配电网小电流接地方式下故障定位技术研究综述*

王东芳，陶飞达，黄智鹏，朱 宵，李桂昌

（1.广东电网有限责任公司河源供电局，广东河源 517000；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510670）

0 引言

小电流接地系统有中性点不接地、经消弧线圈接地和经高阻抗接地3种方式[1]。在我国建国初期，效仿苏联在配网中主要采用的是中性点不接地和经消弧线圈接地方式；紧随着电网的不断发展，中性点经消弧线圈的优势得以凸显，部分中性点不接地方式渐渐被取代；而近年来随着电缆在配电网中的应用愈发广泛，中性点经小电阻接地的运行方式也逐渐被推广[2-3]。但目前我国配电网中仍以不接地和经消弧线圈接地方式的应用最为普遍。

配电网中最常见的故障是单相接地故障，而小电流接地方式的最大优点就是：当配电网发生单相接地故障时，仍可带电运行1～2 h，基本不影响对用户的持续供电。但是若接地故障未被及时排除，长时间在故障状态下继续带电运行会造成故障事态的进一步扩大，即可能由单相接地故障演变为相间短路故障，引发电力安全事故[4]。因此，研究配电网故障技术以快速定位故障发生点，对配电网的安全可靠运行意义重大。

故障定位广义来说包含了两方面，即故障选线和故障点精确定位。多年来，国内外学者针对故障选线和故障点精确定位做了很多研究，取得了很多成果，然而小电流接地方式下的故障定位仍存在准确率不理想的问题[5]。本文围绕配电网小电流接地方式下的故障定位技术作了详细的分类、归纳以及全方位比较，并阐述了目前配电网中故障指示器的应用情况，最后对提高故障定位准确率的技术思路以及该技术未来的发展趋势作出了展望。

1 配电网故障定位现状及难点

在配电网中，故障定位技术的发展更多是在理论层面，转化为实用产品的并不多，目前在配电网中应用较多的产品是各种类型故障指示器。然而，这些故障指示器也存在一定的局限性，仅能做到故障线路的区段定位，仍旧避免不了人工巡线查找故障点位置[6]。参考文献[7]对目前配电网故障定位技术实用化的进程中存在的主要问题作如下归纳：

（1）配电网结构复杂且线路分支众多，适用于结构简单的输电网上的故障定位技术，应用到配电网中，达不到准确定位的效果；

（2）配电网复杂的结构也给故障研判装置测量点的选取带来困扰，测量点选取过少，无法依靠仅有的线路信息进行准确的故障定位，测量点选取过多，线路投入成本太高，缺乏经济效益；

（3）目前配网的自动化水平不高，对线路信息采集和监测的信息数据有限，给故障的精准定位造成困难；

（4）配电网直接面向用户，用户类型、负荷情况复杂多变，不确定因素太多，增加了故障误判的几率；

（5）随着分布式能源的大量接入，配电网结构和潮流分布愈发复杂，有许多意想不到的情况会对故障的判别造成严重干扰；

（6）当前一些故障采用的算法都是经过简化或仅适用某些特定条件下的，在实际配网线路复杂环境下的应用效果并不理想。

2 小电流接地系统故障定位方法

下面对当前针对小电流接地系统发生故障所采用的主要定位方法分别进行介绍。

2.1 阻抗法

阻抗法的理论基础是基于故障情况下的故障回路的阻抗与故障点和测量点之间的距离存在正比关系，计算出故障回路的阻抗值，根据阻抗值和线路的单位阻抗值间接计算出测量点到故障点的距离，进而实现故障定位[8]。

该方法原理和需要安装的设备简单，成本较低，可靠性较高，因而在输电网中被广泛应用。但是阻抗法的测距精度较低，且受系统运行方式、过渡电阻等因素的影响很大，尤其是对于距离短、分支多的配电线路，此法的误差已不能满足实用性的要求[9]，因此用阻抗法进行故障定位仅在线路结构简单的配电网中适用。

2.2 信号注入法

信号注入法的基本原理是当系统发生单相接地故障时，利用信号注入装置经电压互感器向线路注入一个特定频率的信号，通过检测注入信号来实现故障选线和故障定位[10]。注入的信号在故障线路的接地点注入大地，用专用的信号探测装置对每条线路进行探测，有注入信号的即为故障线路。选出故障线路后，采用手持检测装置利用二分法沿线路查找出故障点位置。虽然这种方式在一定程度上减轻了故障后的巡线任务，但仍不可避免的要进行人工巡线。

