基于频域的二维接地故障检测方法研究

齐寓乾

（山东省实验中学，山东济南，250000）

0 引言

我国10kV配电网的中性点的运行方式主要为小电流接地方式和大电流接地方式。

在电力系统运行过程中，故障时常发生；其中，单相接地故障发生的次数占比超过了80%。中性点采用小电流接地时，单相接地故障电流小，即使是永久接地故障，仍可按照相规定继续运行1～2个小时。但是，电网线路建设和改造，架空线逐渐被电缆线替代，电容电流增大，接地电弧难以熄灭。此时，中性点经消弧线圈接地的运行方式就能发挥作用，但其需要投入更多设备[1]。究竟采用何种接地方式取决于很多因素，如：绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线、人身安全等很多方面。电力系统发生接地故障时，较大的短路电流会流过非故障设备导致其发热甚至损坏；有时，故障还会破坏系统运行的稳定性。更严重的是，发生接地故障后可能威胁到人身的安全。在本文所讨论的低压配电网中，中性点主要采用小电流接地的运行方式。为了保证供电的可靠性，在这种情况下系统可按相关规定继续运行1～2小时。因此，在这种情况下系统不需要立即切除故障线路。虽然系统可以继续供电，但单相接地故障很可能会演变成两相接地故障甚至是三相接地故障，将会对系统造成很大危害。因此，在发生永久性的单相接地故障后，必须尽快选出故障线路和故障位置，以排除故障。

本文将介绍现有的主流检测方法，并对其适用的工况进行总结，最终提出一种准确率高且检测时间短的检测方法。

1 传统检测算法

■1.1 首半波法

首半波法[4]指的是利用故障后，用第一个半周期的信息进行判断的方法；因此，这是一种利用暂态信号的方法。当发生单相接地故障时，在第一个半周期内，由于电流不可突变，消弧线圈的补偿作用忽略不计，可利用零序电流法进行判断。但是由于暂态过程中非常短暂，难以实现。

■1.2 残留增量法

残留增量法[5]的原理是通过调节消弧线圈，改变流过消弧线圈的电流。此时，与大地连接的线路上的电流量变化应该和消弧线圈上的变化相同，即故障线路上电流的变化和消弧线圈处相同；但是由于线路导纳的存在，其他非故障线路也会起到一定的分流作用。残留增量法需要调节消弧线圈的电感值，局限性很大，不适用于中性点不接地系统。

■1.3 谐波法

从理论上可知，单相故障信号中含有大量谐波分量，其中以奇次谐波为主。谐波法的原理是滤去基波分量，使用其中的5次谐波分量，再利用比幅比相法的原理选出故障线路。但是由于谐波分量比较小，实际应用中准确率较低。

2 新型检测算法

PSCAD/EMTDC是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件。本文利用PSCAD搭建10kV配电网模型，并进行仿真研究。仿真模型共四条出线，从上往下的线路长度分别为17km、18km、25km和30km；接地故障发生在第四条最长的线路上。架空线路的参数为：正序阻抗Z=0.19+j0.32Ω/km，正序导纳b=j2.895us/km，零序阻抗Z0=0.2289+j1.692Ω/km，零序导纳b0=j1.9334us/km。

在仿真过程中发现：当相电压峰值附近发生接地故障时，系统故障电流的突变量和零序电流均较大，容易进行故障判断。但是，当单相接地故障发生在故障相电压最小值附近时，系统故障电流突变量和零序电流量均很小，难以进行判断，尤其是现实系统中电流互感器和电压互感器本身存在误差，这种情况下很容易发生误判。

将上述PSCAD仿真数据导入matlab进行处理后可以得到零序电流的频域分量，通过频域能量可以准确判断出故障线路；并且，即使系统中电流互感器和电压互感器存在误差，也只会影响电流的大小，并不会对其波形产生影响。因此，采用频域分析可以提高准确率。

■2.1 算法介绍

通过PSCAD仿真分析及matlab数据处理，可以得到：利用时域信息判断比较快，不需要太多计算量，但是当故障发生在故障相电压过零点附近时，准确率很低甚至发生误判。利用频域信息进行分析能提高准确率，但是需要额外的数据处理，所以需要更强处理能力的计算机和需要更多时间才能检测出故障。

因此，本文提出一种基于频域的二维接地故障检测方法，检测过程如下：①系统三相中某一相电压突然下降到0.2倍额定电压以下，同时其他两相电压升高，则判定电压下降的那一相发生单相接地故障。②判断故障发生时故障相电压相位；③若故障发生时故障相电压与峰值相距45度以内，则认为此时首半波法能够准确判断出故障线路，选择首半波法进行判断；其他情况则使用频域能量法进行判断。

■2.2 算法验证

当故障发生在故障相电压最大值时，时域零序电流如图1(a)所示，此时将选择首半波法进行判断，可以看出此时能够通过首半波法进行准确判断。但是，当故障发生在故障相电压过零点时，从图1(b)可以看出首半波法将无法确定故障线路。

利用本文所提出的新型检测算法，图1(b)这种工况下应该选择频域能量法进行判断。因此，将图1(b)中无法通过时域准确判断的电流数据导入matlab作傅立叶变换，则可得到其各线路零序电流频域波形。图1(c)为其中零序电流最大的非故障线路零序电流的频域图，而图1(d)则为故障线路的零序电流的频域图，通过对比图1(c)(d)可以看出，此时通过频域能量法能够准确判断出故障线路。因此，本文所提方法在传统方法无法正确判断时仍能判断出故障线路。并且，相较于全程使用频域能量法，该方法在提高检测准确率的同时能大大减小故障检测时间。

3 结语

本文针对10kV配电网，提出一种基于频域的二维接地故障检测方法，并通过PSCAD仿真和matlab进行了验证，证明这种方法能够准确判断出单相接地故障线路，并不受故障发生时相角以及系统中性点接地方式的限制，其优点主要为：

（1）相比传统检测方法准确率更高；（2）同等准确率情况下检测时间短，为排除故障节省了时间。

图1 仿真验证图