10kV自闭贯通线单相接地故障判断方法的研究

冯巨祥

（北京铁路局 机务处，北京100086）

10kV自闭、贯通电力线路属中性点不接地系统，当发生单相接地故障后，不会造成对地短路跳闸，可以继续运行2h。但在接地期间非故障相对地电压会升高，金属性接地时，可以升高1.732倍的相电压，长时间运行会危及线路、设备和人身安全。

目前非有效性接地系统的单相接地故障的准确定位是一个较大的难题，尤其是高阻性单相接地，由于接地处存在电弧及接地阻值的不确定性，使故障点的排除难度加大。传统接地故障的查找方法比较落后，一般采用配电所接地报警配合线路二分之一人工拉闸法，这种查找方法不仅时间长，而且降低了供电的可靠性，随着铁路的不断提速，对信号电源可靠性的要求更高，接地故障查找的现状已远不能满足要求，为了保证铁路的正常运营及行车安全，需要一种新型的单相接地故障检测系统来实现接地故障的快速、准确标定，并配合电力远动系统快速切除故障点。

北京铁路局以邢台至邯郸自闭线路为试点，研制开发了10kV单相接地故障检测系统，该系统能根据系统运行情况自动投入，自动检测接地故障点的位置，并在可选择的情况下自动隔离故障区段，恢复非故障区段的正常供电。

1 检测方案

中性点不接地系统单相接地位置的检测，除上述的线路二分之一人工拉闸法之外，还有其他应用零序功率方向、谐波电流和接地故障首半波电流3种原理构成的检测装置。大量的应用实践表明，这些方法在中性点不接地系统单相接地位置的检测中均不能取得满意的效果。经过方案比较，确定应用外加高频信号电流的原理，实现中性点不接地系统单相接地位置的检测。

外加高频信号电流原理是当中性点不接地系统发生单相接地时，在不影响线路供电的情况下，在线路首端通过主变压器中性点向母线接地相注入一种外加高频信号电流，该信号电流主要延故障线路接地相的接地点入地。用电磁感应及谐波原理制成的信号电流探测器（接地故障指示器）安装在线路导体上，用于接收该线路故障相流过的信号电流，判断故障线路段与非故障线路段。

高频信号电流发生器由电压互感器开口三角的电压启动。选用的高频信号电流的频率与工频及各次谐波频率不同，因此，工频电流各次谐波电流对信号探测器［接地故障指示器］无感应信号。

应用外加高频信号电流原理构成的检测装置，可以自动启动检测，与电力远动系统可以实现接地故障的自动判断和自动隔离，该技术的关键部分是信号源和接收装置。检测原理见图1。

图1 检测原理图

2 检测系统构成

检测系统由4部分组成：中性点信号注入装置、单相接地故障指示器、FTU及通信线路、调度主站判断及自动隔离软件。

2.1 中性点信号注入装置

中性点信号注入装置由一台高压真空接触器、接触器的逻辑控制部分、串入电阻组成。当发生单相接地故障后，由电压互感器开口三角产生零序电压启动信号源，闭合真空接触器将产生的矩型电流这一特殊信号通过隔离变压器耦合到线路上，该信号通过接地点流回。线路上流过这一矩型电流的接地故障指示器，翻牌指示或发信传输回调度中心后台，以区分故障区段。

如图2所示，当线路发生单相接地故障，信号源内的高压真空接触器瞬时闭合，变压器中性点与故障相构成单相短路电流，这一电流的大小由回路的电阻决定。流过线路故障相的电流互感器电流，由正常的负荷电流、所有非故障相电容电流、单相短路电流3个电流矢量叠加而成。这一电流不应超过自闭柜断路器的保护整定值，或这一电流的持续时间小于保护的启动时间，不能因为检测接地故障，而造成断路器保护跳闸，影响供电的可靠性。因此，必须限制该信号的幅值或保持时间。

图2 单相接地时的电流分布

当金属性接地时，零序电压最高为相压值，取线电压的平均值为10kV，则相压为10kV／1.732=5.774 kV，要求流过电流互感器的电流不大于15A，则接地短路回路的总电阻应大于5 774V／15A=385Ω，串入电阻应在总电阻抗减去变压器阻抗、线路阻抗及接地点的阻抗，由于出口发生单相短路时产生的电流大，可不计算线路阻抗，则串入电阻为总阻抗385Ω减去变压器阻抗21.3Ω和接地点阻抗10Ω，为了可靠选串入电阻为450Ω，这样，即使在出口发生单相短路也不会造成断路器过流跳闸。自闭馈线的定时限过电流保护延时调整为0.5s，可以实现预期目标。

