小電流接地故障分界新技術(shù)

李天友，陳彬，謝菁，薛永端

（1. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州 350003；2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，

福建 福州 350007；3. 中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

中壓配電線路按區(qū)段可分屬供電公司和用戶，故障后需要盡快確定故障位于用戶側(cè)還是系統(tǒng)側(cè)，以明確供電公司和用戶的巡線和檢修責(zé)任。通過配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)故障分段定位，但由于投資原因一般僅對(duì)主干線路分段，仍不能滿足上述要求。

此外，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，相當(dāng)一部分故障（可能高達(dá)30%）是發(fā)生在用戶線路或設(shè)備上的[1]。當(dāng)用戶所屬線路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，如果處理不當(dāng)，將使整條配電線路停電，擴(kuò)大停電范圍，影響非故障用戶的正常供電，并引起供電公司和非故障用戶之間的責(zé)任糾紛[2-4]。

分界開關(guān)是將線路分段開關(guān)和微機(jī)保護(hù)測(cè)控以及通信融為一體的裝置。分界開關(guān)安裝在中壓線路的T接分支或末端，是供電公司和用戶劃分中壓配電線路不同管轄范圍的分界點(diǎn)[5]。接地故障分界技術(shù)，是指檢測(cè)用戶側(cè)發(fā)生的接地故障并告警，在必要時(shí)自動(dòng)或人工隔離故障區(qū)段。通過接地故障分界技術(shù)可以進(jìn)一步縮小故障區(qū)段，加快故障處理速度，減少可能引起的非故障用戶連帶性事故停電，更重要的是給供電公司和用戶區(qū)分責(zé)任提供了依據(jù)，也有人形象地將其稱為看門狗技術(shù)或防火墻技術(shù)[6]。

本文分析了線路不同區(qū)域發(fā)生小電流接地故障時(shí)，分界開關(guān)處的穩(wěn)態(tài)故障特征，論述了基于分界開關(guān)的小電流接地故障工頻分量檢測(cè)原理：工頻零序電流幅值法和工頻零序電壓電流相位比較法。提出了一種新的分界技術(shù)檢測(cè)方法，即工頻零序電壓電流綜合法，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。分析并解決了小電流接地故障分界技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的若干問題，以期提高其檢測(cè)和隔離用戶界內(nèi)接地故障的準(zhǔn)確性。

1 分界開關(guān)處小電流接地故障穩(wěn)態(tài)特征

分界開關(guān)一般安裝在分支線或線路末端，其下游（用戶側(cè)）線路長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中其他部分線路長(zhǎng)度之和，對(duì)應(yīng)的，下游線路對(duì)地分布電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他線路對(duì)地分布電容，下游線路對(duì)地分布電容電流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上游（系統(tǒng)側(cè)）線路對(duì)地分布電容電流。當(dāng)小電流接地故障位于不同位置時(shí)，分界開關(guān)處的工頻零序電流幅值、工頻零序電壓電流之間的相位關(guān)系都會(huì)存在明顯區(qū)別。

1.1 分界開關(guān)處的工頻零序電流幅值特征

如果接地點(diǎn)位于分界開關(guān)上游，無論系統(tǒng)為不接地還是經(jīng)消弧線圈接地方式，分界開關(guān)檢測(cè)到的故障工頻零序電流I觶B均為其下游線路的對(duì)地分布電容電流I觶CC。按照1 km長(zhǎng)10 kV架空線路對(duì)地電容電流30 mA、1 km長(zhǎng)10 kV電纜線路對(duì)地電容電流600 mA計(jì)算，I觶CC幅值一般不超過1 A。如圖1所示，故障點(diǎn)F1位于分界開關(guān)上游，有：

式中，ω為工頻頻率；U0為系統(tǒng)零序電壓。

圖1 故障點(diǎn)位于分界開關(guān)上游時(shí)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The circuit of the system with fault located in the system side

圖1中，Q為分界開關(guān)；CC、Cf和Ch分別為分界開關(guān)下游、同出線分界開關(guān)上游和健全線路的對(duì)地分布電容；Lk為消弧線圈電感；Kk為消弧線圈投入開關(guān)。

如果接地點(diǎn)位于分界開關(guān)下游，當(dāng)系統(tǒng)為不接地方式時(shí)，如圖2所示，分界開關(guān)檢測(cè)到的故障工頻零序電流I觶B為開關(guān)上游所有線路對(duì)地分布電容電流I觶CU，即等于除分界開關(guān)下游線路外故障線路對(duì)地分布電容電流I觶Cf與健全線路對(duì)地分布電容電流I觶Ch之和，有：