信号注入法不受消弧线圈的影响，实施起来简单，实用性强。但是注入信号的强度受电压互感器容量的限制，因此注入的信号不可以太强，然而也不能太弱，否则当出现高阻接地的线路故障时，由于线路分布电容、消弧线圈对信号的分流影响，导致信号检测难度加大，进而对高阻接地的情况无法有效判别[11]。

2.3 零序电流比较法

根据故障发生后，检测装置检测到故障点上、下游的零序电流在幅值和方向上不同，可以将零序电流比较法分为幅值比较法和相位比较法来进行故障定位[12]。

零序电流比较法方法简单易实现，投资成本低，不过仅适用于中性点不接地系统，对于中性点经消弧线接地的情况并不适用。

目前很多研究着眼于暂态零序电流比较法，由于暂态零序电流幅值远大于稳态零序电流，它可以不受中性点接地方式的影响[13]，原理和稳态零序电流比较法相似，只需将比较的稳态零序电流替换为暂态零序电流。暂态零序电流比较法的难点在于故障发生时刻对暂态零序电流的精准提取，随着技术的发展，这一点也不再是难题，因而现在暂态电流比较法已被广泛用到实际产品中去。

2.4 行波法

根据行波理论，当线路发生故障时，运行状态的突变会导致暂态电压和电流行波的产生，暂态行波信号以特定的速度向两端传播[14]，基于这一原理，行波法可通过对行波信号的检测、分析、计算来实现故障定位。

行波法在结构简单的输电线路上已有较多应用，但对于配电网在应用上却存在较多困难。行波装置往往价格高昂，而配电网线路支线众多，为了保证定位的准确性，分支线处均需安装行波装置，这样就导致了线路成本大幅增加，因此行波法用于配网的案例现在并不多。

2.5 五次谐波法

在中性点不接地系统中，发生单相接地故障时，故障相线路的零序电流等于其他非故障相线路的零序电流之和，方向由线路指向母线。而在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈的补偿作用，导致流经接地点的零序电流被大大减小，无法采用零序电流比较法准确判断。但五次谐波含量不会被补偿，因此可以利用五次谐波法进行故障定位[15]。五次谐波法虽然能在一定程度上减弱消弧线圈的影响，但由于五次谐波幅值较小，在实际应用中，谐波的提取和检测难度较大，因而限制了五次谐波法在接地故障定位中的应用。

2.6 智能化算法

如今计算机技术的飞速发展使得智能化算法被越来越多的应用到配电网故障定位中，遗传算法、蚁群算法、小波分析、粗糙集理论、神经网络、模糊理论等为配电网故障定位的研究提供了多种可能性。

对于小电流接地系统，发生单相接地时，故障电流小，给故障特征信息的提取带来了困难。引入智能化算法，可以很好地解决微弱特征信号的提取和判别上存在的困难。然而，基于智能化算法的故障定位方法多停留在理论、仿真的研究层面，转化到实际产品应用上的并不多。

3 故障指示器在小电流接地系统的应用

故障指示器凭借较低的成本、简单的安装方式和不会对线路运行产生影响等的特点在国家电网和南方电网都有较广的应用，尤其是近年来随着电网自动化水平的不断提高，故障发生时能够快速进行故障自动定位被配网运行所重视，因而能够实现这一功能的故障指示器被大量用于配网建设与改造，因此了解故障指示器对故障定位的研究大有益处。

3.1 故障指示器的分类

依据短路和接地的故障类型一般将故障指示器分为接地型短路故障指示器、短路型故障指示器、接地及短路二合一型故障指示器3类。按照应用对象又可分为架空线型、电缆型和面板型3类。按照通信方式可分为就地型和远传型2类。按工作原理还可分为暂态特征型、外施信号型和暂态录波型3类[16]。随着智能电网建设的不断推进，远传型接地及短路二合一型越来越受到青睐。

3.2 故障指示器的应用情况

由于配电网中架空线路由于其所处的环境复杂，尤其是在偏远山区，因树障、雷击、鸟害等导致线路故障频发，因此适用于架空线路的故障指示器的应用场合会更多。目前在配电网中应用较广泛的有两种：外施信号型故障指示器和暂态录波型故障指示器。

3.2.1 外施信号型远传故障指示器

架空外施信号型远传故障指示器的信号源装置可实时监测母线电压和中性点电压。在故障发生时，可检测到零序电压装置启动与否的状态，利用此时原边短接，暂时不处于工作状态的接地相PT向系统注入一个特征波信号，此特征波信号会沿着线路传输，一直到故障点位置接入短路回路（或接地回路），安装的故障指示器收到信号后进行相应动作。值得注意，该信号在非故障相及非故障线路无法流通，仅在故障相线路、接地点和大地之间或短路点和短路相间形成通路[17]。

