配電網(wǎng)高阻接地故障檢測(cè)技術(shù)綜述

詹啟帆 李天友 蔡金錠

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350003）

配電網(wǎng)高阻接地故障檢測(cè)技術(shù)綜述

詹啟帆1李天友2蔡金錠1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350003）

配電網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障（HIF）時(shí)其電流變化量較小，因此故障檢測(cè)起來(lái)較為困難。本文闡述了高阻接地故障時(shí)線(xiàn)路的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，介紹了小電阻接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)以及消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)的故障選線(xiàn)和定位技術(shù)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。采用多種方式協(xié)同的方法可以提高故障檢測(cè)的可靠性、靈敏性以及經(jīng)濟(jì)性。

小電阻接地系統(tǒng)；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)；高阻接地故障；故障選線(xiàn)；故障定位

新中國(guó)成立初期，我國(guó)配網(wǎng)普遍為中性點(diǎn)不接地方式，隨著電網(wǎng)不斷發(fā)展，我國(guó)逐漸采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式。由于近年來(lái)電纜線(xiàn)路的大量投入使用，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式的使用逐漸增加。目前我國(guó)配網(wǎng)主要采取中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地與經(jīng)小電阻接地這3種接地方式，其中中性點(diǎn)不接地與經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地方式又可稱(chēng)作為小電流接地方式[1]。

在配網(wǎng)中，高達(dá)80%的故障類(lèi)型是單相接地故障，當(dāng)架空線(xiàn)路與樹(shù)枝、水泥、沙土、動(dòng)物等物質(zhì)接觸，其接地電阻高達(dá)幾百歐 或者上千歐，成為高阻接地故障（HIF）[2]，占故障總數(shù) 5%左右。HIF過(guò)渡電阻較大，電流變化量較小，三相線(xiàn)電壓保持對(duì)稱(chēng)，并且故障現(xiàn)象不穩(wěn)定。若對(duì)地電容電流小于11.4A時(shí)，則接地電流可在過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄滅；若對(duì)地電容電流大于 11.4A，則電弧會(huì)在過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄滅，在峰值附近重新產(chǎn)生，造成間歇性電弧故障[3]。因此HIF檢測(cè)極度依賴(lài)于就地測(cè)試，測(cè)試成本較高并且受到故障點(diǎn)附近噪聲等不可預(yù)測(cè)因素的影響，使得 HIF的研究受到了很大限制[4]。若無(wú)法確定故障點(diǎn)，則線(xiàn)路長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行可能使故障點(diǎn)溫度過(guò)高，從而引發(fā)火災(zāi)，造成電氣設(shè)備的永久損壞，并且接地點(diǎn)周?chē)绮诫妷嚎蛇_(dá)到幾千伏，對(duì)接地點(diǎn)周?chē)松戆踩斐赏{[5]。因此，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生接地故障的時(shí)候，必須及時(shí)選出故障線(xiàn)路，確定故障所在區(qū)段，迅速排除故障，以免對(duì)人生安全方面造成危害。本文主要介紹了幾種HIF情況下的故障選線(xiàn)和定位方法。

1 單相接地短路分析

由電路基本理論分析可知，發(fā)生單相接地故障后，電壓、電流包含隨時(shí)間逐漸衰弱的暫態(tài)分量和不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)分量。下文分穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩部分對(duì)HIF進(jìn)行介紹。

1.1 穩(wěn)態(tài)

通過(guò)對(duì)稱(chēng)分量法和戴維南定理同時(shí)對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行分析[2]。當(dāng)線(xiàn)路A相發(fā)生單相接地故障，故障電阻為Rf，將Rf等效成外電路，開(kāi)路電壓為電源相電壓，忽略線(xiàn)路阻抗的情況下，對(duì)地容抗并聯(lián)值為

式中， CΣ= C1+ C2+ C3，其戴維南等效電路如圖1所示。

圖1 高阻接地故障穩(wěn)態(tài)等效電路

圖1 中，Xc為戴維南等效阻抗；AU為故障點(diǎn)電壓；dI為故障點(diǎn)接地電流。根據(jù)等效電路圖可以分別求得AU、dI以及中性點(diǎn)電壓0U，即

通過(guò)對(duì)稱(chēng)分量法的基本原理將線(xiàn)路的不平衡向量分解成3個(gè)獨(dú)立的對(duì)稱(chēng)分量組之和，綜合單相接地線(xiàn)路電流電壓條件，得到單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)圖如圖2所示。

