小电流接地系统单相接地故障选线的研究

陈鹏

摘 要：在我国的配电网中，小电流接地系统的应用较为广泛，且在配电网中小电流接地系统也是最容易发生单相接地故障的一种系统，当小电流接地系统单相接地故障时，由于短路回路不能构成，因而产生的故障电流小，故障選线也较为困难。所以为了将小电流接地系统单相接地故障选线的准确性提高，该文以KY-WJ2000型小电流接地系统单相接地故障选线装置为例，首先分析该装置的选线工作原理与技术特点，然后对基于稳态量与暂态量两个方面来对其装置的选线方法进行分析，并对单相接地故障选线准确性的影响因素进行分析，最后研究KY-WJ2000型小电流接地系统单相接地故障选线装置中采用的抗干扰措施。

关键词：小电流接地系统 单相接地故障 故障选线 稳态量 暂态量

中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0083-02

虽然在小电流接地系统中发生单相接地故障的时候，供电线路中的故障通道并未形成，产生的故障电流也较小，线路电压的对称性仍然能够得到保证，负荷的连续供电也不会受到影响，线路可以带故障运行一段时间，线路不会出现跳闸。但是，随着用电需求的增加，线路逐渐增加，配电网的复杂程度也是在不断的增加，相应的也会增加线路中的电容电流，如果对故障处理不及时，可能引起系统跳闸的现象，严重的可能损坏电网设备。所以将单相接地故障选线的准确性提高，有效地将单相接地故障线路排除，提高配电网运行的安全性与可靠性显得尤为重要。

1 KY-WJ2000型小电流接地系统单相接地故障选线装置

1.1 装置故障选线工作原理

待装置通电之后，循环监视系统的PT开口三角就将零序电压输出。若单相接地故障发生，且接地线路的母线PT开口三角零序电压3U0比设定好的启动值大，装置就会立即将采样零序电流3I0转入到系统中，然后立即对信号进行处理与分析，并将选线结果输出，与此同时，装置还是保持循环监视的工作状态。

1.2 该装置的技术特点

（1）KY-WJ2000型选线装置中运用了多种选线方法，来进行综合故障选线，并能实时对电网系统中的故障信号进行采集。该装置对各种选线方法的有效域的确定是采用的粗糙集理论，能够根据故障信号的特征来自动及可信度量化的评估每一种选线方式得出故障选线结果，并通过证据理论有机的融合多种选线方法，保证各种选线方法之间能够最大限度地实现优势互补。为了使故障信号受到干扰而出现误选的情况能够有效地避免，还将连续选线方法运用在了装置中，在一定的时间内就会对数据进行重新采集与分析，电网系统中的故障不消失，该装置中的选线计算也不会停止。

（2）该装置中也具有故障录波的功能，能有效地将故障前后的波形提供出来，其中发生故障之前的1个周期与之后的5个周期的波形也都包括在内，且能够对现场400万次的故障选线结果与录波数据进行保存，装置也能自动进行检测，并自动删除某些存满一年的数据。

（3）该装置不仅适用于经固定消弧线圈接地、中性点不接地、经高阻接地极经自动调谐式消弧线圈接地等多种接地方式，其适用于不同电压等级的系统与母线加装消弧装置的系统。

（4）该装置能够根据各段母线的零序电压变化来对系统各段母线是分段还是并列运行进行自动判断。

（5）装置中有输出控制的功能，不但能连接断路器跳闸回路，并使选线后的故障切除能有效实现，且自动重合闸也能与装置结合。

（6）装置能够对间接性弧光接地、经电阻接地、经弧光接地及直接接地等复杂的故障类型进行准确的识别，且通过现场工作人员的配合，不同线路两点同接地故障问题也能有效地将其解决。

（7）选线装置不但具有死机自动恢复与自检等功能，且能对各段母线零序电压与各线路出口处一次接地电容电流进行监视。

（8）因为各种原因而出现的意外断电，值班人员也不用启动装置，电网再次通电时就会自动启动装置，将更多的方便提供给了无人值守的变电站。

2 基于稳态量的单相接地故障选线方法

2.1 零序电流方向法

在中性点不接地系统中，单相接地健全线路上的零序电流的方向是从母线流向线路，而单相接地故障线路上的零序电流方向则是从线路流向母线，因而要想将故障线路找出，就只要确定线路零序电流流动的方向。然而，当故障点离电流互感器比较远且线路又短的时候，零序电流与电压都比较小，利用这种方法很难将其方向准确的判断出来。