圖2 不接地系統(tǒng)中故障點(diǎn)位于分界開關(guān)下游時(shí)的示意圖Fig. 2 The circuit of the isolated neutral system when fault is located in the user side

當(dāng)系統(tǒng)為經(jīng)消弧線圈接地方式時(shí)，如圖3所示，故障點(diǎn)F2位于分界開關(guān)下游。此時(shí)分界開關(guān)檢測(cè)到的故障工頻零序電流I觶B，為分界開關(guān)上游所有線路對(duì)地分布電容電流I觶CU與消弧線圈補(bǔ)償電流I觶L的相量和，有：

圖3 諧振接地系統(tǒng)中故障點(diǎn)位于分界開關(guān)下游時(shí)的示意圖Fig. 3 The circuit of the resonant grounded system when fault is located in the user side

設(shè)消弧線圈失諧度為v（一般在-5%～-20%），則分界開關(guān)檢測(cè)的零序電流I觶B又可表示為：

其幅值關(guān)系為：

即由于消弧線圈一般為過補(bǔ)償狀態(tài)，再考慮故障電流中的有功分量，分界開關(guān)處檢測(cè)到的零序電流I觶B仍遠(yuǎn)大于其下游線路對(duì)地分布電容電流I觶CC[7]。

綜上所述，由于分界開關(guān)特殊的安裝位置，使得無論是不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)接地時(shí)其所檢測(cè)到的故障工頻零序電流一般大于系統(tǒng)側(cè)接地時(shí)的故障工頻零序電流。

1.2 分界開關(guān)處的工頻零序電流電壓相位特征

對(duì)于不接地系統(tǒng)，上游線路故障時(shí)，根據(jù)圖1，分界開關(guān)檢測(cè)的電流I觶B為從母線流向線路的電容電流，其相位超前工頻零序電壓U觶0，考慮到電流中含有少量有功分量，超前相位略小于90°；下游線路故障時(shí)，根據(jù)圖2，分界開關(guān)檢測(cè)的電流I觶B為從線路流向母線的電容電流，其相位滯后于U觶0，考慮到有功電流，滯后相位略大于90°。分界開關(guān)處零序電流和零序電壓相量關(guān)系如圖4（a）所示。

對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，上游線路故障時(shí)，根據(jù)圖1，與不接地系統(tǒng)時(shí)相同，分界開關(guān)檢測(cè)的電流I觶B仍然超前零序電壓U觶0約90°；下游線路故障時(shí)，根據(jù)圖3，分界開關(guān)檢測(cè)到的電流I觶B=I觶CU+I觶L?？紤]到消弧線圈會(huì)增大故障點(diǎn)的有功電流，在欠補(bǔ)償（消弧線圈電感電流小于系統(tǒng)電容電流）時(shí)，I觶B滯后U觶B的相位可顯著大于90°；而在過補(bǔ)償（消弧線圈電感電流大于系統(tǒng)電容電流）時(shí)，I觶B超前U觶B的相位可大于100°[8]。分界開關(guān)處零序電流和零序電壓相量關(guān)系如圖4（b）所示。

圖4 分界開關(guān)處零序電壓和零序電流相位關(guān)系Fig. 4 Phase relationship between zero-sequence voltage and zero-sequence current at the boundary switch

2 基于工頻故障分量的分界檢測(cè)原理

根據(jù)上述穩(wěn)態(tài)故障特征，已有的小電流接地故障分界技術(shù)可以按所依據(jù)工頻故障分量特征的不同分為工頻零序電流幅值法[1，9]和工頻零序電壓電流相位比較法[1]。

2.1 工頻零序電流幅值法

無論是不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)接地時(shí)分界開關(guān)處的故障工頻零序電流大于系統(tǒng)側(cè)接地時(shí)的故障工頻零序電流。據(jù)此特征，可以實(shí)現(xiàn)接地故障方向判斷。

設(shè)故障電流的預(yù)設(shè)門檻為：式中，Krel為可靠系數(shù)（一般取1.3左右）。則接地故障方向的判據(jù)為：

1）IB≥IS時(shí)，接地故障位于分界開關(guān)下游，即負(fù)荷側(cè)；

2）IB

2.2 工頻零序電壓電流相位比較法

對(duì)于能同時(shí)獲得零序電壓和零序電流信號(hào)的分界開關(guān)，可以利用故障工頻零序電壓和電流間的相位關(guān)系確定故障方向。當(dāng)分界開關(guān)檢測(cè)到的工頻零序電流超前工頻零序電壓的相位值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，判斷為用戶界內(nèi)發(fā)生接地故障。

