小电流接地系统单相接地故障选线方法研究

余乐　+吴月

摘 要：当小电流接地系统发生单相故障接地时，由于故障点电流小，能够持续地运行一定时间，有助于提升配网供区供电的稳定性和可靠性，在我国低压配电网中，这一方法得到了极其广泛的推广。不过随着电网规模的扩大，当小电流接地系统单相接地故障时，既快又准地选出发生接地的故障线路变得越来越重要。本文首先简要论述了小电流接地系统的特点，利用Simulink搭建了10kV小电流接地系统，仿真分析了其发生单相接地故障时各种选线方法的结果。最后结合零序电流比幅法、零序电流比相法和首半波法提出了一种单相接地故障的综合选线方法。

关键词：小电流接地系统；单相接地故障；Simulink仿真；综合选线

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.187

1 引言

随着我国经济社会的不断发展，电力客户对供电的质量和可靠性的要求不断提高，保障配电网的安全稳定运行，保证客户用电的连续可靠变得越来越重要。小电流接地系统又称作中性点非有效接地系统，包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地以及中性点经高阻接地三种类型，其中中性点不接地和经消弧线圈接地是最常见的两种小电流系统接地方式[1-4]。

小电流接地系统具有供电可靠性高，安全性较高，系统受过电压危害较低，通信系统受影响低等优点。特别是由于小电流接地系统发生单相故障接地时能够持续地运行一定时间，有助于提升配网供区供电的可靠性，因此电流接地系统广泛在在中压以及低压配电网中[5]。

但是随着我国经济社会的快速发展，配网的规模越来越大，电容性电流也不断增大，单相接地时的故障电流同样随着增加。若较长时间的带故障运行，尤其是间歇性的弧光接地故障，在继续运行的过程中会产生过电压，很容易引起系统中的各电气设备出现新的故障点，导致事故扩大，甚至破坏设备，造成人身伤亡。因此为了发现故障后如何既快又好处理故障，研究人员提出了各种小电流接地系统单相接地选线方法[7-11]，但在实际应用中，现在的各种选线方法都存在一定的缺陷。

2 小电流接地系统发生单相故障时的现象分析

2.1 中性点不接地系统

当电网正常运行时，三相电压矢量之和为0，三相对地电容电流之和也为0，用三个等值电容来代表每相线路对地的分布电容。当发生单相接地故障时，如A相发生接地故障，则A相对地电压值为零，其对地分布电容短路，故障相A相产生的电容电流也为零；非故障相B、C两相的相电压升高为原来相电压的倍， B、C 两相的容性电流经 A 相故障接地点流回母线中。综上所述，在发生单相接地故障的情况下，在正常运行线路产生的零序电流等于此线路整体的对地电容电流，方向从母线流向线路；而故障线路零序电流为全系统所有线路对地电容电流之和，流向为由线路指向母线；且流过电机的零序电流仅仅为电机自身的非故障相對地电容电流之和。理论上讲，根据各线路始端流过的零序电流大小，即可判断出发生单相接地故障的线路。

2.2 中性点经消弧线圈接地

就经消弧线圈接地的电网来说，因中性点处电感性线圈的作用，当线路发生单相接地故障时，电流的分布情况也有所不同。在故障处流过的电流中就会多一部分电感性分量，这一电感分量与之前产生的电容分量相互作用抵消，导致流过故障接地处的总电流变小，因而从流过单相接地故障处的总电流为：

其中，为消弧线圈的电感电流，为全系统对地电容电流，由于消弧线圈与系统对地电容电流相位差为，故障电流则会因其补偿而减小。

综上所述，在经过该方式过补偿后，单相故障接地电流幅值会显著减小，可能与正常线路的零序电流幅值相当，甚至在实践中经常出现单相故障接地线路的零序电流小于正常运行时的零序电流，造成选线失败。因此，零序电流比幅法、电流比相法都不适用于中性点经消弧线圈接地系统，故接地点的电容电流具有周期性振荡的特点。

