小电流接地系统故障定位方法综述

苏宏升，张耘川,2

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070；2.国网庆阳供电公司,甘肃庆阳745000)

小电流接地系统故障定位方法综述

苏宏升1，张耘川1,2

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070；2.国网庆阳供电公司,甘肃庆阳745000)

介绍了国内外电力系统中性点接地方式的现状和小电流接地系统发生单相故障的特点，详细阐述了小电流接地系统故障定位的方法，深入分析了定位原理，比较了各种方法的优缺点。指出了当前小电流接地故障定位存在的主要问题，并给出了小电流接地故障定位研究的几点建议。

电力系统；中性点接地方式；小电流接地系统；单相故障；故障定位

电力系统中性点接地方式可以分为两大类：大电流接地系统(中性点有效接地)和小电流接地系统(中性点非有效接地)[1]。小电流接地系统有中性点不接地、经消弧线圈接地和经高阻抗接地三种方式。

受传统因素和运行经验的影响，每个国家的配电网中性点运行方式不尽相同。美国中压电网以大电流接地方式为主，法国中压电网大多采用谐振接地方式，英国电网以中性点经低电阻接地方式为主，我国3～66 kV电力系统大多数采用的是中性点不接地或经消弧线圈接地运行方式。小电流接地系统的故障主要是单相接地短路故障，发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运行1～2 h，这也是小电流接地系统的最大优点。但是若电网单相接地故障不能排除而长期运行，因非故障的两相对地电压升高，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，进一步扩大为相间短路故障，对电力系统造成重大损失。因此，小电流接地系统单相接地故障定位的研究对提高供电可靠性、确保设备安全具有十分重要的意义。

由于小电流接地系统单相接地故障的故障信号微弱、故障电弧不稳定，其故障点定位问题一直困扰着供电部门，很多供电部门至今仍采用人工巡检法确定故障位置。近年来，国内外学者在小电流接地系统故障定位上做了大量卓有成效的工作。本文详细阐述了小电流接地系统故障定位的方法，分析了其定位原理，并介绍了各自的优缺点。

1 小电流接地系统故障定位方法

1.1 阻抗法

阻抗法故障测距的原理是通过求解电压电流平衡方程，得到测量端与故障点之间的线路阻抗值，再利用单位阻抗折算出故障距离。阻抗法有单端和双端测距两种，单端法是根据测量端的电流、电压关系，消去中间变量得到故障距离的表达式；双端法是根据线路两端的电流、电压关系列出电压方程，从而求得故障距离。双端电源系统单相接地故障的集中参数等值电路如图1所示。

图1 双端电源系统单相接地故障集中参数等值电路

阻抗法故障测距硬件投资小，易于实现，已广泛应用于高压输电线路的故障定位，但其受故障过渡阻抗的影响较大，测量精度不高，其中双端阻抗法需要时间同步装置，目前主要采样GPS实现两端时间信号的同步。

1.2 注入信号寻迹法

注入信号寻迹法简称注入法，在发生接地故障后，利用信号注入装置通过电压互感器(TV)向故障线路注入特定频率的信号，注入信号会沿着故障线路由故障点流入大地，使用信号探测器对线路进行检测，有注入信号流过的线路即为故障线路，再利用探测装置对故障线路沿线查找得到故障点位置。

注入法不需要在线路上装设电流互感器(TA)，不受消弧线圈的影响，但需要装设信号注入设备且使用信号探测器进行沿线检测需要花费大量的时间，该方法不能有效地检测间歇性接地故障。针对绝缘恢复问题，文献[2]提出向故障相外加直流高压使接地点保持击穿状态，再注入交流信号，交流信号的消失点即为故障点；文献[3]提出了脉冲信号注入法，为有效解决传统注入法面临的注入信号频率高且线路对地电容存在分流现象的难题提供了思路。