关于信号源所发信号的种类，首先应短时投入，不能长时间造成单相短路。其次这一信号应不同于正常的负荷电流，并与负荷变化能明显区分。综合各种因素，设计信号源的信号类型，如图3示。

当系统发生单相接地后，由于故障相流过所有非故障相的电容电流，所以故障相的电流在正常负荷电流的基础上叠加了电容电流，当信号源装置启动后，再让一组矩形波与原电流相叠加，这一组矩形波有其特殊性，第一个脉宽350ms，周期1 000ms，第二个脉宽250 ms，周期1 250ms。可以看出这一信号即与正常负荷电流有明显区别，又与暂载性负荷不同。并且，由于投入的时间很短，不会造成大量的有功功率损失。

图3 信号源信号类型示意图

这一信号的形成由断路器控制器来完成。控制器采用单片机作为主控元件，内设时序电路，由电压互感器开口三角电压启动门电路，以躲过瞬时接地故障，串入电阻设有过电流保护回路。

2.2 接地故障指示器

接地故障指示器采样检测单元是接地故障指示器的核心部分，决定了接地故障指示器的灵敏性和可靠性。从图3可以看出中性点信号注入装置所发的信号是一组矩形波，为了提高它的可靠性，将矩形波的幅值设为＞5A。该单元中设有两个计数器和一个比较单元，比较单元检测电流是否为大于5A的突变信号，并配合一个计数器检测它的持续时间是否为250ms或350ms，以判断接收到的脉冲是否为信号源所发脉冲。当连续检测到4个信号源所发脉冲后，指示器即认为该指示器所挂接的线路流过了接地故障电流，如图4。

图4 原理方框图

2.3 FTU及通信线路

京广线柏庄至窦妪电力远动系统实现了调度对26个信号楼、38架高压户外远动负荷开关及4个配电所的监控管理。电力远动系统由计算机调度自动化系统（控制站）和微机远动终端装置RTU、FTU（被控站）以及联系二者的传输通道构成。传输通道采用由铁通公司提供的铁路专用数据传输通道，与远动设备的接口为音频4线，点对点结构。在26个信号楼内分别装有FTU远动终端单元，用它来实现被控设备与调度主站的连接。利用FTU内的遥信子系统，完成对接地故障指示器的信号采集、处理及传输，并提供给调度主站作为判断故障点的依据并在调度主站保存事件记录。

2.4 调度主站判断及自动隔离软件

接地故障点的判断与隔离软件由C++语言编写，运行于UNIX操作系统平台。当调度主站接到各FTU上传的接地信号后，启动主站判断及自动隔离软件，判断出接地故障的区段，并弹出提示信息，让调度值班员选择是否将接地故障区段自动切除，值班员选择自动后，由软件自动判断现场运行方式，并遥控分开故障点两侧的高压远动开关，遥控合上备用配电所的高压断路器，实现故障点的自动隔离与非故障区段的正常供电。

调度接地故障判断与隔离软件的原理框如图5所示。

图5 调度接地故障判断及隔离软件原理方框图

3 设备安装

3.1 中性点信号注入装置的安装

邢台至邯郸自闭线路全长50.812km，其中架空线路长47.657km，型号为LGJ-3＊35，电缆线路长3.155km，型号YJLV22-3＊50。自闭线路由邢台和邯郸两个配电所互供，调压变压器容量200kVA。以此区段做为试验段，中性点信号注入装置安装于邯郸配电所自闭调压器间内，与自闭调压器中性点相连。

为了与既有设备保持一致，将调压器二次侧的馈出电缆支架加宽，增加一个直瓶，将中性点用母排引上电缆支架，接引35mm2高压单芯电缆，从电缆沟引入中性点信号注入装置内。中性点信号注入装置安装于底座上，其底座固定于电缆沟上的水泥地面。

3.2 接地故障指示器的安装

信号传输型单相接地故障指示器安装于高压远动负荷开关引线上，每相一只。由于指示器直接挂接在高压线路上，为了防止高压串入低压，将远动负荷开关的引入线全部更换为交联绝缘线，在指示器挂接处安装高压热缩管和防雨裙，以增大爬弧距离，传输光纤穿入绝缘管后沿电杆引入至远动开关的控制箱内。

非传输型接地故障指示器在区间每隔一公里安装一处，安装在距电杆绝缘子500mm处的架空线路上，与信号传输型故障指示器配合使用，实现接地故障点精确标定。

4 接地故障判断试验

为了检测中性点信号注入装置和接地故障指示器的动作情况，分别在邯郸至邢台自闭供电臂的远端（小康庄远动开关北侧）和近端（黄梁梦远动开关北侧）做了金属性接地和高阻性接地的多次试验，并对每次试验的电流电压进行了波形记录，分析故障指示器动作的情况。