线路出现故障时，自故障点到信号注入点之间的所有故障指示器均发出告警信息，翻牌或闪光报警以及将告警信息远传至主站；而故障点之后的故障指示器均不动作，故以此来判断故障线路区段，快速确定故障位置、查找具体故障点[18]。

外施信号型的故障指示器的安装不会影响系统运行，不增加一次设备，无需在线路上安装零序电流互感器，容易实施，且其运行不受消弧线圈的影响，可靠性高。但它对高阻接地故障的情况存在一定的缺点，注入的信号的强度被电压互感器的容量所限制，当发生高阻接地故障时，线路上的分布电容会分流注入信号，影响故障点定位[19]。对于间歇性接地故障，线路中注入的信号不连续，给检测造成很大困难。

3.2.2 暂态录波型故障指示器

暂态录波型故障指示器的工作原理为：分别对三相电流的数据进行采集，当发生单相接地故障时根据三相电流合成零序电流进行故障位置的判定[20]。其依据的原理实质是暂态零序电流比较法，捕捉故障发生时刻的零序电流，利用故障点前后零序电流的极性和大小的区别来实现故障的定位。传统的暂态录波型故障指示器，由于采样频率不够、同步时间误差高、启动方式不可靠、无法有效识别高阻接地故障等原因而导致漏判、误判率较高，在实际运行种的效果并不十分理想。但是随着电子科学技术的发展，新型故障指示器凭借高精度的采样和同步以及在故障研判算法的完善，使得包括高阻接地在内的疑难故障判定的准确率也不低于90%，正逐渐替代传统的故障指示器。然而目前新型故障指示器相对于传统故障指示器来说价格略高，使其在配网中的应用受到一定的限制，但凭借其良好的应用效果和技术成熟而带来成本的降低，新型故障指示器必将被大量运用在配电网故障定位层面中。

外施信号型和暂态录波型障指示器均有着各自的优点，因此在实际应用时，往往依据各用电部门所辖的网架结构、设备配置管理机制、自身地理环境等因素综合考虑选用最适合故障指示器型号。

故障指示器在配电网的广泛应用，缩短了停电时间，提高了供电可靠性，但是现有故障指示器只能实现区间故障定位，仍需电网工作人员现场巡线以排除故障。因此研制一种故障精确定位、减少巡线时间甚至无须现场巡线的装置，对电网高效、可靠运行意义重大，也是未来故障定位研究和发展的方向。

4 故障定位技术发展趋势

为改善配电网故障定位技术中存在的理论成果向实际转化率不高、实用化产品类型匮乏、效果不理想的现状，可以预见地加快智能故障精确定位的装置开发与应用、降低经济成本、提升产品效果，做到无需人工巡线即可准确定位故障点，进一步加深配电网自动化、智能化程度是未来发展的必然趋势；而要想实现这些，故障定位技术从单一走向融合将是今后发展的重点，具体的可以体现在以下几点。

（1）判据的融合。单一的判据方法会造成较高的错判、漏判，采取多种定位方法的融合，采取多重判据综合判断，尤其是将暂态信号与稳态信号结合起来、取长补短，将是研究热点；暂态信号故障特征明显、持续时间短，稳态特征却正好相反，两者互补，有效增强故障选线定位的灵敏度和可靠性。

（2）产品的融合。故障指示器与安装在线路的其他配电终端、智能化开关融合在一起，大力发展产品集约智能化提升设备利用率，减少线路的投入和运维成本。

（3）系统的融合。故障指示器系统将与地理信息系统（GIS）、管理信息系统（MIS）、综合自动化系统等各自信息管理系统融合，除实现故障监测、定位外，还可以采集线路拓扑参数、绘制拓扑结构，实现全网监控；同时利用各个系统上送的数据，形成新的综合数据库，基于大数据分析技术实现故障预测和提前消缺以及故障后故障溯源和过程反演，全面提升运维效率。

5 结束语

本文针对当前配电网小电流接地系统下的单相接地故障定位技术，在阐述了配电网故障诊断背景和难点的基础上，详细介绍了阻抗法、信号注入法、零序电流比较法、行波法、五次谐波法以及智能化算法，对比分析了各自的原理、优缺点、适用范围和实际应用情况；同时，对配电网故障定位技术中应用广泛的2种故障指示器进行了介绍，指出了在应用中存在的问题，并预测了未来故障定位技术的发展趋势，为小电流接地系统下故障定位技术的发展提供了参考的方向。