电力系统间歇性接地故障识别方法的探究

张新一

(青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛 266071)

引言

据不完全统计，间歇性故障大约占到接地故障总量的5%～10%，会对故障定位装置、分界开关等设备的正常工作造成一定影响，其存在形式对已有的保护原理提出了更高的要求，而由此引发的间歇性弧光接地过电压更严重威胁电力系统安全稳定运行。由此可见，故障发生后第一时间有效识别出间歇性故障显得尤为重要。

1间歇性故障的影响

1.1故障定位方面

间歇性故障接地电流不稳定，给利用稳态量原理检测工作带来困难，而应用暂态量原理测量实现了瞬时性与永久性故障的选线，对间歇性故障动作存在问题。[1]故障定位技术主要适用于低阻接地故障，并联中电阻、对电站或线路注入特定信号等定位方法不适于间歇性故障，可靠性差。

1.2分界开关方面

由于间歇性故障零序电流中存在幅值很大、不断出现的暂态电流，可能导致测量的工频电流幅值远大于给定的数值，不满足预想比较条件，造成分界开关误动。[2]

1.3故障保护方面

在谐振接地中，消弧线圈可以自动消除电网瞬时单相接地故障，只有发生电弧接地或间歇性接地时才能启动消弧线圈进行补偿[3]。目前具有自动调谐功能的消弧线圈在发生故障时无法区分故障类型，直接对接地电容电流进行补偿。如果故障类型为金属性接地，投入消弧线圈不但不能使接地故障消除，还会对系统造成冲击。

1.4过电压方面

从过电压的角度看，最危险的是间歇性弧光接地，有的可超过3.5倍的额定值，危及设备绝缘。所以当线路发生单相故障后，需快速识别故障是否为间歇性接地，以便工作人员及时采取措施，防止产生间歇性弧光过电压。

2单相接地故障的分类

2.1接地电阻

当单相接地故障时，接地电阻在故障处能增加有功电流的幅值，使接地电弧能够稳定燃烧，同时多余的电荷通过接地阻抗很快释放到大地，避免中性点位移电压的增大，可使弧光接地过电压的程度减小。

2.2接地状态

按接地状态可分为稳定接地故障(占60%)和非稳定接地故障(占40%)，其中非稳定接地指弧光接地(如图1)和间歇性接地。

图1 弧光接地故障波形

2.3接地性质

配电线路中金属性接地故障在属于完全接地故障，非金属性接地故障属于不完全接地故障。金属性接地发生的主要原因是配电网某部分导线或者是电源侧出现断线，造成导线直接与地面相连。当金属性接地故障出现时，故障相电压立刻变为零，而非故障相电压会变成线电压(如图2)。在发生非金属性接地时，故障相电压下降明显，但不为零，比相电压要低。非金属性接地会很多时候和间歇性接地同时出现。

图2 金属接地波故障形图

3间歇性故障识别

3.1不同类型接地故障特征分析

单相接地故障一般为电弧接地，分为稳定性电弧、间歇性电弧和自熄性电弧，金属性接地不属于电弧接地，非金属性接地和间歇性接地通常伴随着高阻接地，高阻接地通常伴随着间歇性拉弧现象。瞬时性故障(如图3)的持续时间很短，一般在几毫秒至几分钟不等，但多数情况下不到1秒，故障时间只持续大约一个工频周期。导线在间歇性放电过程中，往往伴随着弧光情况，具有瞬时性和持续性的特点。自熄性电弧如不及时消除，也可能发展为间歇性电弧(如图4)；间歇性故障经过一段时间，故障点绝缘水平恢复到能够承受正常工作电压时，故障恢复正常，两种状态能够相互转化。间歇性电弧具有持续时间短、接地电流大，电弧反复燃熄的特点，如果长时间发生将可能转变为稳定性电弧，绝缘进一步降低，最终成为不可还原的永久性接地故障。