為同時(shí)適應(yīng)不接地系統(tǒng)和諧振接地系統(tǒng)，并考慮電壓電流互感器的傳變誤差，分界開關(guān)的接地故障方向判據(jù)可設(shè)為：

1）100°<∠I觶B－∠U觶0≤280°時(shí)，接地故障位于分界開關(guān)下游，即負(fù)荷側(cè)；

2）60°<∠I觶B－∠U觶0≤100°時(shí)，接地故障位于分界開關(guān)上游，即系統(tǒng)側(cè)。

2.3 性能分析

工頻零序電流幅值法需要預(yù)設(shè)故障電流的絕對(duì)值門檻，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中效果較好，但在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，受消弧線圈補(bǔ)償電流影響，當(dāng)負(fù)荷側(cè)電容電流較大時(shí)，整定值可能大于故障點(diǎn)殘流值引起拒動(dòng)。即使整定值與金屬性接地故障的殘流值能夠配合，由于過渡電阻Rd與分界開關(guān)檢測(cè)到的零序電流I觶B的關(guān)系為：

式中，E為故障相的電壓。如圖5所示，隨著過渡電阻Rd的增大，分界開關(guān)檢測(cè)到的零序電流I觶B的幅值會(huì)隨之減小，當(dāng)過渡電阻Rd較大時(shí)，IB可能會(huì)小于IS，造成靈敏度下降，即故障點(diǎn)過渡電阻增大時(shí)可能會(huì)引起拒動(dòng)。

工頻零序電壓電流相位比較法雖不需預(yù)設(shè)故障電流的絕對(duì)值門檻，但在系統(tǒng)側(cè)故障與諧振接地系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)故障，且故障電流較?。ㄟh(yuǎn)小于1 A）時(shí)，受電壓、電流互感器傳變誤差的影響較大，相位測(cè)量不準(zhǔn)確，很難保證檢測(cè)效果。

圖5 過渡電阻、消弧線圈補(bǔ)償度與分界開關(guān)處零序電流的關(guān)系圖Fig. 5 Relationship among boundary switch’s zerosequence current，transition resistance and out-ofresonance degree of Petersen coil

3 工頻零序電壓電流綜合法

3.1 工頻零序電壓電流綜合法判據(jù)

本文提出的工頻零序電壓電流綜合法同時(shí)利用分界開關(guān)處零序電壓和零序電流的幅值與相位特征確定故障區(qū)域。該方法首先需確定故障電流的預(yù)設(shè)門檻值IS和I′S。IS的確定方法與工頻零序電流幅值法的門檻值確定方法相同，即：

式中，Krel為可靠系數(shù)（一般取1.3左右）。I′S的選取應(yīng)保證當(dāng)IB>I′S時(shí)電壓、電流互感器的相位測(cè)量誤差均小于5°，且預(yù)設(shè)門檻值I′S小于工頻零序電流幅值法的預(yù)設(shè)門檻值IS。

工頻零序電壓電流綜合法的判據(jù)為：

交通環(huán)境是安全設(shè)施設(shè)計(jì)過程中需特別重視的關(guān)鍵因素，也是交通設(shè)計(jì)者最容易忽略的一個(gè)因素，由此引發(fā)的交通事故也時(shí)有發(fā)生。道路情況、所使用的交通工具組合、氣候環(huán)境和季節(jié)性氣候變化、不同的人群對(duì)交通環(huán)境都有很大的影響。因此，設(shè)計(jì)交通安全設(shè)施時(shí)，應(yīng)以適宜本地生活習(xí)慣、工作環(huán)境的交通參與者為參照物，采取共享交通資源的方式，盡量引導(dǎo)人們積極參與交通安全工程中，確保平安出行。

