配电网接地故障检测和定位技术研究

尹丽 王同强 沈继鹏 石景志

1辽宁省国家新型原材料基地建设工程中心

2大庆油田工程有限公司

大庆油田共有十多个采油厂，上百座变电站，上千条6 kV和10 kV线路对采油设备进行供电。线路结构复杂，供电距离远，分支繁多，部分线路通过联络开关进行互连，供电方式多变。大庆油田配电网主要采用中性点不接地运行方式和架空导线型式。架空线路单相接地类型故障较多，这种故障不形成回路，电网保护装置不启动保护动作，人工查找接地故障非常困难，一般采用人工拉闸的方法确定接地故障位置，查找故障效率低、时间长。经研究，对单相接地故障情况下的暂态、稳态电流电压特性均已取得较明确的认识，接地故障检测技术也取得了一些突破，但实际的现场应用受现场环境和检测技术局限性的影响，应用效果还有待提高。要达到较好的接地故障检测和定位效果，目前还没有一个简单的手段能使接地故障检测和定位系统通过下达一个简单的定值就能够准确判断，需要综合单相接地多种故障特性数据来判断故障点位置[1]。

1 单相接地故障特征

1.1 单相接地后的稳态信号特征

（1）零序电流特征。中性点不接地系统发生接地故障以后，故障线路的零序电流是所有非故障线路对地电容电流之和，其方向从线路指向母线。非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路本身对地电容电流方向从母线指向线路[2]。

（2）零序电压特征。中性点不接地系统发生接地故障以后，接地相的相电压降低，非接地相的相电压和零序电压抬高。相电压和零序电压随接地电阻的大小变化，相电压在零电位到线电压之间变化，零序电压在零电位到相电压之间变化。

（3）零序电流与零序电压的相位关系。中性点不接地系统发生接地故障以后，由于线路杂散电容电流占主要成分，零序电流超前零序电压接近90°，零序电压与零序电流分别对时间求导的导数相位相反。

1.2 单相接地后的暂态信号特征

中性点不接地系统发生接地故障时，其暂态过程具有丰富的故障特征量，并且这些特征量受系统参数、接地方式、负荷电流等因素的影响很小。

（1）暂态零序电流的方向特征。非故障线路与故障线路的暂态零序电流方向相反（消弧线圈影响可以忽略），母线接地故障时，所有线路的暂态零序电流的方向都相同；故障线路的暂态零序电流与暂态零序电压的突变方向相反。

（2）暂态零序电流的幅值特征。暂态零序电流的幅值较稳态零序电流的幅值大很多（一般为十几倍），且持续时间短，约为0.5～1个周波；故障线路故障点前（靠近电源点）的暂态零序电流幅值较大；暂态接地电流值与接地瞬间相电压相位、接地点的过渡电阻有关。

一般接地故障发生在相电压对地正峰或负峰值附近，如果发生在相电压过零附近，则特征不明显。研究表明：接地故障暂态分量受接地电阻影响较大，高阻接地时暂态分量很小。长线路末端接地时，在线路始端监测到的暂态电流波形与故障点附近有很大变化[3]。

2 配电网常用的接地故障检测方法

国内配电网架空线路主要采用中性点不接地、经消弧线圈接地两种运行方式。针对两种不同的中性点接地方式，接地故障检测方法也有所不同。

2.1 基于稳态信号特征的检测方法

该方法主要用于中性点不接地的架空线路。特别适用于正常运行时三相不平衡电流小、单相接地后零序电流增大明显的线路场合，例如线路分支或者末端。对于中性点经消弧线圈接地系统，变电站消弧线圈的感性电流基本上把线路杂散电容的容性电流消除了，导致单相接地后的零序电流偏小，不易判断。