1.3 零序电流比较法

零序电流比较法分为幅值法和相位法两种，是利用故障点上、下游检测点零序电流幅值和方向的不同进行故障定位。

小电流接地系统一旦某条出线发生单相接地短路，非故障相的对地电压就会升高，并产生很大的暂态零序故障电流。在中性点不接地系统中，故障点上游的检测点处的零序电流是所有非故障线路对地分布电容电流与该检测点到母线区段的分布电容电流之和，方向由线路指向母线，即滞后零序电压90°；故障点下游的检测点处的零序电流为该检测点到线路负荷终端的对地分布电容电流，方向与故障点上游的检测点处零序电流的方向相反，即超前零序电压90°。因此，故障点两侧的零序电流方向相反，故障点同侧的零序电流幅值相差不大，零序电流幅值最大的检测点的下游区段即为故障区段。图2中以L2线路A相接地为例，画出了中性点不接地系统单相接地故障暂态零序电流分布情况。

图2 中性点不接地系统单相接地故障暂态零序电流分布图

图2所示系统发生单相接地故障后，故障相的对地电压为零，电容电流也为零；非故障线路L1出现的零序电流为本线路非故障相的电容电流之和，即，方向为母线指向线路。故障线路L2的故障点上游检测点的零序电流，方向为线路指向母线；故障点下游检测点的零序电流，方向为母线指向线路末端。

零序电流比较法易于实现，成本较低，但受中性点运行方式的限制，仅适应于中性点不接地系统。文献[4]基于零序电流实测值与通过零序电压求得的计算值的差值，提出了利用零序电流比例增量法进行故障定位的方法。

1.4 行波法

当线路发生故障时，故障点会产生向故障点两端传播的电压电流暂态行波，暂态行波在传递过程中遇到不连续阻抗时发生反射和透射现象，行波法就是利用同一波到达检测点的不同时刻列写方程求得故障距离。行波测距分为单端行波测距和双端行波测距两种。

单端行波测距是利用发生故障时母线端测量到的第一个电压或电流行波与故障点反射波的时间差来计算母线到故障点的距离，图3所示为A型行波测距原理图。

图3 A型行波测距原理图

双端行波测距是利用线路两端检测到的首个故障行波电压、电流波头的时间差来计算母线到故障点的距离，图4所示为D型行波测距原理图。

图4 D型行波测距原理图

单端行波测距成本较低，具有较高的准确性，但需要检测的第二个波头(故障点反射波)容易与对端母线的透射波混淆，准确识别故障点反射波是单端行波测距的难点。双端行波测距具有较高的可靠性，但需要在线路两端装设检测装置和时间同步装置，成本较高。文献[5]提出一种利用发生故障后暂态行波的波头计算波头对应距离的行波测距方法；文献[6]引入杆塔定位思想，提出了一种与线路长度无关的双端测距新方法；文献[7]提出通过变压器传变电压行波的方法，解决了线路末端信号不易获取的难题；文献[8]借鉴行波能量的思想，通过能量比计算行波波头时差进而实现故障定位。

1.5 相关法

相关法是根据相关性原理，通过判断相邻检测点暂态零模电流相关性确定故障区间的故障定位方法。图5为中性点非直接接地系统单相接地故障暂态零模电流分布情况。

图5 中性点非直接接地系统单相接地故障暂态零模电流分布图

小电流接地系统发生单相接地故障时，相当于在故障点处附加一个虚拟电源，在此电源的作用下，MN区间暂态零模电流的方向为N流向M，PQ区间暂态零模电流的方向为P流向Q，因此MN与PQ区间的零模电流初始极性相反，不具有相似性。M、N、P、Q处的零模电流满足：

相关法故障定位，不受中性点接地方式的影响，但相邻点暂态零模电流必须是同步的，因此要对采集信号装置进行同步化处理。文献[9]提出了一种利用暂态零模功率相关性确定故障区间的故障定位方法；文献[10]提出利用小波变换后波形相关性进行故障测距的方法。

1.6 中电阻法

中电阻法是指在发生接地故障后的系统中性点投入一中值电阻，故障线路接地相与系统母线间会形成人为的故障电流，此故障电流在故障点上游可以检测到，而健全线路和故障点下游检测不到此故障电流，因此，可以通过检测这一人为的故障电流实现故障定位。