1）IBIB≥I′S且60°<∠I觶B－∠U觶0≤100°時(shí)，接地故障位于分界開關(guān)上游，即系統(tǒng)側(cè)；

2）IB≥IS，或IS>IB≥I′S且100°<∠I觶B－∠U觶0≤280°時(shí)，接地故障位于分界開關(guān)下游，即負(fù)荷側(cè)。

工頻零序電壓電流綜合法的判斷流程如圖6所示。

3.2 性能分析

工頻零序電壓電流綜合法的動(dòng)作區(qū)域如圖7所示。圖中，陰影區(qū)域?yàn)榫C合法在故障位于負(fù)荷側(cè)時(shí)的動(dòng)作區(qū)域。該動(dòng)作區(qū)域即保留了工頻零序電流幅值法原有的動(dòng)作區(qū)域，又覆蓋了其低靈敏度區(qū)域，避免了該方法受消弧線圈補(bǔ)償電流或過渡電阻的影響而使靈敏度降低的缺點(diǎn)；同時(shí)綜合法排除了工頻零序電壓電流相位比較法在故障電流較小時(shí)，易受電壓、電流互感器傳變誤差影響而誤判的區(qū)域，尤其是在諧振接地系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)故障時(shí)，在極端條件下相位測(cè)量結(jié)果可能小于100°，造成誤判，而利用綜合法的兩個(gè)預(yù)設(shè)電流門檻值限制條件則能減少此類誤判：因此，工頻零序電壓電流綜合法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖6 工頻零序電壓電流綜合法流程圖Fig. 6 Flow chart of synthesis method based on the fundamental frequency zero-sequence voltage and fundamental frequency zero-sequence current

圖7 工頻零序電壓電流綜合法動(dòng)作區(qū)域Fig. 7 Action area of synthesis method based on the fundamental frequency zero-sequence voltage and fundamental frequency zero-sequence current

4 仿真驗(yàn)證

圖8 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)模型Fig. 8 Model of the resonant grounded system

采用EMTP/ATP仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真線路模型如圖8所示，為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的10 kV配電網(wǎng)。消弧線圈過補(bǔ)償度為8%，阻尼率為4%。圖中，共有5條出線，Q1—Q5為線路上游斷路器，Q6—Q11為分界開關(guān)。線路參數(shù)為：線路零序電阻R0=2.7 Ω/km，線路零序電感ωL0=0.078 5 Ω/km，線路對(duì)地電容C0=0.28 μF/km。故障點(diǎn)過渡電阻Rd=5 Ω。

針對(duì)上述模型選擇三種不同的單相接地故障進(jìn)行仿真：1）負(fù)荷側(cè)故障，故障點(diǎn)位于分界開關(guān)Q11下游且距其1 km；2）系統(tǒng)側(cè)故障，故障點(diǎn)位于分界開關(guān)Q11上游且距其4 km；3）負(fù)荷側(cè)故障且過渡電阻Rd=2 kΩ，故障點(diǎn)位于分界開關(guān)Q11下游且距其1 km。仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，故障發(fā)生時(shí)間為t=0.05 s，圖9和圖10為故障期間0.20 s至0.25 s的波形。

圖9 負(fù)荷側(cè)故障與系統(tǒng)側(cè)故障時(shí)分界開關(guān)Q11處的零序電壓電流波形對(duì)比圖Fig.9 Zero-sequence voltage and zero-sequence current at Q11 when fault is located in the user side or the system side

圖中，I觶B1、I觶B2和I觶B3分別是負(fù)荷側(cè)故障、系統(tǒng)側(cè)故障和負(fù)荷側(cè)故障且過渡電阻Rd=2 kΩ三種情況下分界開關(guān)Q11處的零序電流，U觶B為負(fù)荷側(cè)故障和系統(tǒng)側(cè)故障時(shí)分界開關(guān)Q11處的零序電壓，U觶B3是負(fù)荷側(cè)故障且過渡電阻Rd=2 kΩ時(shí)分界開關(guān)Q11處的零序電壓。分界開關(guān)Q11處的各零序電壓電流幅值和相位差如表1所示。

圖10 系統(tǒng)側(cè)故障與負(fù)荷側(cè)高阻接地故障時(shí)分界開關(guān)Q11處的零序電壓流波形對(duì)比圖Fig.10 Zero-sequence voltage and zero-sequence current at Q11 when fault is located in the system side，or high impedance fault is located in the user side

表1 分界開關(guān)Q11處的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab. 1 Measured data at Q11