圖2 單相接地故障序網(wǎng)圖

圖2 中，1Z為正序阻抗，2Z為負(fù)序阻抗，0Z為零序阻抗。Z1和Z2較Z0小得多，故忽略Z1和Z2可得接地電流dI表達(dá)式為

可以看出，戴維南等效電路和對(duì)稱(chēng)分量法計(jì)算出的接地電流一樣。通過(guò)上式畫(huà)出三相電壓隨接地電阻變化的向量圖，如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)電壓偏移軌跡圖

圖3 中，虛線(xiàn)代表中性點(diǎn)電壓隨Rf變化軌跡線(xiàn)，隨Rf增大，中性點(diǎn)電壓沿著虛線(xiàn)逐漸向N點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)Rf較大時(shí)，中性點(diǎn)電壓偏移和故障相電壓變化都較小，因此HIF的電氣穩(wěn)態(tài)量變化較不明顯，作為HIF判定的依據(jù)有一定的難度。

1.2 暫態(tài)

當(dāng)消弧線(xiàn)圈為過(guò)補(bǔ)償時(shí)，接地點(diǎn)電流為感性，故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路的電容性無(wú)功功率均從母線(xiàn)流向線(xiàn)路；當(dāng)消弧線(xiàn)圈為欠補(bǔ)償時(shí)，故障線(xiàn)路的電容性無(wú)功功率為線(xiàn)路流向母線(xiàn)，非故障線(xiàn)路方向均為母線(xiàn)流向線(xiàn)路。因此，諧振接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障，較難通過(guò)比較穩(wěn)態(tài)零序電流方向進(jìn)行故障選線(xiàn)?；陔姼须娏鞑粫?huì)突變這一基本原理，可以通過(guò)暫態(tài)法對(duì)消弧線(xiàn)圈接地方式線(xiàn)路進(jìn)行分析。

發(fā)生單相接地故障，當(dāng)過(guò)渡電阻Rf較小時(shí)，消弧線(xiàn)圈阻抗遠(yuǎn)大于線(xiàn)路分布電容，因此可以忽略消弧線(xiàn)圈在暫態(tài)過(guò)程中的作用。HIF時(shí)，不可以認(rèn)為消弧線(xiàn)圈等效阻抗遠(yuǎn)大于接地電阻阻抗，暫態(tài)過(guò)程可以看做是線(xiàn)路分布電容和消弧線(xiàn)圈并聯(lián)諧振，如圖4所示[6]。

圖4 高阻接地故障暫態(tài)等效電路

根據(jù)等效電路圖列出電路微分方程，求得其特征根為

根據(jù)故障接地等效電阻R的值（即3倍的Rf），將HIF分為欠阻尼、臨界阻尼以及過(guò)阻尼這3種情況。

1）欠阻尼

當(dāng)

此時(shí)，特征根為兩個(gè)負(fù)數(shù)，流過(guò)故障點(diǎn)電流為

從流過(guò)故障點(diǎn)電流可以看出，過(guò)阻尼時(shí) if主要成分為帶衰減的直流分量和工頻電流，Rf增大時(shí)，其工頻分量電流幅值減小，暫態(tài)直流分量的衰減因子減小。

2）欠阻尼

當(dāng)

此時(shí)特征根是一對(duì)共軛復(fù)根，實(shí)部均為負(fù)數(shù)，此時(shí)流過(guò)故障點(diǎn)的電流為

從故障點(diǎn)電流可以看出，欠阻尼時(shí)故 if為振蕩性質(zhì)，Rf增大導(dǎo)致振蕩頻率增大，同時(shí)B值降低，A1、A2絕對(duì)值也降低。因此Rf增大時(shí)，其工頻分量電流幅值減小，主諧振分量的幅值也減小，衰減因子減少。

2 國(guó)外關(guān)于配電網(wǎng)高阻接地保護(hù)研究

美國(guó)的德克薩斯農(nóng)機(jī)大學(xué)最早開(kāi)始了HIF的研究，在11年內(nèi)一共進(jìn)行了200次的HIF試驗(yàn)[7]，只有35次能被常規(guī)線(xiàn)路保護(hù)所排除，可以看出常規(guī)保護(hù)無(wú)法有效地對(duì)HIF進(jìn)行辨別。

