10kv小电流接地故障定位技术研究分析

10kv小电流接地故障定位技术研究分析

刘宏超

（国网陕西省电力公司兴平市供电分公司）

摘要：当前国内外的中压配电网的接地运行方式为中性点非有效接地运行方式，这种接地运行方式主要包括中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式两种。由于这两种方式的结构较为复杂，配电网容易出现各类故障，尤其以发生小电流接地故障（单相接地故障）的几率最大。小电流接地故障会产生过电压，严重危害系统的安全，严重情况可能出现跳闸事故，中断电网持续供电状态。由于小电流接地故障具有电流弱、电弧稳定性低等特点，导致小电流接地故障的选线和定位有一定的难度，尤其是故障定位一直属于技术难点。许多国家的配网自动化（DA）由于不具备或者缺少有效的小电流接地故障定位功能，严重削弱DA的应用效果，配电网的自动化水平也一直停滞不前，小电流接地故障定位方法严重阻碍了DA技术的发展。因而小电流接地故障定位是各个国家都函待解决的问题。本文主要分析了10kv小电流接地故障定位技术。

关键词：10kv小电流；接地故障；定位技术

随着用户对供电质量要求的不断提高，迫切需要开发一种小电流单相接地故障在线定位装置，该装置能在故障发生后，迅速对故障点进行检测和定位。通过测量比较故障线路上零序电流和变电站零序电压的相位，进而确定故障位置。

一、10kv小电流接地故障定位技术现状

国内外许多专家和学者对小电流接地故障定位技术问题做了大量的研究，并提出了许多故障定位方法。早期的接地故障点定位方法有两种，一是故障点测距，二是检测特殊信号的分布。随着自动化技术的不断提高和完善以及DA系统的广泛应用，基于DA系统实现区的定位已经成为当前小电流接地故障定位技术研究的主要方向。即将线路中安装的馈线终端单元作为检测点，并将检测结果及时传达给DA主站，主站再具体判定存在接地故障的线路区段。当前的小电流接地故障定位技术根据利用信号的不同可分为两大类：主动式和被动式。主动式定位的原理是当线路发生接地故障后，相关装置自动将故障的特定信号传递至DA系统，DA系统再对特定信号的分布情况进行详细的检测和分析，从而确定接地故障点的位置。主动式定位方式具体可分为信号注入法、中电阻法、零序电流突变法和传递函数法四种。被动式故障定位方法是根据发生接地故障后会产生特殊的电压和电流信号的原理，设计接地故障点定位算法，准确确定故障点的位置。其中，包括阻抗法、行波法、稳态零序电流比较法、稳态零序无功功率方向法、5次谐波法、暂态无功功率方向法、暂态零模电流波形相似法、基于数学工具的方法八种被动式故障定位方法。

二、10kv小电流接地系统单相接地故障分析

中性点不接地电网正常运行时，各相对地电压对称，各相对地电容流过的电容电流相同，且超前相电压90°，各线路中不会出现零序电流。当系统发生单相接地时，接地相的相电压变为零，非故障相的相电压升高3倍，由相电压值变成了线电压值，系统出现了零序电压，相当于在接地点加入了一个零序电压源，向各线路提供零序电流。单相接地故障零序等效网络图如图1所示。Ca为故障点前线路以及各非故障线路对地电容之和，Cb为故障点后线路对地电容之和。由于线路的零序阻抗远小于电容阻抗，因此可以忽略不计，在中性点不接地电网中的零序电流就是各元件的对地电容电流。对于中性点经消弧线圈接地系统，消弧线圈通常处于过补偿或者全补偿的状态，由于消弧线圈电感电流的补偿作用，发生单相接地故障时，故障点前后的零序电流基波相位接近相同。但是消弧线圈只能补偿基波电流，不能补偿谐波分量，因此从零序回路的等值模型来看，零序电流的谐波分量方向是从故障点流向母线及线路的末端。

