齊寓乾

（山東省實驗中學，山東濟南，250000）

0 引言

我國10kV配電網的中性點的運行方式主要為小電流接地方式和大電流接地方式。

在電力系統(tǒng)運行過程中，故障時常發(fā)生；其中，單相接地故障發(fā)生的次數(shù)占比超過了80%。中性點采用小電流接地時，單相接地故障電流小，即使是永久接地故障，仍可按照相規(guī)定繼續(xù)運行1～2個小時。但是，電網線路建設和改造，架空線逐漸被電纜線替代，電容電流增大，接地電弧難以熄滅。此時，中性點經消弧線圈接地的運行方式就能發(fā)揮作用，但其需要投入更多設備[1]。究竟采用何種接地方式取決于很多因素，如：絕緣水平、通信干擾、接地保護方式、電壓等級、系統(tǒng)接線、人身安全等很多方面。電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，較大的短路電流會流過非故障設備導致其發(fā)熱甚至損壞；有時，故障還會破壞系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。更嚴重的是，發(fā)生接地故障后可能威脅到人身的安全。在本文所討論的低壓配電網中，中性點主要采用小電流接地的運行方式。為了保證供電的可靠性，在這種情況下系統(tǒng)可按相關規(guī)定繼續(xù)運行1～2小時。因此，在這種情況下系統(tǒng)不需要立即切除故障線路。雖然系統(tǒng)可以繼續(xù)供電，但單相接地故障很可能會演變成兩相接地故障甚至是三相接地故障，將會對系統(tǒng)造成很大危害。因此，在發(fā)生永久性的單相接地故障后，必須盡快選出故障線路和故障位置，以排除故障。

本文將介紹現(xiàn)有的主流檢測方法，并對其適用的工況進行總結，最終提出一種準確率高且檢測時間短的檢測方法。

1 傳統(tǒng)檢測算法

■1.1 首半波法

首半波法[4]指的是利用故障后，用第一個半周期的信息進行判斷的方法；因此，這是一種利用暫態(tài)信號的方法。當發(fā)生單相接地故障時，在第一個半周期內，由于電流不可突變，消弧線圈的補償作用忽略不計，可利用零序電流法進行判斷。但是由于暫態(tài)過程中非常短暫，難以實現(xiàn)。

■1.2 殘留增量法

殘留增量法[5]的原理是通過調節(jié)消弧線圈，改變流過消弧線圈的電流。此時，與大地連接的線路上的電流量變化應該和消弧線圈上的變化相同，即故障線路上電流的變化和消弧線圈處相同；但是由于線路導納的存在，其他非故障線路也會起到一定的分流作用。殘留增量法需要調節(jié)消弧線圈的電感值，局限性很大，不適用于中性點不接地系統(tǒng)。

■1.3 諧波法

從理論上可知，單相故障信號中含有大量諧波分量，其中以奇次諧波為主。諧波法的原理是濾去基波分量，使用其中的5次諧波分量，再利用比幅比相法的原理選出故障線路。但是由于諧波分量比較小，實際應用中準確率較低。

2 新型檢測算法

PSCAD/EMTDC是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件。本文利用PSCAD搭建10kV配電網模型，并進行仿真研究。仿真模型共四條出線，從上往下的線路長度分別為17km、18km、25km和30km；接地故障發(fā)生在第四條最長的線路上。架空線路的參數(shù)為：正序阻抗Z=0.19+j0.32Ω/km，正序導納b=j2.895us/km，零序阻抗Z0=0.2289+j1.692Ω/km，零序導納b0=j1.9334us/km。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)：當相電壓峰值附近發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)故障電流的突變量和零序電流均較大，容易進行故障判斷。但是，當單相接地故障發(fā)生在故障相電壓最小值附近時，系統(tǒng)故障電流突變量和零序電流量均很小，難以進行判斷，尤其是現(xiàn)實系統(tǒng)中電流互感器和電壓互感器本身存在誤差，這種情況下很容易發(fā)生誤判。

將上述PSCAD仿真數(shù)據(jù)導入matlab進行處理后可以得到零序電流的頻域分量，通過頻域能量可以準確判斷出故障線路；并且，即使系統(tǒng)中電流互感器和電壓互感器存在誤差，也只會影響電流的大小，并不會對其波形產生影響。因此，采用頻域分析可以提高準確率。

■2.1 算法介紹

通過PSCAD仿真分析及matlab數(shù)據(jù)處理，可以得到：利用時域信息判斷比較快，不需要太多計算量，但是當故障發(fā)生在故障相電壓過零點附近時，準確率很低甚至發(fā)生誤判。利用頻域信息進行分析能提高準確率，但是需要額外的數(shù)據(jù)處理，所以需要更強處理能力的計算機和需要更多時間才能檢測出故障。

因此，本文提出一種基于頻域的二維接地故障檢測方法，檢測過程如下：①系統(tǒng)三相中某一相電壓突然下降到0.2倍額定電壓以下，同時其他兩相電壓升高，則判定電壓下降的那一相發(fā)生單相接地故障。②判斷故障發(fā)生時故障相電壓相位；③若故障發(fā)生時故障相電壓與峰值相距45度以內，則認為此時首半波法能夠準確判斷出故障線路，選擇首半波法進行判斷；其他情況則使用頻域能量法進行判斷。

■2.2 算法驗證

當故障發(fā)生在故障相電壓最大值時，時域零序電流如圖1(a)所示，此時將選擇首半波法進行判斷，可以看出此時能夠通過首半波法進行準確判斷。但是，當故障發(fā)生在故障相電壓過零點時，從圖1(b)可以看出首半波法將無法確定故障線路。

利用本文所提出的新型檢測算法，圖1(b)這種工況下應該選擇頻域能量法進行判斷。因此，將圖1(b)中無法通過時域準確判斷的電流數(shù)據(jù)導入matlab作傅立葉變換，則可得到其各線路零序電流頻域波形。圖1(c)為其中零序電流最大的非故障線路零序電流的頻域圖，而圖1(d)則為故障線路的零序電流的頻域圖，通過對比圖1(c)(d)可以看出，此時通過頻域能量法能夠準確判斷出故障線路。因此，本文所提方法在傳統(tǒng)方法無法正確判斷時仍能判斷出故障線路。并且，相較于全程使用頻域能量法，該方法在提高檢測準確率的同時能大大減小故障檢測時間。

3 結語

本文針對10kV配電網，提出一種基于頻域的二維接地故障檢測方法，并通過PSCAD仿真和matlab進行了驗證，證明這種方法能夠準確判斷出單相接地故障線路，并不受故障發(fā)生時相角以及系統(tǒng)中性點接地方式的限制，其優(yōu)點主要為：

（1）相比傳統(tǒng)檢測方法準確率更高；（2）同等準確率情況下檢測時間短，為排除故障節(jié)省了時間。

圖1 仿真驗證圖