中电阻法适用于谐振接地系统，但人为故障电流的形成对系统存在安全隐患，中性点投入电阻的设计较为困难。

1.7 五次谐波法

五次谐波法通过检测接地故障系统健全线路与故障点前、后支路的五次谐波零序电压、电流的幅值和相位关系实现故障定位。

在中性点经消弧线圈接地系统中，当发生单相接地故障时，健全线路的五次谐波零序电容电流是该线路的零序电流，方向为母线流向线路；故障线路的五次谐波零序电流在数值上等于系统健全线路五次谐波电容电流之和，其方向为线路流向母线，即滞后五次谐波零序电压90°，与健全线路五次谐波零序电流方向相反。假设某中性点经消弧线圈接地系统为三条线路，其发生单相接地故障后的五次谐波零序电流相量图如图6所示。

图6 五次谐波零序电流相量图

由于五次谐波幅值较小，导致信号的检测难度增大，因此，五次谐波法在接地故障定位的使用受到限制。

1.8 基于人工智能和数学工具的故障定位

随着计算机技术的迅速发展，近年来，许多人工智能算法和数学工具被引入到配电网故障定位中，如遗传算法、粗糙集理论、神经网络、模糊理论、小波分析等。人工智能算法和数学工具的引入，对微弱特征信号的提取和判别起到了至关重要的作用，文献[11]结合小波神经网络和奇异性检测原理提出了一种配电网单相断线故障定位方法。目前，基于人工智能和数学工具的故障定位方法尽管在理论、仿真方面取得了重大成果，但还没有大量投入到实际应用中。

2 小电流接地系统故障定位存在的问题及发展趋势

小电流接地系统发生故障时，故障稳态信号微弱，稳态电流一般小于20 A，使得故障信号的判别提取较为困难，人工智能和数学工具的引入在一定程度上提高了故障特征提取的可靠性、准确性，但仍处于起步阶段，距离大量投入实际应用还需要一段时间。故障零模分量的检测需要在沿线安装零模电压、电流互感器或三相电流互感器，这不仅增大了投资，还容易产生电磁谐振等安全隐患。目前许多故障定位方法都是在假设故障点的接地电阻恒定，故障信号不受其它因素干扰的理想情况下提出的，实际上故障点的接地电阻和故障信号都具有一定的随机性，是多种因素共同作用的结果。因此，在以后的小电流接地系统故障定位研究上要着重解决以下几个问题：(1)对小电流接地故障特征进行深入分析，不断完善故障信息；(2)多种故障特征和故障检测方法融合使用，进一步提高小电流接地故障定位的准确性；(3)加快小电流接地故障定位理论研究成果与实践产品的转化，使人工智能和数学工具等故障定位方法大面积推广使用。

3 结束语

配电网故障定位对提高供电可靠性具有重要的意义，近年来，国内外学者在这方面做了大量卓有成效的工作，取得了一系列重大成果。本文详细介绍了阻抗法、零序电流比较法、行波法、相关法、注入信号寻迹法、中电阻法、五次谐波法、人工智能算法等小电流接地系统单相接地故障定位方法，分析、比较了各种故障定位方法的原理和优缺点，概括了故障定位目前面临的技术难题，并对故障定位的研究方向进行了展望。

[1] 张保会.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.

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A review on fault location methods of small current grounding systems

SU Hong-sheng1,ZHANG Yun-chuan1,2

For power systems at home and abroad,the status of neutral grounding mode and the characteristics of single phase fault in small current grounding system were presented; the fault location methods of small current grounding systems were elaborated;the fault location principle was analyzed;the advantages and disadvantages of various methods were compared. The main problems of fault location in small current grounding systems were pointed out,and some suggestions on the research of small current grounding fault location were given out.

power system;neutral grounding mode;small current grounding system;single-phase fault;fault location

TM 712

A

1002-087 X(2015)04-0867-04

2014-09-02

苏宏升(1969—)，男，甘肃省人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为自然计算及认知科学及其在电力系统自动化中的应用，电力设备智能故障诊断及可靠性研究，滤波及非线性负荷预测和电气化铁道无功补偿等；张耘川(1988—)，男，甘肃省人，硕士生，主要研究方向为电力系统继电保护。