图3 实测瞬时性故障波形图

图4 间歇接地故障波形

3.2间歇性故障识别现状

间歇性故障的研究存在两个方面的问题：①配电线路间歇性故障信号特征量提取问题，间歇性弧光接地的拉弧现象是一个非常复杂的物理化学变化过程，对间歇性电弧的认识和仿真还大多停留在表象，对间歇性电弧的本质特征有待进一步研究探索；②配电网单相接地故障的不同分类方式之间联系与区分概念模糊(比如金属性接地与永久性接地的区别等)，导致识别判定故障类型不准确。

目前配电网导线故障检测多识别于永久性故障和瞬时性故障，对间歇性故障认识不足。传统故障识别方法一般是基于工频稳态量，但不适用于识别间歇性接地故障。司马文霞等基于弧光接地过电压波形特点，利用间歇性燃熄弧过程产生的故障相电压奇异性信号，经数学形态学COOCG形态闭开-开闭梯度滤波算子对零序电压进行滤波，提取零序电压的突变量，以特征量突变超过阈值的次数来识别故障，电弧接地超过金属性接地的特征值，达到了识别目的。[3]刘渝根、谢彦斌通过故障相电压的特点和区别，从波形特点入手，发生永久金属性故障时故障相的电压幅值很低(约为0)，其波形近似为一条水平线；电弧故障时波形是周期性变化，每个工频周期内约有半周时间幅值为0(对应电弧燃烧期间)，而另一半周期有一次从正峰值到负峰值的变化，设置略高于金属性接地故障相电压，同时明显低于电弧性故障电压峰值的阈值，利用电压比较器，金属性接地故障输出低电平，电弧性故障输出电平忽高忽低的方波。[4]贺兴等针对山区35kV电网三相不对称与消弧线圈不能同时兼顾的问题，提出只有在检测到电弧接地时才投入消弧线圈整定的新策略，根据间歇性故障电流有效值不高且持续时间短，利用瞬时电流电压的增加量di/dt和du/dt是否突变做判据，设置阈值，通过硬件电路对一个周波(0.02s)进行24次采样，如果10次高于阈值，即半周波发生突变，可判定此周波出现异常零序电流或电压，进行15分钟的观测，若出现次数大于整定次数，启用间歇性保护。[5]王晓芳等针对35kV弧光接地消弧线圈灵活投切问题，依据电弧电流低于10A电弧不会重燃，提出临界电压概念将其应用到识别间歇性电弧接地和自熄性电弧接地中，与中性点电压的比较关系推断间歇性电弧存在的可能性，结合电弧存在零休现象，比较电流斜率变化率，提出配电网永久性接地故障和电弧性接地故障识别依据。[6]

以上方案需要设置一个关于电气量的门槛值，超过阈值一定次数才能够判定是否发生间歇性故障，而门槛值的设定需要故障发生时一系列参数来确定，由于各参量的不稳定和不确定性，实用化程度有待提高。

3.3基于暂态能量变化的识别方法

实际工作中接地电弧的大小的往往用能量值衡量，以暂态量作为研究对象，根据故障信号暂态量较大，用暂态能量可以完整的反映故障发生的特点和过程，不仅能够判断稳定接地，而且能够判断瞬时性接地和间歇性接地故障。可将电弧看做是一个非线性的导体，电弧动态模型方程一般形式为[7]：

(1)

(2)

式中：ia动态电弧电流；ua动态电弧电压；ra为动态电弧电阻；P为电弧输入功率；Po为电弧散出功率；Q为电弧中积累的能量。Q与弧隙温度和游离状态有关，Q随时间的改变是外接电路输入能量与弧隙散出能量的差值。

电弧自动调节弧隙温度和直径以达到输入和散出的功率平衡，调节过程需要一定的时间，称为电弧的热惯性，弧隙散出能量为常数。模型描述接地故障的电弧特性

(3)

