題。

5）零序?qū)Ъ{法

零序?qū)Ъ{法[11-12]的原理是電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，饋線的零序?qū)Ъ{中電導(dǎo)與電納均為正直，處于直角坐標(biāo)系中的第一象限。發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路零序測(cè)量導(dǎo)納隨著消弧線圈的補(bǔ)償度不同處于直角坐標(biāo)系的二、三象限，如圖3所示。

圖3 零序?qū)Ъ{分布圖

該方法的缺陷在于在諧振補(bǔ)償情況下（即v=0），此時(shí)故障線路測(cè)得的零序?qū)Ъ{很接近第一象限，易引起誤判[13]。對(duì)于間接瞬時(shí)性接地故障幾乎失效。

2.3 基于故障暫態(tài)分量信號(hào)的選線方法

1）首半波法

首半波法原理是基于大多數(shù)單相接地故障是發(fā)生在相電壓過峰值時(shí)刻的。選線依據(jù)是在故障首個(gè)半波周期內(nèi)，故障線路零序電流大于非故障線路且零序電流、電壓與非故障線路極性相反。

識(shí)別首半波極性的方法因首半波暫態(tài)電流分量很小極易受干擾和諧波影響[14]。實(shí)際故障不可能總發(fā)生在相電壓過峰值時(shí)刻，該方法存在局限。

2）零序能量法

零序能量法[15-16]是利用發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路零序電路中存在零序電源提供能量，非故障線路為無(wú)源元件，吸收能量。因此，依據(jù)故障線路能量絕對(duì)值最大，極性與非故障線路相反進(jìn)行選線。

零序能量法本質(zhì)是有功功率檢測(cè)法，而阻性分量在暫態(tài)信號(hào)中比例小，特別是金屬性接地時(shí)，易誤選。

3）暫態(tài)電流特征頻帶法

該方法選取某個(gè)頻帶范圍（Selected Frequency Band，SFB），分析故障暫態(tài)電流相頻特性：故障線路零序電流的幅值與健全電路差距大，極性相反，據(jù)此選出故障線路[17-18]。該方法需在固定頻率范圍內(nèi)濾波，可靠性不佳[19]，對(duì)相電壓過零附近時(shí)發(fā)生的單相接地故障時(shí)無(wú)法識(shí)別。

4）時(shí)頻分析法

時(shí)頻分析法原理是把故障暫態(tài)信號(hào)分解至多個(gè)頻帶，提取特征量獲取，進(jìn)而判斷故障線路。目前主流的時(shí)頻變換法有小波變換法[20-21]，S 變換法[22]，HHT 變換法[23-24]，能對(duì)故障暫態(tài)高頻電流信號(hào)進(jìn)行有效的分解。

小波變換具有時(shí)頻聚焦特性，選用合適的小波基是處理突變信號(hào)的前提。提取能量集中頻帶[25]對(duì)故障線路上的暫態(tài)零序電流進(jìn)行小波變換后，其暫態(tài)零序電流幅值高于健全線路且極性相反，這樣即可進(jìn)行選線。但合適的小波基和小波分解尺度較難選取，對(duì)選線結(jié)果影響大。S 變換是小波變換的改進(jìn)，用于提取主導(dǎo)特征頻率的短窗能量大小，但其根本小波的缺陷無(wú)法克服。HHT 變換是將復(fù)雜的信號(hào)自適應(yīng)的分解成多個(gè)單分量信號(hào)，其過程或多或少都存在端點(diǎn)效應(yīng)，其方法有待進(jìn)一步的改進(jìn)。

5）波形圖像相似度求解法

文獻(xiàn)[26-27]提出利用諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障線路與非故障線路暫態(tài)零序電流相似度要小于非故障線路之間的暫態(tài)零序電流波形的特點(diǎn)進(jìn)行選線。如圖4所示，其中線路3 為發(fā)生單相接地故障線路。

圖4 零序電流波形圖

文獻(xiàn)[26]把暫態(tài)零序電流用小波包進(jìn)行分解重構(gòu)并等時(shí)間劃分各頻帶系數(shù)，從而得到頻譜矩陣再用圖像綜合相似系數(shù)進(jìn)行選線。文獻(xiàn)[27]用不變矩提取暫態(tài)零序電流特征量，再用聚類分析算法選出具有不同特征量的故障線路從而避免了人為設(shè)定閥值。該方法是否具有通用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 未來(lái)的發(fā)展方向

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，諧振接地系統(tǒng)是目前選線的難點(diǎn)且單一的選線方法無(wú)法應(yīng)用于所有的接地故障，而基于穩(wěn)態(tài)特征量的選線方法由于消弧線圈的補(bǔ)償影響幾乎失效。

當(dāng)前，基于故障暫態(tài)信號(hào)與數(shù)學(xué)算法相結(jié)合是一研究熱點(diǎn)，近年不斷有新的選線算法被提出[28-31]。然而就是過分地依賴數(shù)學(xué)分析工具以及過分的依賴于仿真驗(yàn)證，缺乏了對(duì)單相接地故障發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)際應(yīng)用。由于單相接地故障邊界條件復(fù)雜，隨機(jī)性強(qiáng)，受電弧影響大，如何有效的提取故障信息是實(shí)現(xiàn)選線的前提?；A(chǔ)性研究工作的缺失，尤其是故障暫態(tài)信號(hào)特性的研究和利用方式的缺失，導(dǎo)致對(duì)故障量的理解和運(yùn)用出現(xiàn)片面性，是目前選線技術(shù)可靠性不高的根本原因。

選線方法的融合也是未來(lái)的發(fā)展方向[32-34]。文獻(xiàn)[35]利用多孔算法小波包良好變換特性，提出了多頻帶分量重構(gòu)的選線新方法，極大限度的提取了有效的故障零序電流分量信息。文獻(xiàn)[36]把集成量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)融合理論應(yīng)用于小電流接地選線中，解決單一判據(jù)選線率低的問題。

4 結(jié)論

本文介紹了小電流接地系統(tǒng)常用的選線方法的原理，并結(jié)合最新文獻(xiàn)，闡述了目前與數(shù)學(xué)算法結(jié)合的選線方法。本文認(rèn)為未來(lái)可從以下方面加強(qiáng)研究：①仿真時(shí)需考慮電弧影響以及故障的隨機(jī)性，通過實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)算法的可靠性；②提高小電流接地故障信號(hào)的檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)可靠的提取微弱的故障信號(hào)。零序電流因過渡電阻的大小可能從毫安級(jí)到幾百安級(jí)，這導(dǎo)致了對(duì)裝置的檢測(cè)精度以及檢測(cè)范圍要求高；③豐富現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有選線方法研發(fā)裝置，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證而不是單一的仿真驗(yàn)證算法的可靠性。

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