基于ΔI_PAM原理小电流接地选线保护的应用研究

王 俊，罗嘉玮，权宪军，张 驰，王高海*，刘 林，马长武，张 适，马看齐，刘晓涵，袁 超，张 鑫，曹学钦，罗雪柯

（1.重庆北碚供电公司，重庆 400700；2.东方电子股份有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

我国高中压配网线路总长度约占整个电网线路总长度的90%左右，而配网故障总数约占整个电网故障总数的70%以上，其中单相接地故障独占配网故障总量的75%左右。所以，针对配网单相接地故障配置小电流接地选线保护设备，对配网供电可靠性与安全性有着至关重要的影响。

国内外配网单相接地故障长期存在着五大痛点：触电伤亡、电气火灾、过电压、用户停电和森林山火。特别是本世纪初以来，由多次单相接地故障引发的城市大范围停电、大面积森林山火及人身伤亡的重特大事故，造成了严重的社会影响，已经到了迫切需要得到改善和解决的程度。

因此，惨痛的事故案例呼唤业界必须高度重视，国内两大电网公司均相继出台了有关小电流接地故障选线方面的一系列标准规范，引导行业该专业领域的发展路线。例如，国家电网有限公司的企业标准《Q/GDW 10370-2016 配电网技术导则》表明：单相接地故障可以连续运行1 h～2 h的规则，已经严重不适应当代配网安全稳定运行的要求了，应当就近快速隔离单相接地故障，避免故障进一步扩大的风险。所以，在新型电力系统和智能配网的大背景下，业界到了花大力气解决这些历史长期痛点的时候了。

20 世纪50 年代末60 年代初我国第1 台小电流接地系统单相接地故障选线装置研制成功以来，小电流接地选线设备已经走过了几十年的风风雨雨，期间毁誉参半，实际应用效果一直都不太理想。分析小电流接地选线检测与保护的难点，主要有几个方面：1）单相接地故障复杂性：单相接地故障类型有金属性、高阻、变阻抗、弧光、间歇性、断线和转换性等，故障性质有永久性、间歇性和瞬时性，因此具有相当程度的故障复杂性；2）电容电流波形不稳定性：单相接地故障常常是间歇性不稳定弧光接地，电容电流波形非常不稳定，谐波电流随时在变化中；3）小特征信号提取困难：高阻接地故障一次侧的电容电流本身就可能非常小（小到0.2 A～0.5 A），导致TA 误差很大（变差、角差）甚至无法传变了；4）小信号测量精度问题：装置本身测量精度低将无法准确计算小信号故障量，尤其输入装置的二次电容电流在毫安级小信号故障量的情景，就更无法准确检测了；5）强干扰环境、信噪比小：工作环境往往电磁干扰大、负荷电流不平衡等导致干扰零序电流与谐波电流都较大，小系统的接地线路零序电流和谐波电流大小甚至小于非接地线路对应电流；6）随机因素的影响：配电网运行方式改变频繁，母线电压高低、负荷波动，故障点和接地电阻的不确定，这些都会造成零序电流与谐波电流的不稳定；7）选线保护原理因素：选线保护原理本身有缺陷或局限性，例如检测精度问题、暂稳态适应问题等。

如今，随着电子信息技术、计算机技术和半导体器件的飞速发展，以及一批电力工作者持之以恒致力于提高小电流接地选线准确率的研究，新原理、新方法及产品陆续问世。如今积累的小电流接地选线原理已经有很多种了，诸如有反映零序电压的大小、反映电容电流的大小、反映电容电流的方向、反映零序电流有功分量、反映零序电流无功分量、反映零序电流突变量、反映接地故障电流暂态分量首半波、小波法、相不对称法、注入信号法、中电阻法和群体比幅比相法等等，大体上可以归纳为：暂态法、稳态法、暂稳态综合法和主动介入法等。因此，无论从小电流接地故障检测技术、产品和应用实践，还是相关学科技术领域快速发展进步，各方面已经为更好地解决小电流接地选线保护问题奠定了基础。

在深入研究配网单相接地故障特征的基础上，参阅有关小电流接地系统解决单相接地故障方面的专著、标准规范、现状分析、选线算法、仿真检测、设计应用和优化措施的大量文献后［1-31］，本文提出一种基于ΔI_PAM 三相电流突变量相不对称原理的小电流接地选线保护新算法。应用该算法设计的产品多方面验证表明：该算法的选线准确率和耐受高阻能力都达到了非常高的水平。

1 配网单相接地故障危害再认识

在过去提到配网单相接地故障时，大家似乎都不以为然，往往认为既然可以连续运行2 h，表明其危害影响不大。其可能原因：一是似乎对设备造成的影响不明显，二是似乎有限的故障影响范围，三是似乎也没有好的解决办法。