基于稳态信号特征的接地故障检测方法主要有信号注入法、零序电流幅值法、零序无功方向法、零序有功方向法、零序电流极性法、五次谐波法。

（1）信号注入法（中电阻智能投切法）。在变电站内母线上或附近架空出线上安装1 台信号源，在线路发生接地故障以后，信号源监测到零序电压抬高，超过报警设定值，延时一段时间以后（主要是躲过瞬时性接地故障或暂态燃弧过程），有规律地投切信号源中的中电阻，发出50 A 以下带特殊编码的纯阻性电流信号。该电流信号主要流过故障出线的故障相，经接地故障点和大地流回信号源，而非故障出线、非故障相和故障点后面的线路信号较小。信号注入法适用于检测中低阻永久性接地故障的检测，对高阻接地、瞬时性和间歇性接地不适合。另外，信号源在接地后发出50 A 以下接地电流，会增加接地点的燃弧和跨步电压，对配电系统和人身安全有威胁。信号源挂主网运行，也带来了不安全因素。

（2）零序电流幅值法。直接比较零序电流的大小，理论上接地故障点处于零序电流较大的线路上。该法原理简单，实施方便，但因没有监测零序电压，不能判断零序电流方向，当非故障线路和故障点后面线路的零序电流偏大时，容易引起误报警。

（3）零序无功方向法。同时监测零序电流和零序电压，增加零序电流方向判断。当中性点采用不接地时，零序电流容性电流偏大，采用零序无功方向法更准确；当中性点采用经消弧线圈接地时，零序电流容性电流偏小，采用零序无功方向法不准确。另外，需要监测零序电压，现场实施困难。

（4）零序有功方向法。中性点不接地系统零序电流也包括有功分量，采用有功法也可以判断零序电流方向，但中性点不接地系统零序电流有功分量偏小，较少使用。该方法适用于中性点经消弧线圈接地系统，因为消弧线圈抵消大部分零序电流的无功分量；用于中性点经小电阻接地系统时，因零序电流有功分量大，该方法最有效。但是一般零序电流中的有功分量偏小，难以识别。另外，需要监测零序电压，现场实施困难。

（5）零序电流极性法。对于非故障线路，零序电流都是流向母线的，方向一致。对于故障线路，故障点前的零序电流是流出母线，故障点后的零序电流是流向母线，方向不一致。该方法不需要零序电压，提高了零序电流幅值法的准确性。但其需要GPS（全球定位系统）广域同步和传送大量录波数据，运行功耗大，当线路负荷电流偏小时CT（电流互感器）供电困难。另外，也不适合零序电流小的中性点经消弧线圈接地系统。

（6）五次谐波法。发生单相接地后，系统会产生很小的五次谐波电流，其中故障线路零序电流的五次谐波含量比非故障线路要大。该方法原理简单，实施方便，但其信号太弱，容易受干扰，检测不可靠，容易误动作[4]。该方法要求线路干净，谐波成分小，负荷小且波动小。

2.2 基于暂态信号特征的检测方法

该方法适用于各种不同的中性点运行方式，其优点是不受变电站内消弧线圈的影响。主要包括暂态特征法和暂态录波法。

2.2.1 暂态特征法

架空线路发生单相接地时，会出现多种复杂的暂态过程，例如故障相接地时刻的电压突然下降、故障相接地时刻的电容放电电流突然增大、故障相稳态电压持续降低等[5]。同时满足以下条件时，即可判断该位置后面有单相接地故障：线路正常运行（有电流或电压），超过一定时间；线路中有突然增大的杂散电容放电电流和突然较小（趋近于大地零电位）的杂散电容放电电压，突变峰值和时间满足设定的参数，并且突变方向相反；线路对地电压降低，稳态幅值和时间满足设定的参数；线路依然处于有效供电（有电流）状态，排除线路负荷投切和保护跳闸的干扰[6]。

暂态特征法原理简单，实施方便，能检测各种不同性质的接地故障，准确度相对较高。其缺点是：受负荷波动的干扰；没有检测零序电流和零序电压，接地电流方向的判断还不够可靠；暂态电流电压信号容易受外部环境的干扰，特别是刮风、下雨、打雷、下雪天气下容易误启动接地故障判据。