（图1）

三、10kv小电流接地故障定位技术

1.故障选线

当发生单相故障时如何快速准确地确定故障线路，按其实现原理故障方法可有稳态分析，暂态分析和非故障信号分析三大类：

（1）基于稳态分量。一是负序电流法。利用故障线路的负序电流与非故障线路的复制大小及方向的区别加以选线。发生单相接地故障时，故障线路的负序电流明显更大且与其他线路方向相反，在线路中设置CT进行检测即可。但是由于CT的不平衡性，检测精度，以及线路的长度，过渡电阻等因素会直接影响选线精度。在NES系统中该方法难以实现。二是零序电流有功分量法。在NES系统中消弧线圈可等效为电感并联电阻，当发生单相接地故障时，只有故障线路零序电流中才含有有功分量，且有功分量和零序电压反向，而与地电容电流方向垂直。利用这个就可以实现故障线路的选择，但是在实际使用中仍然会受到CT精度和平衡性的影响。三是谐波法。在NES系统中发生单相接地故障时，考虑到整个系统的非线性，必然会在故障电流中体现出来，因此提取电流信号进行谐波分析，可以进行故障选线。一般取五次谐波，因为消弧线圈在五次谐波的补偿作用非常小可以忽略消弧线圈的作用。但是五次谐波分量一般较小，容易受到系统干扰，又易受电源电势波形、变压器、负荷等影响，波动较大。这使得采用该方法对测量精度的要求更高。

（2）基于暂态分量的选线方法。一是首半波法。暂态电流和电压相位关系固定，而故障线路和非故障线路之间的暂态零序电流方向相反。利用这个原理可以实现故障线路的选择。但该方法测量暂态信号较小，还有过渡电阻的影响，存在工作死区，容易误判。二是基于小波变换法。暂态中包含着大量的故障信息，而小波变换能分析微弱及突变的暂态信号，能够选择合适的小波就可以很好地利用瞬时信号判断接地故障，提取故障特征。

（3）基于非故障信号。一是注入法。注入能区分系统各种信号的特殊信号，对系统进行分析，由于该信号不影响系统，而在故障线路和非故障线路中的运行结果不同，利用寻迹法可以有效地区分故障线路。该方法需要外加注入设备，且信号的设置和使用精度仍然有待提高。二是光学传感器法。利用安装在变电站出现和线路馈线终端的光学电流传感器（OCT）采集数据进行选线和定位。光学电流传感器是光学元件，其发展受到相关材料和技术的制约，但是其良好的线性，宽带宽，抗电磁干扰能力，以及低成本，安全运行和体积小等特点使得其得到了越来越多的关注。

2.故障定位法

近年来国内外针对小电流单相接地系统故障定位问题也有一定的研究，但实用化成果较少。许多学者基于对被测电量、测量手段和线路模型的不同考量，提出了几种定位方法，如行波定位法、阻抗定位法及基于计算机的数字式定位方法等等。根据实现原理，故障定位的研究方法大致可以分为三类：

（1）故障分析定位法。目前，故障分析定位法主要指的是阻抗法，该方法是利用测量信息计算故障阻抗来实现定位的，该算法建立在阻抗法或电抗法的基础之上，计算方法较复杂。故障发生后，在输电线路一端利用测量电抗的方法来判断故障点的距离时，故障定位的准确性就会受到故障电阻的影响。受故障前负荷电流的影响，流经故障电阻的电流和从线路一端测得的电流就会出现微小的相位差。由此故障电阻可认为是含有电阻和电抗分量实视在阻抗，实在阻抗影响了测得的电抗值，引起故障定位的误差，探测精度不高。