由于不同接地介質(zhì)等效電阻不一樣，所以故障電流也就不一樣。波蘭學(xué)者在12.5kV網(wǎng)絡(luò)上對(duì)不同接地介質(zhì)進(jìn)行短路測(cè)試，得到故障電流大小在 0～75A間，其結(jié)果見(jiàn)表1[8]。

表1 12.5 kV高阻接地故障典型電流值

從上述實(shí)驗(yàn)?zāi)芸闯鯤IF時(shí)故障電流較小，通過(guò)傳統(tǒng)線(xiàn)路保護(hù)很難對(duì)HIF進(jìn)行辨識(shí)?；趩蜗嘟拥氐墓收舷喾烹娚闪烁叽沃C波，相應(yīng)地在Rf上生成分壓，故障相的相電壓上也相應(yīng)產(chǎn)生了高次諧波這一基本原理，國(guó)外學(xué)者提出了以下諧波算法。

2.1 3次諧波算法

由仿真可知，在發(fā)生HIF時(shí)3次諧波的向量值的變化是惟一的并且可預(yù)測(cè)的，因此使得3次諧波可作為檢測(cè)HIF的可靠參數(shù)。文獻(xiàn)[9]中基于對(duì)諧波向量的變化進(jìn)行測(cè)量，而不僅僅是對(duì)諧波幅值和相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，其中諧波的相位角的測(cè)量是相對(duì)于系統(tǒng)電壓，這是由于故障電流諧波是系統(tǒng)電壓的函數(shù)，而不是系統(tǒng)負(fù)載電流的函數(shù)。環(huán)境等引起的3次諧波變化可能大于HIF引起的3次諧波故障，因此在3次算法判定法中考慮到其他原因產(chǎn)生的諧波和故障產(chǎn)生的諧波差異，提高了故障選線(xiàn)的準(zhǔn)確度。

2.2 偶次諧波算法

在電網(wǎng)中發(fā)生HIF時(shí)，大多會(huì)產(chǎn)生間歇性電弧現(xiàn)象，并且該電弧產(chǎn)生的故障電流波形在每個(gè)周期中均會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的形狀。根據(jù)這一現(xiàn)象，基于故障電流歸一化偶次諧波功率變換的原理，可以根據(jù)偶次冪、偶次數(shù)比和偶次階增量方差準(zhǔn)則進(jìn)行故障檢測(cè)。文獻(xiàn)[10]中，對(duì)這 3種方法在HIF和正常開(kāi)關(guān)事件時(shí)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)了偶數(shù)階增量方差標(biāo)準(zhǔn)較其余兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可靠性較高。所以利用偶次階增量方差標(biāo)準(zhǔn)，將高阻抗故障與其余正常開(kāi)關(guān)事件區(qū)分開(kāi)。然而，不能由此指出偶次階增量方差準(zhǔn)則較其他兩種方法較好，因?yàn)楣收系男再|(zhì)和特性在不同系統(tǒng)中是廣泛地變換的。

2.3 基于卡爾曼濾波的方法

卡爾曼濾波算法基于將故障信號(hào)中基頻分量當(dāng)做有效成分，將故障中低次諧波、高次諧波及逐漸衰減的非周期分量當(dāng)做噪聲進(jìn)行處理，對(duì)信號(hào)不斷“預(yù)測(cè)-修正-運(yùn)算”，從而估算出最優(yōu)的 50Hz電流和電壓相量[11]。HIF由于故障電弧的原因，基波和諧波分量的變化是不固定的，文獻(xiàn)[12]中利用該特征，采用卡爾曼濾波算法獲得基波變量和諧波變量隨時(shí)間變化的估計(jì)值，能夠有效地檢測(cè)出HIF。

上述基于諧波的線(xiàn)路故障檢測(cè)方法主要利用頻域故障特征，準(zhǔn)確性受系統(tǒng)中的各次諧波含量的影響，HIF系統(tǒng)中的電壓電流諧波由于故障類(lèi)型繁多相差甚大，較難給出一固定的閾值。

3 國(guó)內(nèi)關(guān)于配電網(wǎng)高阻接地保護(hù)研究

3.1 小電阻接地系統(tǒng)高阻接地保護(hù)研究現(xiàn)狀

小電阻接地系統(tǒng)的單相接地故障保護(hù)，我國(guó)配電網(wǎng)一般采用階段式零序過(guò)流保護(hù)和零序功率方向保護(hù)，中性點(diǎn)一般通過(guò)小于 60Ω的電阻接地，使得接地電流在100～1000A[5]。對(duì)于10kV的配電系統(tǒng)，按零序電流的整定值為60A計(jì)算[13]，此時(shí)系統(tǒng)能檢測(cè)出的最大接地故障電阻為 86.2Ω，即故障電阻超過(guò) 86.2Ω時(shí)，保護(hù)將會(huì)拒動(dòng)，當(dāng)發(fā)生在線(xiàn)路末端故障時(shí)，能檢測(cè)出的故障電阻將更小。