2.2.2 暂态录波法

暂态录波法是在暂态特征法的基础上发展起来的，其目的是通过现场持续、同步采集三相电流信号，然后由主站合成零序电流波形，并对零序电流波形进行分析。配电网存在三相不平衡电流，采样有误差，合成后的零序电流波形还包含了负荷电流和三相不平衡电流，需要通过软件算法（例如求导）来滤除工频信号，提取波形中的高频成分[7]。同时满足以下条件时，即可判断该位置后面有单相接地故障：线路正常运行（有电流或电压），超过一定时间；合成零序电流波形的暂态峰值和时间满足设定的参数，在现场条件允许时，主站需要判断变电站内零序电压是否抬高，减少误报；线路相对地电压降低，幅值和时间满足设定的参数；线路依然处于有效供电（有电流）状态，避免线路负荷投切和保护跳闸的干扰。

暂态录波法通过主站软件分析合成零序电流波形，减少了负荷波动的干扰，能检测各种不同性质的接地故障，特别是提高了高阻接地的检测能力。其缺点是：没有检测零序电压，接地电流方向判断不准确；暂态电流电压信号容易受外部环境的干扰，特别是刮风、下雨、打雷、下雪天气容易误启动接地故障判据[8]。

2.3 接地故障检测新方法

2.3.1 比较零序电流波形的相似性

通过计算波形函数的相关系数，比较线路各点暂态零序电流波形的相似性，可实现故障定位。波形相关系数计算公式如下

式中：ρ为相关系数；i为波形函数；x y为两个波形函数的标识；N为波形采样点数，(256 点/20 ms)；k为采样序列号。

线路发生故障以后，主站系统接收和计算线路上相邻两点故障检测设备上报的暂态零序电流的相关系数ρ与两个波形的相似程度成正比，二者完全一致时ρ=1；ρ为负值时，说明故障点在两者之间；ρ为正数时，说明故障点不在两点之间。

该方法的优点是：适合各种中性点接地运行方式；不需要零序电压，改进了零序电流幅值法、零序电流极性法、暂态特征法和暂态录波法，提高了接地判断的准确性。其缺点是：需要GPS广域同步和传送大量录波数据，运行功耗大，当线路负荷电流偏小时CT供电困难，主站计算工作量大。

2.3.2 零序电压传导时域法

线路发生单相接地后，接地点变为零序电压源，以一定速度向周边传导，线路上不同地点的多个零序电压监测装置由于安装位置远近不同，接收到零序电压的时刻也不同。每台终端将零序电压数据上传主站，主站结合线路拓扑图，采用特定算法，快速确定接地故障所处位置。

该方法只适用于系统电压干净的线路，三相不平衡和谐波分量大时容易受干扰误报，或者各台装置GPS时钟不同步、零序电压启动不同步时也容易出现误报和漏报。

2.3.3 广域同步暂态录波法

这是在暂态录波法的基础上发展起来的一种方法。采用GPS实现各点广域同步，通过同步采样三相电流并存储一段时间的波形数据，并由主站合成各点同步的零序电流波形。接地故障分析方法与暂态录波法基本相同。同时，实时监测变电站内零序电压，当零序电压抬高时，快速与线路上各点通信，同步取出之前已经存储的电流波形数据，相当于各点已经通过零序电压触发了故障录波[9]。

暂态录波法采用本地小无线同步，对时精度30 μs左右。同步误差引起零序电流（3I0=Ia+Ib+Ic）合成不准，且与相电流幅值成正比，无接地故障时三相合成零序电流3I0测量误差大容易导致误报，测量误差超过接地故障3I0判断阈值时则会错判。广域同步暂态录波法采用GPS同步，对时精度提高到1 μs，提高了零序电流波形的合成精度。图1是三种同步精度（1、30、78 μs）下的合成零序电流波形。

暂态录波法的优点是各点零序电流波形同步，可采用零序电流极性法来辅助判断接地故障位置。其缺点是：需要GPS 广域同步和传送大量录波数据，运行功耗大，当线路负荷电流偏小时CT 供电困难；当线路负荷电流大于2 A时才能启动GPS同步对时和电流采样，当线路负荷电流大于6 A时才能启动与主站或边缘计算智能网关通信。