试验地点：邢台至小康庄自闭46＃远动开关北侧A相接地。

试验条件：信号源串入电阻450Ω，调压器短路阻抗21Ω，线路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，线路长度47km，线路阻抗47×1.08=50.76Ω。

接地类型：金属性接地（将接地极打入地下）。

信号源动作情况：信号源动作，高压接触器分合闸7次。

接地故障指示器动作情况：小康庄站、留客站、沙河站、临名关站、黄梁梦站5站动作并上传调度。

信号源所发信号：开口三角电压6 362V；UA=248 V；UB=10 581V；UC=10 316V；接地后 A 相电流4.12A；发信后A相电流11A；矩形波幅度11-4.12=6.88A。

由于接地点选在邯郸至邢台供电臂的远端，当发生金属性接地故障后，其最大电流为11A，没有超过配电室的过流保护定值15A。由于信号源所发矩形波的幅度为6.88A，超过了指示器要求的矩形波的幅度5A，各接地故障指示器可靠动作，远动通道将动作信号传至调度。

试验地点：邢台至小康庄自闭46＃远动开关北侧A相接地。

试验条件：信号源串入电阻450Ω，调压器短路阻抗21Ω，线路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，线路长度47km，线路阻抗47×1.08=50.76Ω。

接地类型：高阻性接地（将接地极放在生长的玉米杆上）。

信号源动作情况：信号源动作，高压接触器分合闸7次。

接地故障指示器动作情况：5站全部未动作，信号也没有上传调度。

信号源所发信号：开口三角电压4 827V；UA=3 877V；UB=10 487V；UC=6 965V；接地后 A相电流3.54A；发信后A相最大电流5.22A；发信后A相最小电流4.45A；矩形波最大幅度5.22-3.54=1.68A；矩形波最小幅度4.45-3.54=0.91A。

由于接地点类型为高阻性接地，其接地电阻值不确定，并且在接地点产生电弧，造成零序电压的不稳定，形成的矩形波幅值小，最大幅度仅1.68A，远没有达到指示器要求的矩形波幅度5A，因此各接地故障指示器不动作，远动通道没有信号传至调度。

由于设备在实际运行中，很少有真正的金属性接地，一般都是接地电阻较大的非金属性接地，若只当金属性接地时能表示出故障点的话，在实际运用中意义不大。因此，决定将中性点注入装置的串入电阻减小，以保证非金属性接地时，接地故障指示器可靠动作。但是，减小串入电阻后，势必造成短路电流的增大，为了保证配电所内的自闭断路器保护不动作，将自闭断路器定时限过电流保护的时间整定值由原来的0.2s调整为0.5s，自闭调压变压器的定时限过电流整定值由原来的0.3s调整为0.8s。由于中性点注入装置发信持续时间最大为350ms，因此即使发信时的最大电流超过了定时限过电流保护的电流整定值，虽然电流互感器启动，但由于时间继电器常开延时接点没有吸合，因此过电流保护不动作。瞬时速断过电流保护的电流整定值为60A。我们通过控制中性点注入装置的串入电阻来保证在线路始端发生单相接地短路时，电流不超过60 A。先将中性点信号注入装置的串入电阻由原来的450 Ω调整为200Ω，进行高阻接地试验。

试验地点：邢台至小康庄自闭46＃远动开关北侧A相接地。

试验条件：信号源串入200Ω电阻，调压器短路阻抗21Ω，线路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，线路长度47km，线路阻抗47×1.08=50.76Ω。

接地类型：高阻性接地（将接地极放在湿砖头上）

信号源动作情况：信号源动作，高压接触器分合闸7次。

接地故障指示器动作情况：小康庄站、留客站、沙河站接地故障指示器动作并上传此信号，临名关站、黄粱梦站接地故障指示器没有动作和发信。

信号源所发信号：开口三角电压5 155V；UA=3 417V；UB=10 685V；UC=7 434V；接地 后 A 相电流3.2A；发信后A相最大电流6.4A；发信后A相最小电流5.3A；矩形波最大幅度6.4-3.2=3.2A；矩形波最小幅度5.3-3.2=2.1A。

由于接地点类型为高阻性接地，虽然中性点信号注入装置的串入电阻减成了200Ω，但由于接地电阻值不确定，并且在接地点产生电弧，造成零序电压的不稳定，形成的矩形波幅值小，最大幅度仅3.2A，远没有达到指示器要求的矩形波幅度5A，因此只有部分接地故障指示器动作和发信。