3 小电流接地系统单相接地故障的MATLAB仿真

3.1 仿真模型

本文利用Simulink搭建了一个10kV小电流接地配网系统。图3-1为中性点经消弧线圈接地系统。该系统共有5条出线，从上往下依次编号为L1、L2、L3、L4和L5，线路各序参数如表3-1所示，线路长度依次为42、38 、39、31和39，负荷分别设为1MW、0.2MW、2MW、2MW和2MW。

假设系统在0.04s时在线A相1处发生单相接地故障。在中性点经消弧线圈接地系统中，按照110%过补偿考虑。

3.2 小电流接地系统选线方法仿真分析

本章利用图3-1所建配网模型，对零序电流幅值比较法、零序电流比相法、首半波法进行了仿真分析，比较了各种方法的特点和适用范围。

（1）零序电流幅值比较法。中性点不接地系统在发生单相接地故障时，其故障相的工频零序电流比正常相的幅值大。该方法经过测量和比较不同线路的零序电流幅值，并选择幅值最大的线路作为故障线路。同时也可以比较故障前的电容电流和故障后的线路零序电流幅值，有所变化的线路可确定为故障线路。

该方法虽然简单直观，但其灵敏度较低，不能排除母线接地故障。同时系统的运行方式、线路的长度和过渡电阻等因素都会对该方法产生影响，致使不能准确地选择故障线路。

仿真得出：正常线路1、线路2、线路4和线路5零序电流基波幅值分别大约为0.85A、0.76A、0.62A和0.78A，故障线路3零序电流基波幅值大约为3A。故障线路3的零序电流基波幅值明显大于其他非故障相，且故障线路零序电流基波幅值与所有正常线路零序电流基波幅值之和基本相等。

同时，零序电流比幅法适用于中性点不接地系统，因为消弧线圈补偿后的电容电流使得故障线路的零序电流减少，其故障线路的零序电流也显著减小，中性点经消弧线圈接地系统，故障线路和非故障线路的零序电流基波幅值大概都为0.7A，已经不能区别故障线路和非故障线路；当不接地系统中发生金属性故障或高阻故障时，接地电阻的大小将影响故障系统的零序电流。endprint

（2）零序电流比相法。当在中性点不接地系统中发生单相接地故障时，另一个显著特点就是工频零序电流和正常相电流相位相反。该方法选择电流相位和其余相相电流相位相反的线路作为故障线路。

但当在大电阻接地或线路长度较短的小电流接地系统出现单相接地故障时，较小的零序电压和零序电流会增加相位判断难度，容易产生误判。

仿真得出：中性点不接地系统中，故障线路零序基波电流相位和正常线路零序基波电流相位相反；零序基波电流相位选线方法不适用于中性点经消弧线圈接地系统，因为消弧线圈的感性电流对容性电流进行过补偿，使得各线路的零序基波电流的相位均为-90°，相对于零序基波电压180°，线路零序基波电流相位滞后90°，所以该方法在经消弧线圈接地系统中已经无法区分正常线路和故障线路。

（3）首半波法。首半波法是基于暂态信号的选线方法。发生单相接地后的第一个半周期内，故障线路零序暂态电流和正常线路零序暂态电流极性相反。但若故障发生在相电压过零点附近时，首半波电流的暂态分量较小，容易产生误判。

仿真得出：在不接地系统和经消弧线圈接地系统中，所有正常线路的暂态零序电流分量的方向是与故障线路的暂态零序电流分量的方向相反。所以是可以通过分析暂态零序电流分量的方向来区分故障线路和正常线路。