3 暂态特征法在大庆油田的应用实践

暂态特征法接地故障定位如图2所示，当线路某处（假定k3 后面）发生接地故障时，安装在接地故障电流通路上的故障指示器k、k1、k2、k3 都检测到暂态接地电流超过了设定值，并与暂态电压方向相反，线路对地稳态电压持续下降并超过设定值，则认为其后有接地故障发生，给出红色机电翻牌和LED 闪烁指示，同时将报警信息发至数据采集通信终端，由通信终端通过2G、4G网络上传主站。主站软件通过网络拓扑分析算法，在配网单线图上定位出故障点在k3 之后，然后对故障线路进行事故推屏、动态着色和声音报警，并通过短信通知用户，告知某变电站某出线某电线杆之间发生了接地故障[10]。随着云主站和移动互联网技术的发展，将来可实现手机APP推送、百度地图导航等新应用功能。

图1 零序电流波形Fig.1 Waveform of zero sequence current

图2 暂态特征法定位故障区段Fig.2 Fault segment located by the transient characteristic method

大庆油田从2014 年开始使用此方法以确定故障位置，运行效果良好。短路、过流故障定位准确达到95%以上，永久性接地故障检测准确率达到75%以上。配电网故障检测系统结构如图3所示。

图3 配电网故障检测系统结构Fig.3 Structure of distribution network fault detection system

接地故障检测参数设置如下：

（1）准备条件：对地电压超过3 kV并持续30 s以上。

（2）暂态判据：暂态特征电流峰值大于30 A，与暂态特征电压方向相反。

（3）稳态判据：对地电压下降比率大于30%，持续时间大于30 s。

（4）结束条件：线路总电流（包括负荷电流、接地电流）大于2 A。

通过完整的系统结构，并结合故障检测方法，就可以确定故障的位置（图4）。

在油田应用实践过程中，对于金属性接地故障检测比较准确，准确率能够达到95%以上，但对于高阻接地故障检测效果不理想，因为高阻接地的接地电流可能只有几毫安，检测设备比较困难。如果提高检测设备的灵敏度，降低判据阈值，那么有可能在出现瞬时接地时（如大树瞬时刮碰架空裸导线）出现误报，导致误报率升高。这就出现了矛盾，需要在误报率和漏报率之间权衡。

图4 线路故障区域显示Fig.4 Display of line fault area

由于故障检测设备等电位安装在架空导线上，线路对地电压测量不准，导致瞬时性和间歇性接地故障也可能会给出误报警。如条件允许可以在变电站母线PT（电压互感器）监控装置处加装接地事故总闭锁装置，将站内零序电压超限报警信号发送到故障定位主站，闭锁接地误报，将有效提高接地故障检测准确率。

4 检测技术的未来发展方向

随着传感器、物联网、云主站、大数据技术的发展，为进一步提高配电网接地故障检测的准确性提供了可能。电子式电压电流传感器将逐步替代电磁式零序电压电流互感器，暂态电流电压信号不再失真，并可方便地从配电网线路通过小型CT取电。

电子式电压电流传感器可以同步采集各点电流电压，同步合成各点零序电流和零序电压波形，采用电力系统原理更先进、技术更可靠的方法来分析和定位接地故障位置。其适用于10 kV 架空线路，是建设中压配电网架空线路、绝缘子、避雷器和开关、变压器等配电设备接入泛在电力物联网的技术发展方向。

5 结束语

配电网接地故障检测方法都是根据线路各点采样到的电流电压数据进行稳态和暂态信号特征分析，结合不同方法的故障判据进行逻辑分析，首先就地判断是否发生了接地故障，同时将电流电压故障波形数据上传主站，由主站计算分析，最后确定故障位置。未来配网线路综合监测方式能够实现配网线路实时数据在线监测、波形的稳态及暂态分析，提高接地故障检测的准确性，并结合物联网、云主站、大数据、智能AI 技术，逐步提高配电网供电可靠性，增强电力生产管理能力和运行水平。