中低压配电网小电流接地故障暂态方向多级保护技术

摘 要：在中低压配电网小电流接地故障暂态方向多级保护技术中，根据配电网的拓扑结构和运行参数设计暂态方向多级保护馈电线路，并将其划分为多个保护区域。基于故障电流的暂态特性，设定暂态方向多级保护的判据，准确识别小电流接地故障的方向和位置。通过整定保护级差，确定各级保护动作的时间间隔，确保故障发生时，离故障点最近的保护装置能够先动作，从而迅速隔离故障区域。这种时间级差的合理设置，既保证保护的速动性，又避免不必要的误动作。最终实现的小电流接地故障暂态方向多级保护能有效应对小电流接地故障。试验结果表明，在引入暂态方向多级保护技术后，故障点的电压和电流较之前得到显著改善，电压由13.6kV降至4kV，电流由5.8A降至1.9A，展现其强大的自主性和高效性，可以为配电网的安全稳定运行提供有力保障。

关键词：中低压配电网；小电流；接地故障；暂态方向；多级保护技术

中图分类号：TM 773" 文献标志码：A

中低压配电网小电流接地故障是配电网中种常见的电气故障。当发生小电流接地时，该系统的三相线路电压变化不大，且不会对负载的供电产生较大影响[1]。然而，虽然这种故障电流较小，但仍对电力系统的稳定运行造成威胁，因此需要及时检测和隔离。设备绝缘老化会使设备的绝缘阻值降低，导致绝缘性能下降，存在隐患；接地电阻增高则会使接地电流较小，故障难以被检测到，存在安全隐患；而静电击穿则可能由系统中存在较高的静电电压引起，导致发生小电流接地故障[2]。针对中低压配电网小电流接地故障，可采用小电流接地故障暂态方向多级保护技术提高故障处理能力。该技术通过分析故障发生时的暂态电流和电压信号，结合配电网的拓扑结构和运行参数，对故障位置进行准确判断和快速隔离。在维修方面，需要对接地故障进行处理。同时，也需要对配电网的设备和线路进行定期检查和维护，以减少小电流接地故障的发生概率。

1 设计暂态方向多级保护馈电线路

当设计中低压配电网小电流接地故障暂态方向多级保护馈电线路时，需要根据配电网的拓扑结构和运行参数，将馈电线路划分为多个保护区域[3]，如图1所示。

每个保护区域配置相应的保护装置，以实现故障的快速检测和隔离功能。当检测到故障发生时，保护装置将记录故障发生时的暂态信号[4]，并计算与正常状态时的差异，用来判断故障发生的方向，暂态方向判断公式如公式（1）所示。

（1）

式中：Δl为时间窗口；t为故障时间；If（t）和Id（t）为故障发生后的电流信号；dt为积分运算，计算在时间窗口Δl内信号值的总和。

根据保护区域的位置和重要性，配置不同级别的保护装置。高级别的保护装置具有更短的故障检测和隔离时间，以确保重要负荷的供电可靠性。同时，通过设定暂态方向多级保护判据，实现各级保护装置的协调配合，避免误动作和扩大故障范围。

2 设置暂态方向多级保护判据

多级保护判据的基本原理是根据故障发生时电气量的变化特征，结合保护装置的安装位置和灵敏度[5]，将电网划分为不同的保护区域，并为每个保护区域配置相应级别的保护装置。这些保护装置通过检测电气量的变化来判断故障是否发生在保护范围，并决定是否启动保护动作。

2.1 电流保护判据

电流保护判据是基于故障发生时电流的变化特征来判断故障位置和性质的。其中，常用的是过电流保护和零序电流保护。

过电流保护判据如公式（2）所示。

IDgt;IS （2）

式中：ID为检测到的电流值；IS为设定的过电流保护定值。

当检测到的电流值超过设定的定值时，保护装置将启动过电流保护动作。

零序电流保护判据如公式（3）所示。

3I0gt;IS0 （3）

式中：I0为零序电流；IS0为设定的零序电流保护定值。

零序电流保护主要用于检测接地故障，当零序电流超过设定的定值时，保护装置将启动零序电流保护动作[6]。

2.2 电压保护判据

电压保护判据是基于故障发生时电压的变化特征来判断故障位置和性质的。常用的有低电压保护和过电压保护。

低电压保护判据如公式（4）所示。

Ult;US （4）

式中：US为检测到的电压值；US为设定的低电压保护定值。

当检测到的电压值低于设定的定值时，保护装置将启动低电压保护动作。

过电压保护判据如公式（5）所示。

Ugt;Umax （5）

式中：Umax为设定的过电压保护上限值。

当检测到的电压值超过设定的上限值时，保护装置将启动过电压保护动作。

3 整定保护级差

在中低压配电网中，两点接地故障的处理对保障系统的稳定性和连续性至关重要。当两端接地点均有较低的转换电阻时，短路电流明显增加，容易触发短路保护，从而迅速隔离故障区域。然而，当其中一个或多个接地点过渡电阻较大时，故障电流可能不足以触发传统短路保护装置的阈值，这需要引入更精细的小电流接地故障暂态方向多级保护技术。

假设故障电流为If、过渡电阻为R，那么故障电流与过渡电阻间的关系如公式（6）所示。

（6）

为应对小电流接地故障，设置多级保护判据，并整定相邻开关间的时间极差。时间极差Δt的确定需要考虑多个因素，例如本级保护延时元件的超前误差、下一级保护延时元件的滞后误差、分段开关分闸时间及电压恢复时间等[7]。在两点接地故障的情况下，由于故障电流可能较小，对速动性有更高的要求，因此时间极差Δt应相应缩短。