2.2 零序电流比幅法

利用故障线路零序电流幅值大于非故障线路零序电流幅值的特点来将故障线路选择出来，就是零序电流比幅法，这种选线方法适用于中性点不接地系统。在以前，一般采用电流继电器，当零序电流大于继电器的整定值时，电流继电器就通过动作将故障线路指示出来；而如今群体比幅法是使用较多的，利用微机技术将接地母线上所有的出现零序电流进行采集并比较，故障线路就是幅值最大的线路，由于系统中某条线路的电容电流比其他线路电容电流之和大的情况可能会存在，因而此方法在理论上并不完善。所以，通常是将其他线路上的零序电流幅值之和与单条线路上的零序电流幅值相比较，故障线路就是与其幅值相等的线路。

2.3 电流谐波选线方法

因为故障点、变压器及消弧线圈等电气设备的非线性的影响，会有含量较大的谐波信号存在于故障电流中，而且谐波的含量会随着谐波频率次数的增加而减少。在变压器三角形绕组的一侧，3次谐波电流会形成环流，因而通常认为其谐波含量较少，所以就主要采用5次谐波来作为故障选线的判断依据。因为消弧线圈对5次谐波的补偿作用就相当于工频时的1/25，就能将其影响忽略。所以，故障线路的5次谐波零序电流不仅是大于非故障线路的5次谐波电流，而且其方向也是相反的，因此就可以将故障线路选择出来，这种故障选线方法又称为5次谐波法。

3 基于暂态量的单相接地故障选线方法

3.1 首半波法

首半波单相接地故障选线方法的原理是假设在相电压接近最大值得瞬间发生接地故障。由于在零序参考电压与首半波的暂态零序电流之间有固定的相位关系存在，致使非故障线路与故障线路暂态零序电流相位相反，由此就可以将故障线路选出来。但是在相位电压过零附近发生故障时，首半波电流暂态分量比较小，而过滤电阻对其的影响又比较大，因而工作中存在死区。

3.2 暂态能量法

能够以能量的观点来解释系统发生故障后的全部过程的选线方法就是暂态能量法。将电流的参考方向考虑在内，故障线路的能量一直低于零，而非故障线路的能量一直高于零，且其他线路能量的总和与故障线路的绝对值相等，由此就可以将故障线路选出。

3.3 小波分析法

小电流接地系统进行单相接地时，故障电流在电压的暂态过程不会持续较长的时间，但特征量丰富，且大于稳态值，所以选择合适的分析方法来对暂态信号进行分析，对故障选线会很有利。小波分析能够精确的分析信号，尤其是在微弱信号与暂态突变信号等的变化方面，比较的灵敏，并能可靠的将故障信号提取出来。小波分析法以非故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值小于故障线路，以及非故障线路特征分量的相位与故障线路相反的特点为依据，就可以形成有效的故障选线判据。但是因为在实际的运行过程中，电力系统是复杂且多变的，所以需要对各出线零序电流与母线零序电压的小波变换系数进行综合分析，才能够准确的判断出故障线路。

4 单相接地故障选线准确性的影响因素分析

4.1 判断故障依据小，保护裕度低

在小电流接地系统单相接地故障时，由于短路回路不能形成，产生的接地故障电流也较小，而且中性点接地方式、电网结构、接地故障点过渡电阻以及电网参数等多种因素都会使各线路零序电流的大小受到影响，各线路零序电流特别是在高阻接地故障时会更小，与此同时，由于检测装置误差、零序电流互感器误差以及干扰信号等因素的影响，一定会减小故障线路与非故障线路之间的故障特征差别。而且任何一个准确性及可靠性较高的线路保护，其保護裕度都是比较高的。因此，单项接地故障选线准确性会受到故障与非故障线路判断故障依据小、保护裕度低的因素的影响。