由仿真結(jié)果可知，負(fù)荷側(cè)接地時(shí)分界開關(guān)處的故障工頻零序電流（9.751 A）大于系統(tǒng)側(cè)接地時(shí)的故障工頻零序電流（3.006 A）；負(fù)荷側(cè)接地時(shí)分界開關(guān)處的故障工頻零序電流超前零序電壓的相位（114.9°）位于100°～280°，系統(tǒng)側(cè)接地時(shí)分界開關(guān)處的故障工頻零序電流超前零序電壓的相位（89.1°）位于60°～100°。而在負(fù)荷側(cè)接地且過渡電阻Rd=2 kΩ時(shí)，IB3=3.042 A，與系統(tǒng)側(cè)接地時(shí)的故障工頻零序電流近似相等，這說明當(dāng)故障點(diǎn)過渡電阻增大時(shí)，分界開關(guān)處的零序電流顯著減小，其幅值可能會(huì)接近或小于金屬性接地時(shí)分界開關(guān)下游的電容電流值，此時(shí)工頻零序電流幅值法靈敏度降低。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電壓、電流互感器傳變誤差的影響，工頻零序電壓電流相位比較法的檢測(cè)效果不易保證。由此看出，工頻零序電壓電流綜合法具有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 小電流接地故障分界技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的若干問題

5.1 零序電流的獲取

零序電流的獲取有直接和間接兩種方式。直接方式是通過零序電流互感器（TA）獲得；間接方式是通過三相電流合成后獲取。

對(duì)于電纜線路，可直接安裝零序TA，也可通過三相TA間接獲取。對(duì)于架空線路，傳統(tǒng)上是通過三相TA間接獲取零序電流，近年在開關(guān)內(nèi)集成零序TA已成為一種趨勢(shì)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)一般不存在零序電流，直接測(cè)量方式獲得的零序電流就是故障電流。而在間接測(cè)量方式下，由于TA誤差、裝置模擬電路處理及計(jì)算誤差等，即便是在一次電流對(duì)稱、不存在零序電流的情況下，由三個(gè)相電流相加獲得的工頻零序電流值也不為零，這個(gè)電流稱為不平衡電流。為了保證故障工頻電流測(cè)量的準(zhǔn)確性，間接測(cè)量方式下，需要通過零序電流突變量方法剔除不平衡電流影響。

5.2 接地故障的啟動(dòng)判據(jù)

如果分界開關(guān)接有三相或零序的電壓互感器（TV），則可以利用一相電壓降低、兩相電壓升高或零序電壓超越一定門檻來判斷接地故障的發(fā)生。

部分分界開關(guān)處不具備安裝TV的條件，即使安裝了TV也多是測(cè)量線電壓不能反映接地故障電壓變化，此時(shí)，需要根據(jù)零序電流的工頻分量或暫態(tài)分量是否超越一定門檻來判斷故障的發(fā)生。

5.3 故障持續(xù)時(shí)間的判斷

如果接有三相或零序TV，則可以根據(jù)電壓變化時(shí)間計(jì)算接地故障的持續(xù)時(shí)間。如果沒有相電壓或零序電壓信號(hào)，則需要根據(jù)工頻零序電流變化量的持續(xù)時(shí)間計(jì)算故障持續(xù)時(shí)間。

5.4 接入配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)

在實(shí)施配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)后，分界開關(guān)可納入其管理范疇，將故障信息上傳主站，實(shí)現(xiàn)更精確的故障區(qū)段定位。

5.5 故障區(qū)段隔離

根據(jù)需要，可設(shè)定分界開關(guān)是否允許跳閘，以及跳閘的延時(shí)時(shí)間。當(dāng)允許跳閘時(shí)，用戶側(cè)發(fā)生接地故障并持續(xù)一定時(shí)間后，跳開分界開關(guān)隔離故障區(qū)段。這樣做，可以縮小故障范圍，減少對(duì)其他用戶的影響，但也會(huì)增加分界開關(guān)內(nèi)用戶的停電時(shí)間。

6 結(jié)語

長(zhǎng)期以來，由于缺少有效的小電流接地故障保護(hù)隔離措施，使得用戶側(cè)的故障無法快速準(zhǔn)確地被識(shí)別與隔離，影響配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電可靠性。

本文所提出的工頻零序電壓電流綜合法同時(shí)利用分界開關(guān)處工頻零序電壓和工頻零序電流的幅值與相位特征，能快速準(zhǔn)確地識(shí)別故障區(qū)域。與工頻零序電流幅值法相比，該方法的判定結(jié)果不會(huì)受消弧線圈補(bǔ)償度或過渡電阻大小的影響，靈敏度較高；與工頻零序電壓電流相位比較法相比，它避免了故障電流較小時(shí)電壓、電流互感器傳變誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了判定的準(zhǔn)確度。

工頻零序電壓電流綜合法提高了小電流接地故障分界技術(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，能為供電公司和用戶區(qū)分責(zé)任提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)，具有良好的發(fā)展前景。

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