而当代配网已经发展到了一个相当可观的规模和水平，分布范围广、地理多样性，特别是广泛引入分布式清洁电源及新型电力电子设备等，单相接地故障造成的危害和影响早已不容小觑。

近年来，多起由单相接地故障所导致的触电伤亡、重大火灾、大面积停电事故，已经造成了重大的社会影响。尤其是随着自媒体的发展，这些问题更是引发社会各界的广泛关注，同时也就要求尽快解决问题。配网单相接地故障引起的事故已经不再是单纯的局部性灾害，其演变成为社会性灾害也赫然进入了人们的视野。“2009 年2 月7 日，黑色星期六”，澳大利亚维多利亚州电力线路故障引起森林大火，火灾共造成173 人死亡。为此澳大利亚维多利亚州投入7.5 亿澳元开展森林电力线路故障火灾防治工作。“2020年3月30日，我国四川凉山州西昌3.30重大火灾”，参与火灾扑救有19人牺牲、3人受伤，这起山林火灾造成各类土地过火总面积3 047.780 5公顷，综合计算受害森林面积791.6公顷，直接经济损失9 731.12 万元。该事件后四川电网将防山火列为了年度安全的头等大事，常抓不懈。

据有关研究资料统计：历年来配网故障中单相接地故障大约占故障总数的70%～90%，而短路故障大约占10%～30%。通过进一步研究发现，统计的短路故障中很大一部分在形成前有过短时单相接地故障，占比高达53%左右［33］。

上述研究和事实表明，配网单相接地故障占比极高、点多面广，且危害影响难以预料，它不仅会造成局部性的事故，也可能在特定场景演变为更严重的社会性灾害。因此，单相接地故障应该被认为是配网第一大危害性故障，要加大处理措施，防患未然。

2 基于ΔI_PAM 相不对称原理的新算法

小电流接地系统单相接地故障检测和选线保护问题，一直以来都是配电领域故障处理的难点之一，国内外均概莫能外。因此，业界也就有了广泛共识的小电流接地系统单相接地故障检测被称为“世界性难题”的说法。

ΔI_PAM（ΔI_Phase Asymmetry Method）三相电流突变量相不对称原理不同任何其它原理方案，它是利用单相接地故障引起三相电流突变量之间的相不对称性为判据，也就是采用故障线路接地相流入的全网电容电流之和与该线路非接地相仅本相电容电流之间非常显著的相不对称特征，从理论上就规避了量度零序电量测量值大小精度的弊端，显然其动作性能的继电特性更优。

为了说明该原理，首先采用基于电路理论的电路分析方法，对小电流接地系统发生单相接地故障前后相不对称性进行陈述分析。

在发生单相接地故障时，对于非故障线路三相电流和故障线路非接地相电流，各相电流突变量就是接地故障时对地电容电流，而故障线路接地相的接地点电流突变量实则就是全网对地电容电流之和［34］。

由图1 分析，故障前各线路每相的相电流表达式如下：

图1 小电流接地系统正常电路分析图Fig.1 Circuit analysis diagram of small current grounding system under normal conditions

式（1）中，inp为某线路首端某相电流量；n为该线路的编号；p为A、B、C三相中任一相；inpC为某线路某相电容电流；inpL为某线路某相负荷电流；Cnp为某线路某相对地电容，并假设某线路每相对地电容均相等，即CnA=CnB=CnC=Cn；uN为中性点电压，即中性点零序电压；ep为电源某相电势。

由图2 分析，故障后线路L2的A 相金属性接地故障为例，故障点A相电流表达式如下：

图2 小电流接地系统单相接地故障电路分析图Fig.2 Fault circuit analysis diagram of small current single-phase grounding system

式（2）中，uNf为故障后中性点电压；if为单相接地故障点电流。

对于非故障线路、故障线路非故障相和故障点后的电流表达式如下：

式（3）中，p对于故障线路为非A相及故障点后A相，对于健全线路为A、B、C中任一相。

在故障前后，可以认为线电压保持不变状态，且短时内负荷电流由于线电压依然对称而认为不变，则故障线路故障点前的故障相电流突变量表达式由式（2）和式（1）推导得公式如下：

在故障前后，健全线路、故障线路非故障相和故障点后的相电流突变量表达式同样由式（3）和式（1）推导得公式如下：

由式（4）和式（5）分析易知，对健全线路、故障点后线路，有如下特征：同一条线路三相电流突变量为对地电容电流突变量，其幅值大小与波形基本一致，特征为相对称性。而对故障点前线路，仅两个健全相电流突变量基本相同，故障相电流突变量由于有故障点电流而明显不同了，其特征为相不对称性。

