探究单相对配电网单相接地故障

摘要：随着经济建设以及生活水平的不断提高，人们对于电能的需求量以及依赖程度与日俱增，对电力配网的可靠性设计也有了更高的要求。为了能够提升供配电系统工作效率以及运行的可靠性，对配电网单相接地故障的解决方法进行深入探讨。
关键词：配电网；单相接地故障；自动选线
作者简介：崔德民（1968-），男，山东德州人，山东电力集团公司德州供电公司，高级工程师；刘建（1976-），男，山东德州人，山东电力集团公司德州供电公司，工程师。（山东 德州 253000）
1007-0079（2013）08-0196-02
电力配网的主要作用是分配电能，即通过配电网将电能输送给广大的电力用户。现阶段，配电网的在配电网中主要采用中性点接地方式，即小电流接地系统，具体可以分为中性点不接地、中性点经高阻接地以及中性点经消弧线圈接地等，而这其中单相接地发生短路故障的频率最高。配电网单相接地故障具有稳态电流十分微弱、电弧不稳定以及故障特征不明显等特点，使得单相接地故障的自动选线问题难以有效解决，并且严重阻碍了配电网供电的安全性和可靠性。这样一来，配电网单相接地故障的选线技术就成了电力工作者所关注的焦点问题，必须要认真分析问题所在，准确找出故障线路，确保整个配电网安全、正常以及有效地运行。

一、配电网单相接地故障分析

现阶段我国配电网所采用的接地方式主要可以分为中性点不接地（NUS）、中性点经高阻接地（NRS）以及中性点经消弧线圈接地（NES）这三种方式。在这些系统中，中性点大都对地绝缘，如果发生单相接地时，电网中所产生的短路电流都比较小，而且对地故障电压也很低，不至于引发严重事故，因此即使发生了单相短路故障，不需切断电源使得供电中断，用电设备仍可正常运行。伴随着我国经济建设的快速发展，城市用电量提高。为了确保城市电量的正常供应，大量的电缆应用于城市配电网当中。这样一来电缆与电线混合在一起，一旦发生单相接地故障，就会使故障电容电流急剧升高，如果在这种情况下长时间运行，就会使故障迅速扩大，从而造成两点甚至多点短路，如果这些故障点发生间歇性电弧接地时，还可能引发弧光接地过电压，破坏系统绝缘性能并且造成相间短路，破坏配电网的安全运行。因此如何迅速并且准确地实现故障选线，对于运行方式多变、结构复杂的配电网络的安全、可靠运行，提高配电网自动化水平有着十分重要的意义。[1，2]以下就对配电网单相接地故障进行具体分析。

1.国内单相接地故障选线技术的研究状况

我国最早从1958年开始对单相接地故障选线问题进行系统研究，使用的保护原理则主要是利用零序电流过流保护以及无功方向保护等，在这期间提出了许多选线方法并且研制出了多种选线装置。后来随着科技实力的提高以及对国外先进技术的借鉴，单相接地故障保护原理开始从谐波的角度出发，并且研制出了步进式继电器，在微机保护的基础上采用群体比幅相法、模糊理论法以及注入法等多种方法。例如在70年代后期，上海电气集团和许昌集团等单位研制生产出了具有选择性的保护装置ZD系列，其中ZD-4装置是反映中性点不接地系统零序功率方向，ZD-5、ZD-6、ZD-7则是用来反映中性点经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向。但是伴随着微型计算机、选线理论以及数字信号处理技术的进一步完善，传统单一的选线方法依然无法满足实际需求。因此目前选线技术以及装置的研究都朝着多点、全方

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位的方向发展，通过融合了各种选线方式的优点，规避各自的不足，以此来提高单相接地故障选线的精度。例如华北电力大学研制的MD-MLA型选线装置，就是采用了稳态、暂态、谐波等中和信息融合的分析方法。[3，4]