4.2 单相接地故障的复杂性

稳定性与非稳定性接地故障是小电流接地系统单相接地故障的主要体现方式。其中稳定性接地故障主要体现为高电阻接地、低电阻接地极金属性接地等类型；非稳定性接地故障主要体现为不稳定的间歇性电弧接地故障，以及如电器元件弱绝缘击穿、绝缘子闪络、树枝接触与风雷使导体短时等短时性的电弧接地故障。在这些接地故障发生时，各线路零序电流中有可能只有工频暂态分量或者是稳态分量，又可能两者兼具。因为，单纯的基于暂态分量或是稳态分量分析出的单相接地故障选线方法，很难使其准确性得到有效的保障。所以单项接地故障选线准确性也会受到单相接地故障的复杂性与单相接地故障选线原理的单一性因素的影响。

4.3 中性点接地方式影响

当小电流接地系统发生稳态单相接地故障的时候，除了系统结构、故障点接地电阻及系统对地电容等与故障线路零序基波电流的大小有关之外，系统中性点的接地方式也与其有着重要的关联。中性点经消弧线圈接地时，故障线路零序电流会由于消弧线圈电感电流的补偿作用，明显的减小，而且随着补偿电流大小的变化其方向也会发生一定的变化。所以，就减小了故障与非故障线路间的故障特征差别，从而使单相接地故障选线的准确性受到影响。

4.4 谐波分量在电网中的影响

由于如今大量电力电子设备在电网中的应用，让符合本身产生较多的谐波，而且负荷线路是以炼钢或铸钢等为主的线路中，某时刻5次谐波电流的值可能与基波分量之比要大于10%。除此之外，谐波电流的大小变化值呈现为无确定规律可循的随机函数，并不是固定不变的。因而，电网装置如是采用谐波电流方向与大小原理构成的，就一定会受到谐波分量的影响。

5 KY-WJ2000型单相接地故障选线装置中采用的抗干扰措施

（1）开机自检：将该装置开机后，首先系统会自动检测硬件与软件的状态，若发现有问题，系统就会自动采取相应的措施进行处理。通常ROM、RAM及I/O口状态等的检测，就是开机自检程序所包含的。只有保证各项检查都正常，该装置中的其他程序才会继续执行，反之就会提示程序出错。

（2）软件陷阱：在程序储存器中会存在未使用的区域，若因为干扰而错置DSP芯片的指令计数器PC值，一旦程序跳到那些没有使用的存储区域，系统就会出现错误。因而，软件陷阱就是在程序存储器没有使用的区域中，同时加上无条件跳转指令与若干条空操作的辅助，若程序跳到那些没有使用的存储区域中，无条件跳转指令就会执行，并有效地将程序转入相应的程序出错处理程序中。

（3）软件监控：软件陷阱是当程序运行到程序存储器的非法区域时，对程序出错进行检测的一种方法，而软件监控则是以程序在指定运行时间间隔内没有进行相应的操作为主要依据，也就是程序未按时将监控定时器复位，从而对程序运行出错进行判断的一种方法。

（4）输出端口刷新：因为外部信号很容易干扰到DSP芯片的I/O口，因此就有可能改变装置输出端口的状态。将输出端口刷新指令周期性的添加到程序中，就可以使干扰对输出口状态的影响有效降低。在程序中，有效的对RAM单元存储输出口当时应保持的状态进行指定，在程序运行时，就能以这些RAM单元的内容为主要依据，来对DSP芯片的I/O口进行刷新。

（5）运用冗余算法：冗余算法是指多次运算重要的数据，从而使运算结果的正确性得到有效保证。在串口通信方面，可以对数据进行反复发送，同时使校验码增加，从而对通信出错问题进行有效的防制。

6 结语

总而言之，无论是基于暂态分量还是稳态分量下的单相接地故障选线方法，在实际的应用中都会由于各方面因素的影响，而出现一些选线不准确的问题，因而，在实际的小电流接地系统单相接地故障的选线中，要结合电网的实际情况，合理并合适地选择故障选线方法与装置来准确选择故障线路，有效地将单相接地故障选线的准确性提高。

参考文献

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