針對(duì)小電阻接地系統(tǒng)能檢測(cè)到的故障電阻較低，文獻(xiàn)[14]提出了采用高精度的零序電流互感器；參考我國(guó)現(xiàn)階段小電流接地方式下采用線(xiàn)路暫態(tài)量信息進(jìn)行選線(xiàn)的技術(shù)；利用變電站各種模擬量和開(kāi)關(guān)信息量等方法來(lái)提高小電阻接地系統(tǒng)的耐高阻能力。文獻(xiàn)[15]根據(jù)線(xiàn)路零序電壓與零序電流、接地故障電阻Rf成正比這一基本原理，提出了電壓制動(dòng)型零序電流保護(hù)裝置，保證了1000Ω左右的HIF可靠性動(dòng)作。但對(duì)更高的故障電阻卻很難達(dá)到理想的效果。

3.2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)高阻接地保護(hù)研究現(xiàn)狀

1）希爾伯特-黃變換

希爾伯特-黃變換主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和Hilbert譜分析這兩部分。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）是基于傅里葉變換的分解法，將其分解成為有限個(gè)本征模函數(shù)（IMF），它在處理一些非線(xiàn)性信號(hào)上具有很高的信噪比，并且具有較強(qiáng)自適應(yīng)性。文獻(xiàn)[16]通過(guò)構(gòu)造中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真模型，得到不同故障點(diǎn)的零序電流數(shù)據(jù)樣本，利用 EMD對(duì)采集到的電流分解得到不同的IMF，采用區(qū)分度最大的IMF作為特征量，再與故障定位裝置計(jì)算得到的故障點(diǎn)IMF分量進(jìn)行相關(guān)性分析從而得出故障點(diǎn)。該方法較直接使用零序電流作為特征量的定位結(jié)果進(jìn)行了比較，定位精度在 100m以?xún)?nèi)，有著較高的定位精度。文獻(xiàn)[17]通過(guò)EMD分解得到代表高次諧波的固有模態(tài)函數(shù)，從而得到具有單調(diào)變換特性的“殘差”。通過(guò)殘差計(jì)算出接地故障的接地阻抗，從而計(jì)算出故障距離。文獻(xiàn)[18]考慮了電網(wǎng)中分布式電源的接入，基于故障相電流和非故障相電流總和大小相等這一基本特性，利用希爾伯特-黃變換提取出線(xiàn)路上的非工頻零序分量，再根據(jù)數(shù)字陷波器提取出的各電流的5次諧波分量。通過(guò)求取出的能量權(quán)重系數(shù)，選擇權(quán)重系數(shù)最大的線(xiàn)路，若其5次諧波分量極性與其他線(xiàn)路相反時(shí)，則判定該線(xiàn)路為 HIF，可實(shí)現(xiàn)最高500Ω的高阻故障選線(xiàn)。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法的的特征量暫態(tài)零序電流較易獲取，成本較低，有著很好的使用價(jià)值。

