基于中电阻法的小电流接地选线方法研究

吴建宇

基于中电阻法的小电流接地选线方法研究

吴建宇

（福州市闽江公园管理处，福州 350000）

变电站小电流接地选线存在正确率偏低、漏报率和误报率高等问题，直接影响配电网主站研判结果，导致无法实现故障自动隔离、供电可靠性大大降低。鉴于此，本文提出一种通过采用消弧线圈控制器控制中电阻投切，并配合投入变电站10kV线路零序过电流保护及10kV柱上开关的零序过电流保护，快速切除单相接地故障的方法。该方法充分发挥中电阻选线的优点，可有效提高配电网单相接地时选线选段的准确率，且具有改造投资省、效率高，改造时停电时间短、停电范围小的优点，能有效弥补中电阻长时间投入并流过短路电流时易烧毁的缺点。

小电流接地选线；中电阻法；配电网；单相接地故障

0 引言

变电站小电流接地故障存在故障信号强度低、选线难度大等问题[1-3]，直接导致故障研判和处理时间长，影响配电网供电可靠性。现有故障选线方法按照利用信号的方式不同，可分为被动式选线方法和主动式选线方法[4-6]。被动式选线方法利用故障时产生的电压、电流信号进行故障识别，主要包括基于稳态和暂态故障信息的识别法两大类。基于稳态故障信息的识别方法有群体比幅比相法、有功分量法、五次谐波法等，基于暂态故障信息的识别方法主要有暂态比幅比相法、暂态电流方向法和半波法等。主动式选线方法主要有注入信号法、残留增量法、中电阻法等[7-11]。

综合分析各小电流接地选线装置选线方法及原理可知，除中电阻选线法外，各选线方法的选线准确率均受制于以下几个方面：系统发生单相接地时，零序电流过小，导致故障特征不明显，影响选线准确率；系统发生单相接地后，暂态过程太短，故障特征转瞬即逝，选线装置难以捕捉导致选线准确率低；选线准确率严重依赖母线上所有间隔所安装的零序CT的精度、安装的规范性、性能的完好性等[12-17]。

中电阻法通过并联中电阻放大故障电流特征进行故障识别选线。在故障时短时投入中电阻，运用零序电流或有功功率变化量的选线原理来选线。由于中电阻的放大作用，所利用信号强度较大，选线正确率较好。该方法的主要不足在于增加了一次设备，易形成安全薄弱点；影响故障点熄弧，易烧毁形成安全隐患[18-21]。

针对上述被动和主动选线方案的不足，本文提出一种通过采用消弧线圈控制器控制中电阻投切并配合投入零序过电流保护跳闸的方法，充分发挥中电阻选线法的优点并弥补其缺点，以提高配电网单相接地时的选线选段准确率。

1 原理分析与现场情况

1.1 中性点经消弧线圈接地系统的故障特征

图1为中性点经消弧线圈接地系统。正常运行时，各相电压对称，中性点对地电压为零，消弧线圈没有电流流过，与中性点不接地系统相比各分量相同。发生单相接地故障时，非故障相各参数的分布情况与不接地系统也相同。

图1 中性点经消弧线圈接地系统

中性点经消弧线圈接地系统与中性点不接地系统的不同之处在于，在消弧线圈处增加了一个电感电流，即

此时，流过故障线路的电流变成经消弧线圈补偿过的系统电容电流，即

电感电流大小与消弧线圈有关。对于消弧线圈的选取，定义脱谐度为

式中，CΣ为整个配电网的对地电容电流。通常选取适当的消弧线圈电感值，使＜0，即令系统运行于过补偿状态，发生单相接地故障时，故障点接地电流为感性，可以避免引起谐振过电压。

1.2 中电阻法的基本原理

中电阻选线方法系统示意图如图2所示，接地后短时投入与消弧线圈并联的中电阻，运用零序电流变化量选线原理或有功功率选线原理，可实现选线。该方法所利用信号强度较大，因而选线正确率较高。

1.3 现场情况调查

本文对不同厂家的选线装置进行全面检测与对比，开展小电流接地选线装置调研，重点分析装置配置、运行情况及220kV变电站内相关试验工作。目前，各站的小电流接地选线装置主要有五类，分别为独立型选线装置、与消弧线圈控制器集成的选线装置、基于柱上三遥开关的选线装置、低励磁阻抗变压器接地保护装置及基于变电站监控后台的软件选线。接地选线装置类型见表1。