因此，由上述式（4）和式（5）的故障相和非故障相的相电流突变量计算表达式，就是基于三相电流突变量相不对称原理的基本原理性公式。则基本原理电路解析图，参见图3所示。

图3 相不对称原理电路解析图Fig.3 Circuit analysis diagram of the principle of phase asymmetry

基于上述基本原理和公式，如何简单准确、高效实用和工程化地解决应用中实际选线保护算法，就有着不同的实现方式。在启动元件快速捕捉到接地故障时刻后，本文提出一种基于相不对称原理选线的新算法如下：

式（6）中，Δiset为相电流突变量最小定值，可整定范围0.002Ie～1.000Ie，Ie为TA 二次额定电流；p为A、B、C 三相中任一相；k为采样点；k1为不对称系数1，描述采样点k 相电流突变量最大值与最小值的不对称度，典型值3.00；k2为不对称系数2，描述采样点k 相电流突变量最大值、中间值、最小值之间的不对称度，典型值4.00；k3为不对称系数3，描述采样点k相电流突变量中间值与最小值的不对称度，典型值1.50；max Δip(k)为暂态数据窗内三相电流中采样点k 周周突变量最大值；mid Δip(k)为暂态数据窗内三相电流中采样点k周周突变量中间值；min Δip(k)为暂态数据窗内三相电流中采样点k 周周突变量最小值；max Δip为暂态数据窗内由突变量最大相筛选的周周突变量最大值；min Δip为暂态数据窗内由突变量最小相筛选的周周突变量最大值。

在式（6）中，暂态数据窗内各相电流突变量的采样值周周突变量计算公式如下：

式（7）中，ip（k）为三相电流任一相k 点的采样值；N 为一个周波的采样点数；m为暂态数据窗的采样点数，且m≤N，例如m=N/2。

因此，在启动元件准确捕捉到单相接地故障时刻，且在设定的暂态数据窗采样点内，选取符合式（6）的前4 个判据公式的采样点数超过设定的数量后，再结合式（6）最后一个判据公式，可在35 ms内识别单相接地故障。同样，该算法也可以用于稳态数据窗计算识别单相接地故障情况。

新算法特点就是采用暂稳态数据窗和采样值冗余选取算法，具有算法响应迅速、动作速度快、计算简单和可靠性高的显著优点。

由于实际的电力系统中，各种电气设备特点、负荷影响、暂态过程和测量环节等因素都会造成影响，所以在产品设计时必须要充分考虑到这些因素。其中，主要的不利因素包括：负荷不对称波动、暂态谐波、电流互感器精度和产品低端测量精度等。

3 新算法试验验证情况

采用新算法研制的分布式小电流接地选线装置，经过了研制试验、10 kV配网真型试验、定型试验、行业资质检测、现场检测与试挂和供货的严格验证过程，证明了新算法具有非常满意的效果。其中，嵌入式软件产品作为模块化功能单元，采用了镜像端子设计技术，可以广泛嵌入馈线终端与站所终端中。

研制产品经过了10 kV真型试验验证，其模型为：无穷大电源经110 kV/10 kV 降压变压器连接至10 kV母线，有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地3种系统，母线有6条支路且均为单辐射结构，有架空线路、电缆线路、架空与电缆混合线路几种类型，可根据实际需求模拟系统电容电流，各支路共设置了首、中、末端24 个接地故障点和母线接地故障点，TA 变比300/5，主要试验类型有金属性接地、高阻接地、间歇性弧光接地、稳定性弧光接地等典型配电网接地故障。试验结果：在3种中性点接地方式下，金属性接地、100 Ω～12 000 Ω高阻接地和弧光接地测试总选线准确率高于99.7%。

分布式小电流接地选线装置目前通过了开普实验室动模仿真试验，主要关键性指标结论如下：

1）中性点不接地系统

100 Ω～12 000 Ω高阻单相接地故障正确率100%，间歇性弧光单相接地故障正确率100%。

2）中性点经消弧线圈接地系统

100 Ω～12 000 Ω高阻单相接地故障正确率100%，间歇性弧光单相接地故障正确率100%。

4 结语

本文通过对小电流接地系统单相接地故障选线原理、技术现状和产品设计等方面的深入研究，以及对小电流接地系统单相接地故障危害的再认识，提出了一种基于ΔI_PAM三相电流突变量相不对称原理选线保护的新算法。采用该新算法研制的产品，经历了大量的真型试验、动模试验等，验证了新算法具有非常满意的应用效果。测试表明：该新算法具有概念清晰、判据简单、响应迅速、动作快速和可靠性高的显著特点。该算法可广泛应用于分布式安装在配电网的各个分支或分段处，实现小电流接地故障的选线和选段，特别适用于现场没有零序电压和零序电流的应用场景。