2.单相接地故障的主要选线方法

目前，单相接地故障的选线方法主要是根据采样信号的种类加以区分的，分别是基于稳态量的选线方法、基于暂态量的选线方法以及信号注入法这三大类。
（1）基于稳态量的选线方法。基于稳态量的选线方法可以分为零序电流幅值法、零序电流相对相位法、群体比幅比相法、有功分量法、最大值法、五次谐波分量法、负序电流法以及零序导纳法和电流增量法。零序电流幅值法适用于中性点不接地系统，此时流经故障线路的零序电流等于所有正常线路对地电容电流之和，因此可以通过判断电流幅值大小来选择故障线路。零序电流相对相位法的基本原理是根据故障线路的零序电流方向是从线路流向母线，这与正常线路的流向正好相反，因此可以准确地判断故障所在线路。群体比幅比相法是指对零序电流幅值进行比较，选出方向与其他不同的则为故障线路。有功分量法是指检测各条线路零序电流中的有功分量大小，以此为依据找出故障线路。最大值法是选择一个中间参考信号，找出线路故障前的零序电流于发生故障后的零序电流相位关系，然后以故障线路的零序电流理论方向为准，将所有线路的零序电流在其上做投影，并且计算出投影值的差值，如果差值大于零则说明该线路为故障线路。五次谐波分量法主要是指中性点经消弧线圈接地系统中零序电流的五次谐波与中性点不接地系统中零序电流基波相同的这一特点，然后再利用零序电流方向法和群体比幅比相法可以有效的解决故障线路的选线问题。[5]负序电流法是指利用故障线路前后的负序分量的差值和方向判断故障发生的位置。[6]零序导纳法和电流增量法是利用中性点的位移电压计算每条线路对地的导纳系数，然后再与正常线路的导系数进行比较，分析变化差异。[7]
（2）基于暂态量的选线方法。基于暂态量的选线方法可以分为首半波法、暂态能量法、相关分析法、小波分析法、相电流特征分析法以及无功检测的选线法。首半波法的基本原理是零序电压瞬时值与正常线路的零序电流瞬时值在第一个半波内具有相同极性，而故障线路零序电流瞬时值在第一个周波内的极性与正常线路恰好相反。暂态能量法主要是利用零序电流与电压的乘积在一定时间内的积分值，该值与零序电流中阻性能量的特点是相同的，因此可以以此为依据判断故障线。[8]相关分析法是根据中性点经消弧线圈接地系统以及各线路故障零序电流的特点进行分析和选线。小波分析法可以通过改变时间窗口和频率窗口获得配电线路的时频局部变化特征，然后再利用极性比较法、比幅比相法以及相关分析法进行故障选线。[9]相电流特征分析法主要原理是分析各线路的暂态电流的频带，若线路中存在故障，此时的暂态电流特征频带值要大于非故障相的特征频带值。但是此种方法易受到线路结构和信号噪声影响，离工程实际应用还存在一定距离。[10]无功检测选线法的原理是通过计算各条线路的暂态无功功率，如果线路中发生单相接地故障，此时的暂态无功功率应该大于正常线路，因此找出最大功率所在线路即为故障线。（3）注入信号的选线方法。注入信号的选线方法主要有两大类，即注入恒频率信号和由消弧线圈二次侧注入变频信号。其中恒频率信号注入法主要是指当配电网出现单相接地故障时，由PT二次侧向电网注入一个恒频率的信号，然后再通过信号探测器检测出故障线。由消弧线圈二次侧注入变频信号的方法主要是指给故障线路注入的信号频率与网络谐振的频率相等，然后检测各线路的阻尼率，其中阻尼率最大的线路则为故障线。

二、配电网单相接地故障选线技术研究

对配电网单相接地故障进行选线时，首先需要对接地故障稳态进行分析，如下图1所示为中性点不接地网络连接以及电流分布示意图。
如果当中性点不接地系统中发生单相接地故障时，会产生零序电压，而且电压值的大小与正常线路的相电压相等。相电压升高至原来的倍，接地电流超前零序电压90°，并且由线路流向母线；非故障线路的零序电流为本身对地电容电流，相位超前零序电压90°，电容性功率的实际方向是从母线流向线路。故障线路的零序电流大小是所有正常线路对地电容电流之和，相位滞后于零序电压90°，电容性无功率的实际方向与给故障线路相反，即从线路流向母线，因此可以以此为依据进行选线。

三、结束语

伴随着电气化的不断发展，越来越多的用电设备在方便人们日常生活的同时也带来了不少安全隐患直接影响着人身安全，所以对于配电网单相接地故障以及自动选线问题已经成为公众关注的焦点。在配电网系统的设计中，电网的接地型式以及其安全保护配置的应用应该引起专业电气设计人员的高度重视，系统的选择是一个极其复杂的过程，它需要综合考虑电网需求、环境条件、负载类型、维护能力等因素。因此，相关设计人员只有在深入了解之后根据国家有关的明文规定进行合理选择，以确保低压配电系统接地的安全可靠，同时还要对接地型式进行合理的保护配置，使得整个配电网输电系统能够经济、安全、可靠、稳定的运行。
参考文献：
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[5]郭浩.基于信

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号注入的配电网单相接地故障定位研究[D].焦作：河南理工大学，2010.
[6]赵彦伟，李志峰.小电流接地选线装置运行现状分析[J].电力学报，2006，（1）.
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[8]唐晓初.小波分析及其应用[M].重庆：重庆大学出版社，2006.
[9]叶杰宏.基于小波分析的配电网故障选线的应用研究[D].广州：广东工业大学，2006.
[10]李书强.配电网络单相接地故障选线技术的研究[D].天津：河北工业大学，2009.
（责任编辑：宋秀丽）