根据统计，所测范围内共有986台接地选线装置。其中，上海思源的有499台，超过总数一半；其次依次是河北旭辉的115台，山大电力的83台，广州智光的77台，许继电气的39台，广东中钰的30台，南瑞科技的26台，山东科汇的23台，广东顺特的17台，保定迈科特的16台。上海思源、河北旭辉、广州智光、广东顺特、广东中钰、许继电气、辽宁拓新、北京电力等厂家都是消弧线圈厂家，其接地选线装置均为与控制器一体的装置，其他厂家均为独立的接地选线装置。各地接地选线准确率见表2。

表1 接地选线装置类型

表2 各地接地选线准确率

由表2可见，各地市公司提供的选线准确率普遍不高，最低的仅有28.5%，最高的为69.0%。各地区选线准确率均未达到规定要求的准确率不应低于90%的标准。

2 改进中电阻法及模型测试

2.1 改进措施

为了解决上述问题，本文提出一种零序过电流保护配置方法，通过采用消弧线圈控制器控制中电阻投切，并配合投入变电站10kV线路零序过电流保护及10kV柱上开关的零序过电流保护，能够快速切除单相接地故障，有效解决中电阻长时间流过短路电流而烧毁的问题，同时天然形成了配电网单相接地故障的选线选段切除能力，可极大提升故障处理效率，保证配电网供电可靠性。中性点经消弧线圈接地系统的零序过电流保护配置如图3所示。

图3 中性点经消弧线圈接地系统的零序过电流保护配置

中电阻投入后，故障线路的零序电流显著增大，变电站10kV线路零序过电流保护具备动作跳闸切除单相接地故障的条件，故可以投入变电站及柱上开关10kV线路保护零序过电流保护进行有选择地出口跳闸，快速切除故障。同时，零序电流测量改由保护装置使用的线路三相CT，并由保护装置自产零序进行故障判别。10kV柱上开关投入零序保护并形成3段级差配合，具有选段能力。对于变电站10kV母线未配置消弧线圈的不接地系统，配置控制中电阻投切的小电流接地选线装置来实现中电阻投切的功能。

2.2 模型试验

使用RTDS数字动模仿真测试系统，对装置的选线、选相准确率等动态性能进行测试，测试系统接线示意图如图4所示。

图4 测试系统接线示意图

测试系统包括2条母线、7条支路，考虑经消弧线圈接地方式，并且可以模拟母线分列运行、并联运行及环网供电等不同运行方式。7条支路按照电缆分别占支路100%、50%、10%、0%的比率进行搭建，支路长度在3～30km之间。设置多个故障点，包括母线故障和不同线路的出口、中间、末端故障。中性点经消弧线圈接地系统试验模型如图5所示。

该模型的测试项目见表3，共包括18项，模拟故障个数超过600个，充分检验该方法在不同故障情况下的选线、选相准确率。

图5 中性点经消弧线圈接地系统试验模型

表3 模型测试项目

3 试验结果及分析

3.1 选线准确率测试

对不同厂家的选线装置进行测试，配合使用消弧线圈控制器及投入柱上零序保护，得到各厂家装置的选线准确率见表4。

表4 各厂家装置的选线准确率

实验结果表明，本文所提方法在不同厂家设备上的选线准确率均在93%以上，基本符合相关技术原则的要求，配合使用的中性点消弧线圈控制器及投入的配合动作的零序保护在大多数情况下均能正确动作。

3.2 其他性能测试

1）静态测试

零序电压电流定值测试结果正确，夹角动作区间与厂家提供数值一致。

2）动模试验

模拟区内区外发生金属性接地故障和高阻接地故障，装置均能正确反应故障行为。

3）现场波形回放试验

波形回放试验基于A公司和B公司提供的现场故障波形开展，以检测装置实际告警性能，不同故障的现场波形如图6所示。

由于现场波形长度只有250～300ms，装置接地告警判据最小时限只能整定10s，波形回放试验中需要将波形稳态部分重复复制，直至大于10s，因此试验结果与现场装置判定结果可能存在差异。图6（a）、图6（b）分别为62号线路故障、RTDS动模试验的现场波形，由图可见，故障暂态特征明显，暂态法判据准确性高。图6（c）为5号线路故障的现场波形，当暂态特征不明显时，暂态法动作情况随机性较大。