根据系统特性和实际运行经验[8]，设定合适的时间极差范围Δt lt;0.5s。确保当两点接地故障发生时，中低压配电网系统能够迅速定位并隔离故障区域，减少故障对中低压配电网的影响。同时，为提高保护的可靠性和准确性，还结合其他故障检测手段，实现对两点接地故障的处理。

4 实现小电流接地故障暂态方向多级保护

多级保护策略在中低压配电网中至关重要，通过设定各线路开关设备的保护动作时间形成时间级差，确保发生故障时精确有序地隔离故障区域。针对小电流接地故障，变电站系统巧妙地利用较长的动作延时，不仅提升故障处理的灵活性，而且更为多级开关间提供实现选择性动作的可靠途径[9]。不仅优化故障处理流程，而且还提高配电网的安全性和稳定性。多级保护配置如图2所示。

图2中，馈线分段由n个开关划分，每段配置接地方向保护。根据开关位置设定保护动作时间，时间级差Δt设为0.5s，分段开关的保护动作时间如公式（7）所示。

Tn=T0+（n-1）Δt （7）

式中：T0为第n个开关的保护动作时间。

针对中低压配电网小电流接地故障，通过识别供电方向与暂态方向确认故障点，结合保护延时和暂态无功算法，实现故障自愈，方法如下。

首先，通过测量配电网中的电流和电压相位差，确定供电方向和暂态方向的变化，进而识别故障点所在的大致位置。故障前后相位差的变化如公式（8）所示。

Δθ=θp-θ （8）

式中：θp和θ分别为故障后和故障前电压和电流间的相位差。

θp和θ如公式（9）所示。

（9）

式中：∠（V，I）为电压V和电流I间的相位差。

假设故障点位于第i个和第i+1个开关之间，计算故障发生前后该段线路上的暂态无功功率变化量ΔQ来确定故障点的位置。暂态无功功率变化量如公式（10）所示。

ΔQ=Qp-Q （10）

式中：Qp和Q分别为故障发生前后第i个开关所在段线路的暂态无功功率。

结合预先设定的保护延时时间Tn，当ΔQ超过设定的阈值并且达到或超过Tn时，判断该段线路存在小电流接地故障，并触发相应的故障隔离和保护动作。

5 试验测试分析

5.1 试验准备

利用先进的EMTP-ATP电力仿真软件，构建典型的10kV配电网模型，以模拟和分析不同接地方式下的配电网性能。该模型基于110kV/10kV变电站与馈线标准参数，在搭建中变压器的接线方式选用P/P0型结构。通过控制开关G的状态，灵活地切换中性点的接地方式。当开关G断开时，配电网处于中性点不接地状态；而当开关G闭合时，中性点则通过消弧线圈接地，为配电网提供额外的保护，配电网仿真模型如图3所示。

在仿真模型中，设定H1至H5作为暂态无功功率的检测点。出口断路器G1处于合闸状态，而G2处于分闸状态。假设在h处发生故障，配电网架空线路参数见表1，设置变压器参数见表2。

当电压相位初始设定为90°时，单相接地故障发生。此故障导致故障点的电压和电流瞬态变化显著。故障点的电压和电流波形图如图4所示。

在配电网中进行小电流接地故障暂态方向多级保护技术的现场试验，部署6台馈线终端装置。经过精心处理现场采集的数据，获取故障位置的接地故障波形，如图5所示。

5.2 试验结果分析

由图5可知，中低压配电网的小电流接地故障经暂态方向多级保护技术处理后，电压从13.6kV降至4kV，电流从5.8A降至1.9A，明显改善。该技术不依赖主站通信，能独立可靠地检测并隔离故障，体现其自主性和高效性。尽管配置保护延时整定值稍显烦琐，但是该技术显著缩短故障查找时间，缩小停电范围，尤其在复杂环境下优势显著，为配电网安全稳定运行提供有力保障。

6 结语

中低压配电网小电流接地故障暂态方向多级保护技术，以其卓越的性能和独特的优势，为配电网的安全稳定运行提供有力保障。未来，随着技术不断完善和应用推广，中低压配电网小电流接地故障暂态方向多级保护技术将在提高配电网运行可靠性、保证供电质量方面发挥更重要的作用。

参考文献

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[2]韦明杰，王聪博，余越，等.适用高比例分布式光伏接入的配电网多级保护优化配置方案[J].电力系统自动化，2023，47（22）：55-65.

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[4]张斌，张文波.一种基于电荷电压波形相似性的小电流接地故障检测方法[J].电力安全技术，2023，25（12）：54-58.

[5]许桐浩，刘利则，吕陆，等.改进特征向量中心性小电流接地故障选线方法[J].计算机仿真，2023，40（8）：130-135.

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[7]李卫丰，王超，薛永端，等.基于暂态功率方向的柔性直流配电网线路单极接地保护方法[J].电力系统保护与控制，2021，49（23）：1-10.

[8]康田园，刘科研，李昭.基于光伏逆变器调节的中低压配电网电压分层协调控制策略[J].高电压技术，2024，50（3）：1225-1234.

[9]李小明，董智，高明，等.基于粒子群算法的中低压配电网网格化规划模型[J].电气自动化，2023，45（2）：58-60.