小电流接地系统单相接地故障暂态特征分析

● 国网湖南供电服务中心（计量中心） 刘谋海 周 灿 叶浏青 余敏琪 湖北西塞山发电股份有限公司 吕卓文

在单相接地故障情况下，配电网中暂态故障特征量的分布与传播规律与稳态特征量具有明显差异。首先，当发生单相金属性接地故障时，其产生的暂态值可能是稳态值的几十倍。此外，由于电感与电容在不同系统频率作用下所表现的阻值不同，因此在暂态过程中消弧线圈无法实现完全补偿。在谐振接地配电网中，当接地故障发生时刻为相电压与时间轴相交时，补偿电感电流幅值达到最大；而当接地故障发生时刻为相电压达最大时，此时暂态电感电流最小（iL=0）。因此，暂态电容电流在故障发生初始时起主导作用，这一结论无论采用何种接地方式都适用。

中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地的暂态过程中，暂态补偿电感电流、暂态馈线电容电流、暂态接地电流的大小与分布可以通过谐振接地系统单相接地故障等效回路来分析，如图1所示。

图1 谐振接地系统单相接地故障等效回路图

其中：C为谐振接地电网的三相等效对地电容；L0为零序参数网络中变压器和线路的总等效电感；R0为零序回路中包括线路、大地以及故障点电阻在内的等效电阻；rL为消弧线圈的等值有功损耗电阻；L为消弧线圈的等值电感；u0为故障回路中的等效零序电压源。

相对于谐振接地电网，中性点不接地电网中没有电感电流对电容电流进行补偿，其暂态电流分析过程与谐振接地电网在本质上是相同的，仅需要将图1中暂态等效回路中的rL和L断开。以下主要分析谐振接地电网的暂态过程。

1 暂态电容电流

在单相接地故障初期暂态过程中，配电网中性点连接的消弧线圈电感值明显大于电网等值电感（L＞L0），因此，可以忽略L与rL的影响，L0、R0和C在暂态等效电路中组成的串联二阶回路，认为等效零序电压u0作用在L0、R0和C上，暂态电容电流如下式可得：

其中：Uphm表示系统相对地电压的幅值。

其中：电容电流的暂态自由振荡频率为ωf；电容电流幅值为ICm；暂态自由振荡衰减系数为δ；iC表示回路时间常数，与系统运行方式有关，当回路时间常数越大时，自由振荡衰减的过程耗时越长，当回路时间常数越小，自由衰减的过程就越快。考虑到iC．os同时具备inω和cosφ 2个因子，故无论故障发生时φ取何值，iC．os均存在。

2 暂态电感电流

根据图1建立暂态过程中消弧线圈铁芯磁通微分方程式，得到：

式中：W代表消弧线圈匝数；ψL代表铁芯磁通量。

表1 主要故障特征量在配电网中传播及分布规律

由式4可以看出，消弧线圈产生的补偿电感电流iL包含衰减直流分量与工频分量。其中，衰减直流分量仅流经故障馈线与消弧线圈。电感电流的大小与φ有关，当φ=π/2时，电感电流为最小值；当φ=0时，电感电流为达到最大值。

3 暂态接地电流

由上述的分析可知，暂态接地电流包含2种电流成分，分别为暂态电容电流分量与暂态电感电流分量。暂态接地电流稳态工频分量幅值等于电感电流幅值与电容电流幅值的差，其暂态衰减分量的幅值为电感电流的衰减直流分量幅值与电容电流的衰减振荡分量幅值之和。对于暂态过程中的电感电流和电容电流，由于二者在不同频率下的阻抗具有很大差异，一般情况下无法实现完全补偿，甚至可能会产生叠加作用，导致暂态接地电流幅值较稳态情况下更大。

4 故障特征量在配电网中传播及分布规律

小电流接地系统（主要包括中性点谐振接地、中心点不接地以及高阻抗接地3种方式）由于接地电弧能自行熄灭，因此广泛应用于我国大部分配电网，其中单相接地故障检测难度最大、发生概率最高，是配电网急需解决的问题。基于这两点现实的考虑，本文着重对小电流接地系统单相接地故障展开研究。当系统出现接地故障时，配电网故障特征传输及分布情况如表1所示。

尽管各种单一特征量在配电网中的传播及分布规律分别从不同侧面对单相接地故障进行了描述，在一定程度上反映了故障特征，但均具有一定的局限性。通过将多种故障特征信息实现有效的信号处理，进行多尺度大数据融合，进一步拓宽了特征样本维度，提升不同故障信息间的互补性和冗余性，不仅有利于提高目标特征的可探测度和故障特征量的时空分辨率，而且充分凸显了不同故障信息之间的相似性，更使得信息的不确定性有了大幅度下降，增强了多种故障条件下各个接地系统故障定位方案的适应能力。

5 结束语

本文主要从非有效接地系统的接地方式、单相接地故障时稳态、暂态特征分量以及多种故障特征信息在不同接地方式配电网中的传播规律与分布特性进行了深入分析。从分析中可以得出，无论是那种接地方式，都存在稳态特征和暂态特征，暂态特征分量包括工频分量、衰减的直流分量、电容电流的衰减振荡分量，稳态特征由于自身的信号较弱，易受消弧线圈及电弧不稳定的影响。对于暂态过程中的电感电流和电容电流，由于二者在不同频率下的阻抗具有很大差异，一般情况下无法实现完全补偿，甚至可能会产生叠加作用，从而导致暂态接地电流幅值较稳态情况下更大。