中性点注入装置的串入电阻还需要减小，但到底应串入多大的电阻才合适呢？由于接地点高阻时电阻的不确定性，使得理论计算较脱离实际。采用实测的方法，分别将串入电阻调整为118Ω、77Ω、45Ω进行高阻接地试验，接地方式采用放在潮湿的地上、水泥地上、砖头上及树枝上。最后，确定将串入电阻确定为45Ω，并在邯郸至邢台自闭供电臂的远端和近端分别做了高阻接地，在各种情况下5站的接地故障指示器可靠动作，在近端做了金属性接地，其最大电流为42A，没有超过瞬时速断过电流的电流启动值60A。

试验地点：临名关至黄梁梦自闭129＃远动开关北侧C相接地。

试验条件：信号源串入电阻45Ω，调压器短路阻抗21Ω，线路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，线路长度8.9km，线路阻抗8.9×1.08=9.6Ω。

接地类型：高阻性接地（将接地极放玉米杆上）。

信号源动作情况：信号源动作，高压接触器分合闸7次。

接地故障指示器动作情况：小康庄站、留客站、沙河站、临名关站接地故障指示器全部动作并上传信号。

信号源所发信号：开口三角电压5 619V；UA=10 587V；UB=8 784V；UC=1 932V；接地后 A相最小电流0.72A；发信后A相最大电流23.21A；发信后A相最小电流9.89A；矩形波最大幅度23.21-0.72=22.49 A；矩形波最小幅度9.89-0.72=9.17A。

中性点信号注入装置的串入电阻减小至45Ω，由于接地点类型为高阻性接地，在接地点产生了电弧，使得所发信号的矩形波幅度悬殊较大，但其矩形波的最小幅度为9.17A，最大幅度为22.49A，都超过了指示器要求的矩形波幅度5A。

配合试验结果，只要是接地故障指示器上传的信号正确，调度软件都能准确地判断故障区段，并正确提示，通过调度员的选择后执行相应开关的分合操作，将故障区段隔离，并恢复非故障区段的正常供电。

试验结论：通过在不同地点，以不同的方式进行接地故障试验，研制的10kV电力线路单相接地故障检测系统能准确标定出故障区段，并在可选择的情况下自动隔离故障区段。尤其对高阻性接地故障的排查这一较难的故障，也收到了明显的效果。

5 性能分析

（1）先进性：10kV电力线路单相接地故障检测系统，克服了传统人工拉闸、谐波功率方向、离线控测、大电流跳闸、注入低频信号、暂态分析等方法的各种局限性，有效解决了各种单相接地故障的探测与定位问题。

（2）安全性：中性点信号注入装置注入的信号是安全的，不会影响配电所设备及线路的正常运行。中性点信号注入装置运行位置在系统中性点处，平时无高压，并且该信号装置的内置单相接触器平时是在开断状态，完全与高压系统隔离。该装置结构紧凑、耐压水平高、简单可靠，对外接口只有一根高压绝缘线，与中性点相连。注入的信号是一组矩形波，其持续时间短，不会抬高中性点电压，不会引起系统谐振和过电压。内置单相接触器采用独立的微机速断保护，对系统安全运行提供多重保障。

（3）可靠性：中性点信号注入装置设计严格，抗外界干扰能力强、动作可靠。在探测到系统有接地故障后，可自动延时一段时间，在确认为永久性接地故障的情况下，才短时注入信号。接地故障指示器与FTU响应速度快，探测可靠，不受外部电磁场干扰，不受系统负荷波动的影响，不会误动。

（4）实用性：中性点信号注入装置安装简单，接地故障指示器挂接位置灵活，可根据需要挂接在架空线上、电缆上或母排上等，可带电进行安装和摘卸，免维护，与电力远动系统配合使用，当发生单相接地故障后，在很短的时间内在调度中心给出故障点位置，并可自动将故障区段隔离，恢复非故障区段的正常供电，大大提高供电的可靠性，同时大大减少故障巡线人员，提高工作效率。尤其对于高阻性接地故障点的成功标定，使该系统在实际运行中具有很高的实用性，大大降低了单相接地故障的查找时间及所耗费用，有效地确保了行车信号供电的可靠性。

［1］铁道部专业设计院主编.铁路工程设计技术手册——电力［M］.北京：中国铁道出版社，1991.

［2］铁道部铁运［1999］103号.铁路电力管理规则［S］.中国铁道出版社，2000.

［3］韩国良.浅谈10kV配电线路单相接地故障的选线和定位［J］.电气市场，2002，（4）：33-34.

［4］石家庄开发区新导配电自动化有限公司.10kV电力线路单相接地故障定位系统说明书［R］.2009.