其中：g为电弧电导率；tm为电弧的热惯性时间常数；E为电弧单位长度的电势；i为电弧电流；pm为电弧能量损耗常数。

3.3.1间歇性接地故障判别方法

从故障暂态分析，故障暂态由若干个谐振过程组成，其主谐振过程频率最低，主谐振频率200～2000Hz，所占能量最大，可近似代表暂态整体特征，暂态电流可达数百安，持续时间一般小于2 ms。间歇性故障将频繁出现暂态过程，其故障持续时间为0.2～2S，频率大小为300～2000Hz，符合间歇性接地电流和时间特征。

由公式(2)(3)可得：

(4)

对公式(4)两边积分得：

(5)

g=ek(Q-C)(6)

公式(6)得出电弧电导与电弧能量之间的关系，电弧电导随着能量的变化成指数上升。对公式(5)求导得：

(7)

由公式(7)可以得出电导率与能量的变化具有反函数关系，如图5所示。

图5 接地电阻与输入能量之间的关系

发生间歇性电弧接地时，接地电阻rd由弧隙电阻ra和回路电阻r1两部分组成，r1是一固定常数，数学模型为：

rdi=h(t)(rai+r1)

(8)

式中：rdi为接地电阻；rai为第i次再次拉弧的电弧阻抗。

由公式(6)(8)可得出接地阻值随时间变化趋势(如图6)。间歇性弧光接地每次燃熄弧，电阻呈指数变化，恢复阶段，接地电阻近似为零。

图6 间歇性接地电阻与时间变化趋势

由弧隙电阻与输入能量之间的关系，可得出间歇性接地暂态能量波形变化特性(如图6)。暂态能量的变化率呈指数函数的规律变化，先随着接地电阻的增加而增加，暂态能量波形的二阶导数小于0，呈凸性；持续一段时间达到能量的临界值后，暂态能量随着接地电阻的增加而减小，暂态能量波形的二阶导数大于0，呈凹性。

3.3.2金属性接地故障判别方法

金属性故障零序电流增大，暂态能量变化曲线会一直增加，其二阶导数值近似于零。由于故障一旦出现，能量储存迅速降低。

3.3.3对比分析

以上分析可知：

金属性接地，中性点电压升高到相电压，零序电流增大，暂态能量变化曲线会一直增加，中间没有波动，其暂态能量的二阶导数近似为零。间歇性接地，能量波形二阶导数呈凹凸性变化，反复出现。金属性接地与间歇性接地暂态能量的二阶导数有明显的区别，通过与0值的比较可以区分金属性与间歇性接地故障。

结论

间歇性故障特性比较复杂，不易用确定的数学模型来描述，很难精确仿真电弧过程和间歇性故障，而实际中间歇性故障的情况千差万别，本文分析了已有判据的优缺点，通过暂态能量的变化率进行识别克服了间歇性接地故障特征量不稳定的影响，解决了需要设置阈值识别故障的缺陷，通过暂态能量变化趋势把问题转化成函数二阶导数的求解，只需比较大于或小于0，而不需要直接比较能量或者能量占比的多少，一定程度上解决了能量法数值偏小，灵敏度不高的问题。

参考文献：

[1]徐丙垠，薛永端，李天友，等.小电流接地故障选线技术综述[J].电力设备，2005(4).

[2]刘伟生,刘远龙,王安宁,等.配电网故障分界技术应用情况分析与改进措施[J].供用电,2017(3).

[3]司马文霞,冉锐,袁涛,等.采用数学形态学的弧光接地过电压识别方法[J].高电压技术,2010(36).

[4]刘渝根,谢彦斌.山区35Kv电网单相接地故障类型判断方法[J].高电压器,2009(45).

[5]贺兴,艾芊,章健.小电阻接地系统间歇性接地故障的动态增量判据及保护方案[J].电力系统保护与控制,2014(42).

[6]王晓芳,谢彦斌.数字化配电网弧光接地故障的判断[J].中南大学学报,2013(44).

[7]周亮.小电阻接地配电网中间歇性电弧接地的仿真与研究[D].上海交通大学，2011.