2）阻抗測(cè)距算法

阻抗測(cè)距算法目前普遍采用解微分方程算法，傳統(tǒng)解微分算法假設(shè)保護(hù)安裝處零序電流和故障處零序電流沒(méi)有相角差，從而將誤差放大了 3Rf倍。當(dāng)輸電線(xiàn)路發(fā)生低阻接地故障時(shí)Rf≈0，傳統(tǒng)的解微分算法誤差較小，可以滿(mǎn)足測(cè)距要求，并且該方法使用簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，受電網(wǎng)頻率的波動(dòng)影響較小。HIF時(shí)Rf較大，測(cè)距算法產(chǎn)生的誤差較大。文獻(xiàn)[19]基于傳統(tǒng)解微分算法，提出一種中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的改進(jìn)測(cè)距新算法，消除了傳統(tǒng)的解微分算法中Rf對(duì)測(cè)距結(jié)果所造成的影響，提高了測(cè)距精度，發(fā)生HIF時(shí)也有著較高的精確度。但該方法在求解過(guò)程中較為復(fù)雜，需要求解復(fù)雜的非線(xiàn)性方程組，并且較難消除偽根的影響。文獻(xiàn)[20]基于參數(shù)識(shí)別的阻抗測(cè)距算法，采用電感代替故障點(diǎn)后的線(xiàn)路，通過(guò)對(duì)故障測(cè)距方程的準(zhǔn)確推導(dǎo)，提出了一種具有3個(gè)未知數(shù)的解方程測(cè)距算法。該算法在線(xiàn)路末端故障時(shí)測(cè)距尤其準(zhǔn)確，并且不存在超越問(wèn)題，但該方法僅適用于中、短距離的輸電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[21]中采用正序和零序網(wǎng)絡(luò)阻抗兩種解微分方程算法進(jìn)行同時(shí)測(cè)距，達(dá)到了消除偽根的辦法，為阻抗測(cè)距定位算法提供一種新思路。文獻(xiàn)[22]通過(guò)零序網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了分布參數(shù)模型，將帶有零序特征量和故障點(diǎn)距離的雙曲函數(shù)Taylor展開(kāi)為低階的方程。使用最小二乘法消除線(xiàn)路分布參數(shù)的影響，得到的測(cè)距結(jié)果有著較高的精度，并且消除了過(guò)渡電阻的影響。但由于HIF時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流微弱，并且故障電弧不穩(wěn)定，較難采集到穩(wěn)定的信號(hào)，故阻抗測(cè)距法在實(shí)際應(yīng)用中較為困難。

3）小波變換法

小波變換是窗口大小不變但形狀可以更改的時(shí)域局部變換，能對(duì)不同頻率成分采用精細(xì)的采樣步長(zhǎng)，針對(duì)信號(hào)任意細(xì)節(jié)，能夠檢測(cè)出奇異點(diǎn)[23]。文獻(xiàn)[24]根據(jù)小波變換，利用故障相電流和零序電流經(jīng)過(guò)小波變換后得到的模極大值的極性、位置以及個(gè)數(shù)的比較形成判定的第一種依據(jù)。再采用最小二乘法提取故障后首個(gè)周期的暫態(tài)諧波分量，計(jì)算各諧波之和同基波的比值從而能夠?qū)崿F(xiàn)HIF選線(xiàn)。文獻(xiàn)[25]基于故障線(xiàn)路和非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流幅值之和相同這一基本原理，通過(guò)濾波器獲取信號(hào)的低頻分量和高頻分量，計(jì)算各線(xiàn)路的小波能量，從而放大故障特性。設(shè)定合理的閾值，將高頻分量的的能量和閾值進(jìn)行比較，若高頻能量大于閾值，則判定為故障時(shí)刻發(fā)生在電壓過(guò)峰值附近，則采用高頻能量進(jìn)行判定；若高頻能量小于閾值，則判定為故障時(shí)刻為電壓過(guò)零點(diǎn)附近，則應(yīng)當(dāng)采用低頻能量進(jìn)行判定。選取小波能量最大的線(xiàn)路和其余線(xiàn)路進(jìn)行比較，若該線(xiàn)路能量大于其余所有線(xiàn)路能量和，則判定為該線(xiàn)路故障，反之則為母線(xiàn)故障。該方法在EMTP仿真軟件下可以對(duì)不同故障時(shí)刻、消弧線(xiàn)圈不同補(bǔ)償度、低阻、HIF下能夠準(zhǔn)確選線(xiàn)。由于小波變換的特性，智能選取固定小波基和分解尺度，只能達(dá)到局部的效果，不具備自適應(yīng)信號(hào)分析能力，并且目前對(duì)小波基的選取尚無(wú)確切的準(zhǔn)則。