（2）行波定位法。行波定位法的研究始于20世纪60年代，是根据行波传输理论实现故障定位的一种研究方法。目前该方法大致分为三种类型，第一种类型是根据故障点产生的行波，到达母线测量点后反射到故障点，再由故障点反射回母线测量点，往返一次的时间及行波的波速来实现定位；第二种类型是根据故障点产生的行波到达两侧母线的时刻并借助通信联系实现定位；第三种类型是根据故障发生后由装置人为发射高压高频或直流脉冲信号，根据信号从装置到故障点的往返时间实现故障定位。小电流系统发生单相接地故障时，接地电阻较大，反射不明显，无法对故障进行有效定位，因此行波定位法不适用于小电流单相接地故障的定位技术研究。

（3）智能化定位。传统的定位技术如阻抗法和行波法都不能实现有效的故障定位。因此，近年来许多学者引入各种基于计算机的数字化技术，如小波分析与人工神经网络（ANN）技术等，与此同时，结合动态信号处理、专家系统及模糊理论等，为故障信号的分析与处理提供了一种新的途径，推动了智能化的故障定位之路，为实现精确的故障定位打下了良好基础。但目前都处于研究阶段并未实现实用化。

3.小电流在线定位装置总体设计

（1）设计思想。结合计算机技术和通信技术，将广域同步测量的思想引入到研究中压配电网单相接地在线故障定位中，实现故障信息获取和在线定位的方法。小电流定位装置系统由电压测量模块和电流测量模块组成，通过CSD移动数据通信实现两者相量数据的联系。基于广域测量技术完成电压测量模块和电流测量模块的同步数据采集功能。根据零序功率方向法和五次谐波法，开发在线故障定位程序。

（2）嵌入式系统的选用。传统的8位和16位单片机，由于运算能力较弱且外设资源有限，不能满足系统对测量精度和实时控制响应的要求。DSP处理器具有高速的采集和运算能力，但DSP的专业应用和嵌入程度不够深，且设计成本偏高。随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式系统产品已经渗透到各个行业，ARM是基于RISC架构的嵌入式处理器，具有功耗低、32位运算处理性能和优异的控制能力等特点，可以满足小电流定位装置对控制、运算和成本集一体的要求。该内核采用了哈佛微架构，指令总线和数据总线被分开，可以取值和放内存并行处理，增加了分支预测功能，加快了流水线执行效率。全新16位指令集给编程带来更多灵活性，提高了代码密度，同时减少了对存储空间的要求。全新处理器增加了32位硬件除法和单周期乘法，在进行乘、乘加运算时，可以逼近DSP的性能，非常适合于一些需要简单DSP运算却又对价格敏感的领域。本文采用微控制器，它的工作频率可达72MHz，并且具有较丰富的外设资源，完全满足对运算性能的要求。

4.单相接地故障诊断功能

检测单相接地故障时，启动装置工作。装置系统将自动完成CSD通信连接，并实现零序电压测量模块与零序电流模块间的相量数据传输。将零序电压测量相量打上GPS时标实时发送到电流测量节点。电流测量节点将获取到的电压相位与相对时刻的电流相位进行比较，判断其相位关系，进而得出故障点位置是在线路的上游还是下游。如果测量节点零序电流相位超前零序电压相位90°，则故障点在测量节点的上游，如果测量节点零序电流相位滞后零序电压相位90°，则故障点在测量节点的下游。

目前小电流单相接地系统的故障选线与定位技术的研究相对较少，现有的各种故障选线和定位方法都有一定的局限性，真正用于现场实际的定位装置更是少见，严重阻碍了我国配电网自动化的水平的提升，因此如何实现精确的故障选线和定位及实用化产品的研制具有重要的研究价值和现实意义。

参考文献：

［1］熊信银，张步涵.电气工程基础［M］.武汉：华中科技大学出版社，2015：26-32.

［2］催国亮，张福生.基于暂态分析的小电流接地故障选线研究［J］.电气技术，2014（10）：57-60.

［3］贾清泉，肖鹏，杨以涵，等.小电流接地电网单相接地故障的小波选线方法［J］.继电器，2014（3）：7-10.

［4］王耀南，霍百林，王辉，等.基于小波包的小电流接地系统故障选线的新判据［J］.中国电机工程学报，2014（6）：58-62.