图6 不同故障的现场波形

若A公司、B公司对现场波形动作行为认定正确，仅暂态法动作情况与其他厂家装置动作行为进行比较，使用该方法时设备同样存在误动、漏报现象，误报漏报情况见表5。由表5可见，暂态法是综合判据的关键，暂态法的不正确动作将直接导致区内故障漏判，区外故障可能误报；在暂态法正确动作前提下，零序电流整定值是正确判定区内永久性接地故障的关键，若整定合理，则正确动作，反之则出现漏报。

表5 误报漏报情况

3.3 改进方法的优势及存在的问题

改进方法的优势如下：

1）对于已配置带中电阻投切功能消弧线圈的变电站，可通过投入10kV线路保护及柱上开关零序过电流保护的方式来提升选线选段准确率，方便快捷。

2）对于已配置消弧线圈但未配置中电阻的情况，可通过加装中电阻的方式满足中电阻投切要求。改造过程中，可采用10kV母线并列运行，轮流停运各母线消弧线圈的方式进行改造，不影响10kV线路运行。

3）该方法需使用线路三相CT，零序电流保护采用保护装置自产零序的方法，不再依靠开关柜后部的零序CT。运行过程中可通过查看保护装置的三相电流情况，判断CT极性及CT回路的正确性和完整性，解决了零序CT运行时无法判断完好性和正确性、安装位置日常难以巡视、维护和查看的问题。

4）对于原线路只有两相CT的情况，可以分间隔停电改造成三相CT，并且改造一个间隔，零序过电流保护直接投运一个间隔，选线选段正确与否不受未改造间隔的影响。在改造周期内，若已投入零序过电流保护的间隔未发生跳闸，通过投切中电阻的方式可直接试拉未投入零序保护间隔，缩小故障处理的试拉范围，一定程度上仍可提升故障处理效率，提高供电可靠性。

5）该方法可不增加配置单独的小电流接地选线装置，减少改造工作量且选线选段的准确率只与本间隔CT及故障时零序电流大小有关，不受其他间隔运行状态的影响。

6）该方法解决了小电流接地选线装置需母线上所有间隔的零序CT完好，且满足选线要求时才有较高选线准确率这一苛刻条件的问题。

7）对于未配置消弧线圈的不接地母线，可配置带小电阻投切功能的小电流接地选线装置。

8）通过延时10s后投切中电阻的方法，可以有效过滤配电网瞬时单相接地故障，不依赖通信、不需综合研判、不依赖装置录波研判功能。

依旧存在的缺陷如下：

1）大部分厂家装置配置有母线零序电压及三相电压输入，这种方式不仅具有故障选线功能还具有选相和PT断线判断功能。个别厂家装置仅配置零序电压输入，仅具有选线功能，不具有选相及PT断线功能。

2）支路发生接地故障时，同一段母线（并列运行的母线视为同一段母线）上的支路每次仅能选出一条故障线路。同一母线上两条支路同时发生接地故障时，仅能选出其中一条。分列运行的不同母线上两条支路发生接地故障时，两条故障线路均能被正确选出。

3）部分厂家装置在PT发生二次断线情况下同一母线上支路发生接地故障时，选线准确，相别会选为PT断线相；非PT断线母线上支路发生接地故障时，选线选相均正确。

4）模拟支路零序CT极性接反情况下支路发生接地故障，此时故障选线基本都不正确，会选为母线故障。有些装置未配置零序CT极性校准功能，不能通过参数设置修改装置的CT极性。

5）大多数装置无环网供电相关设置选项，并且模拟环网线路发生单相接地故障时均选线不正确。

4 结论

针对目前中电阻选线法存在中电阻长时间投入且流过短路电流时易烧毁的缺点，通过采用消弧线圈控制器控制中电阻投切，并配合投入零序过电流保护跳闸的措施，充分发挥中电阻选线方法的优点并弥补其缺点，有效提高了配电网单相接地时选线选段的准确率，且改造范围小、改造投资省、改造效率高，改造时停电时间短、停电范围小，部分难以停电的间隔可不改造也不影响选线准确率。

[1] 李志川, 兰生, 魏柯. 基于MRSVD-GRU的混合三端特高压直流输电线路单极接地故障定位方法[J]. 电气技术, 2023, 24(3): 1-8, 63.