4 小电流接地系统单相故障综合选线方法实现

4.1 综合选线方法原理

通过第三章的仿真分析我们可以发现每种方法都有各自的适用范围，为充分利用单相接地故障产生的稳态信号和暂态信号，结合零序电流比幅法、比相法和首半波法，实现小电流接地系统单相接地故障综合选线。理论上讲，零序电流比幅法、比相法和首半波法都适用于中性点不接地系统；首半波法适用于经消弧线圈接地系统，综合这三种方法可以对小电流接地系统单相接地故障进行初步的选线判断，为调度人员拉路查找提供参考依据。

课题所实现选线主要包括以下几个步骤：

获取各条线路零序电流，分析得到其稳态零序电流幅值、相位和暂态首半波数据；

零序电流比幅（BF）：选出系统稳态零序电流幅值最大的线路N，并与其它各线路零序电流幅值作差，判断差值与灵敏系数K1的大小，若小于或等于K1则线路N为故障线路，输出BF=[N 1]（第二项为1代表BF选线成功，为0代表选线失败）；若大于K1则比幅法选线失败，输出BF=[0 0]。

零序电流比相（BX）：比较稳态时各线路零序电流方向，若其中一条线路N与其它任意线路方向相反，则其为故障线路，输出BX=[N 1]；其它情况则比相法选线失败，输出BX=[0 0]。

零序电流首半波（SB）：比较每条线路首半波零序电流方向，其中方向与其它线路相反的线路N为故障线路，输出SB=[N 1]；若所有线路方向相同，则首半波法选线失败，输出SB=[0 0]。

若以上三种方法都选线失败，则可判断为母线发生故障。

4.2 综合选线方法仿真实现

课题在10kV小电流接地配网系统模型中对综合选线方法进行了仿真验证。通过设置不同的故障线路，不同的接地电阻来测试算法的有效性。表4-1为不接地系统单相接地故障选线结果。表4-2为经消弧线圈接地系统单相接地故障选线结果。

从表4-1和表4-2的测试结果可以看出对于不接地系统综合选线三种方法都能正确选择出故障馈线；对于经消弧线圈接地系统比幅法和比相法选线失败，首半波法能正确选择故障馈线，当三种方法选线都失败时可判断为母线故障。

5 结语

本文利用Simulink搭建了10kV小電流接地系统，仿真分析了其发生单相接地故障时的现象。在此基础上，对传统选线方法的判据进行了逐一分析比较。最后结合零序电流比幅法、零序电流比相法和首半波法实现了单相接地故障的综合选线。

参考文献：

[1]郑顾平，姜超，李刚等.配网自动化系统中小电流接地故障区段定位方法[J].北京：中国电机工程学报，2012（13）.

[2]郭晓敏，史彩明.小电流接地系统线路单相接地故障自动快速判别的方法[C].2006年城网改造和电网优化学术研讨会，2006.

[3]蔡舒平，董雪，张保会.小电流单相接地故障选线的Fisher信息方式[J].电力系统及其自动化报，2014（08）.

[4]刘味果，李彦明.电容电流反馈补偿系统的研究[J].高电压技术，2007（33）.

[5]张耘川，苏宏升.小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统及其自动化学报，2015（27）.

[6]杜嘉寅.基于小波包分析的小电流接地系统故障选线新技术研究[D].山东大学，2006.

[7]张宏艳，张承学，熊睿等.国内外几种先进的小电流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较[J].电力建设，2005（26）.

[8]毕见广，董新洲，周双喜. 基于两相电流行波的接地选线方法[J].电力系统自动化，2005（29）.

[9]薛永端，张海台，李成刚等.小电流接地故障暂态选线与定位技术[J].供用电，2015（04）.

[10]曹运刚，陈平，杨茂亭等.基于人工神经网络的小电流接地故障选线方法研究[J].国网技术学院学报，2015（18）.

[11]方杰，缪伟，高伟.新型小电流接地故障选线设备的研制与应用[J].电网与清洁能源，2014（09）.

作者简介：余乐（1985-），男，四川内江人，硕士，工程师，主要研究方向：电力系统继电保护。endprint