[2] 牟之豫, 牟龙华, 朱吉然, 等. 小电流接地系统接地故障大数据分析平台数据库设计[J]. 电气技术, 2019, 20(6): 6-11.

[3] 林骏捷, 林佳壕, 郭谋发. 基于多暂态特征量聚类的配电网接地故障区段定位方法[J]. 电气技术, 2023, 24(5): 16-22.

[4] 贺中华. 小电流接地选线装置误动作原因分析及整改措施[J]. 电工技术, 2020(3): 114-115, 118.

[5] 刘红文, 郭辉, 王科, 等. 高精度配网单相接地故障检测与定位系统研发[J]. 电气技术, 2020, 21(1): 60-66.

[6] 王俊杰. 小电流接地选线装置的测试与仿真研究[D]. 南昌: 南昌大学, 2016.

[7] 徐宏坤, 李树龙, 孙希峰, 等. 小电流接地选线装置现状分析及治理措施[J]. 化学工程与装备, 2021(5): 157-158.

[8] 武全. 小电流接地选线系统在变电站中的应用[J]. 现代制造技术与装备, 2021, 57(4): 180-181.

[9] 邱翡翠. 小电流接地系统单相接地故障选线方法的探讨[J]. 科技与创新, 2014(20): 29-30.

[10] 彭华, 朱永利. 基于apFFT频谱校正和XGBoost的风电场集电线路单相接地故障测距[J]. 电工技术学报, 2020, 35(23): 4931-4939.

[11] 朱以屏. 消弧线圈接地系统采用中电阻选线的原理及应用[J]. 华东电力, 2004, 32(11): 20-22.

[12] 周兰, 尚超. 小电流接地选线跳闸技术分析探讨与试点建设[J]. 四川电力技术, 2021, 44(1): 35-37, 82.

[13] 吴建梅. 新型小电流接地选线装置的研制[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2014.

[14] 惠晓辉, 张杰, 赵宏松, 等. 自动调谐消弧线圈并联中电阻及其接地选线方法[J]. 科技尚品, 2015(10): 49, 48.

[15] 史泽兵, 余江, 丁晓兵, 等. 一种新型小电流接地选线装置设计方案[J]. 供用电, 2018, 35(8): 9-13, 20.

[16] 郑顾平. 配网自动化系统小电流接地故障定位方法[D]. 北京: 华北电力大学, 2012.

[17] JIANG Xinzheng, JIANG Nan. Research and analysis of small current grounding line selection system[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2022, 2320(1): 012003.

[18] 俞小勇, 高立克, 高艳亮, 等. 小电流接地选线装置性能评价方法研究[J]. 广西电力, 2012, 35(1): 1-4, 20.

[19] 戴军瑛. 采用消弧线圈并联中电阻的小电流接地系统故障选线方式[J]. 电力科学与工程, 2006, 22(4): 45-47.

[20] 王建元, 朱永涛, 秦思远. 基于方向行波能量的小电流接地系统故障选线方法[J]. 电工技术学报, 2021, 36(19):4 085-4096.

[21] 张建伟, 张然, 龚栋梁, 等. 基于RTDS的配电网单相接地选线方法验证[J]. 电气技术, 2018, 19(10): 40-43, 49.

Research on fault line selection method based on medium resistance for low current grounding system

WU Jianyu

(Fuzhou Minjiang Park Office, Fuzhou 350000)

The low current grounding line selection in the substation has problems such as low accuracy rate, high omission rate and high false alarm rate, which directly affect the evaluation results of the main station of the distribution network. As a result, the automatic failure isolation cannot be realized, and the power supply reliability is greatly reduced. This paper presents a method to quickly remove the single phase grounding faults by using the arc-reducing coil controller and combining the 10kV line zero-sequence over-current protection and the 10kV column switches zero-sequence over-current protection. This method utilizes the advantages of the medium resistance to effectively improve the accuracy of line selection when single phase grounding. It has the advantages of saving investment, high efficiency, short power outage time and small power failure range. At the same time, it can effectively make up for the disadvantages of medium resistance being easily burnt out when it is put into operation for a long time and flows through short-circuit current.

low current grounding line selection; medium resistance; distribution network; single phase grounding fault

2023-09-05

2023-09-14

吴建宇（1984—），男，硕士，工程师，主要从事电力系统及其自动化、人工智能、控制工程、电力物联网等研究工作。

国家自然科学基金（51777106）