4）行波法

行波法主要包括單端法和雙端法，如今配網(wǎng)中分支點(diǎn)較多，所以雙端法在實(shí)際中較少應(yīng)用。單端注入法就是在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)線(xiàn)路初始端注入檢測(cè)信號(hào)，文獻(xiàn)[26]基于故障發(fā)生點(diǎn)距離和行波傳遞時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系這一理論依據(jù)，通過(guò)三相同時(shí)注入脈沖信號(hào)來(lái)檢測(cè)行波的突變量，消除配網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)由于三相不平衡而造成的定位誤差，再通過(guò)使用高頻分量返回首端的時(shí)間進(jìn)行故障點(diǎn)定位。其中行波到達(dá)的時(shí)間和波速度的選取是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，采用小波變換法或者閾值法進(jìn)行行波的判別，在接地電阻小于10kΩ的情況下有著較高的定位精度。行波法在使用過(guò)程中受系統(tǒng)參數(shù)、線(xiàn)路不對(duì)稱(chēng)性以及系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素影響較小，并且無(wú)需巡線(xiàn)，有著較快的定位速度[27]。但在實(shí)際線(xiàn)路中，由于電纜與架空線(xiàn)路的混合使用，電纜區(qū)段的線(xiàn)路參數(shù)隨著頻率的變化較架空線(xiàn)路大使得行波的波頭產(chǎn)生了較大的畸變以及電纜與架空線(xiàn)路連接處的波阻抗不連續(xù)所造成的行波在傳輸過(guò)程中發(fā)生了反射[28]，導(dǎo)線(xiàn)阻抗引起損耗、導(dǎo)線(xiàn)對(duì)地電導(dǎo)造成的損耗、電暈造成的損耗等原因會(huì)導(dǎo)致行波在線(xiàn)路傳播過(guò)程中造成損耗和變形，上述眾多因素導(dǎo)致了行波波頭識(shí)別困難。此外，由于注入脈沖信號(hào)寬度存造成一定的近區(qū)定位死區(qū)，并且噪聲的存在會(huì)影響到高頻返回信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的判別，從而影響測(cè)距精度，所以使用行波法進(jìn)行HIF的定位還有較多問(wèn)題尚待解決。

3.3 諧振接地系統(tǒng)高阻接地保護(hù)研究現(xiàn)狀

1）注入法

文獻(xiàn)[29]基于注入信號(hào)法的控制與保護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)往消弧線(xiàn)圈互感器注入零序恒流信號(hào)，測(cè)量其諧振頻率，計(jì)算線(xiàn)路對(duì)地電容電流。由于HIF中性點(diǎn)電壓偏移較小，通過(guò)從零序電壓互感器注入諧振信號(hào)，計(jì)算Rf，對(duì)HIF進(jìn)行辨別。若為HIF，則比較位移電壓和故障相電壓的大小。若位移電壓小于故障相電壓，則將諧振頻率恒流信號(hào)通過(guò)消弧線(xiàn)圈電壓互感器向系統(tǒng)注入；若位移電壓大于故障相電壓，則將諧振頻率恒流信號(hào)通過(guò)故障相電壓互感器注入，觀(guān)察各出線(xiàn)的零序信號(hào)功角、阻尼率。根據(jù)HIF線(xiàn)路阻尼率顯著增大這一基本原理，從而達(dá)到選線(xiàn)的目的。但 TV容量大小會(huì)對(duì)注入法影響較大，故障點(diǎn)發(fā)生間歇性電弧會(huì)導(dǎo)致注入的信號(hào)在線(xiàn)路中斷斷續(xù)續(xù)，對(duì)結(jié)果造成影響[30]。另外，采用注入法還需要額外注入信號(hào)以及專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)設(shè)備[31]。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

HIF特征較不明顯，為提高選線(xiàn)正確率，也有部分方法引入人工智能的方法融合多種特征量進(jìn)行選線(xiàn)，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法最為成熟，該方法通過(guò)樣本訓(xùn)練得到可區(qū)分高阻接地故障和正常運(yùn)行狀態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到 HIF檢測(cè)的目的。文獻(xiàn)[32]通過(guò)采樣故障發(fā)生時(shí)刻后3個(gè)周波的三相電流以及零序電流，經(jīng)過(guò)小波變換后計(jì)算各個(gè)頻帶的標(biāo)準(zhǔn)差（STD）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入樣本，從而達(dá)到故障選線(xiàn)的目的。文獻(xiàn)[33]在諧振接地系統(tǒng)中，通過(guò)采取故障前 1/4周期的暫態(tài)零序電流信號(hào)和故障后 3/4周期的暫態(tài)零序電流信號(hào)，經(jīng)過(guò) EMD分解后得到的特征固有模態(tài)量作為輸入樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)故障選線(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法缺點(diǎn)是，只有采用大量樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)準(zhǔn)確性才較高。然而在實(shí)際應(yīng)用中，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本的數(shù)目是十分有限的，且樣本的選取沒(méi)有確定標(biāo)準(zhǔn)。

3）暫態(tài)電流投影法

目前配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)一般無(wú)法獲取三相電壓或零序電壓，只能獲取線(xiàn)路上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流信號(hào)，并且FTU的時(shí)間誤差在10ms左右?；谏鲜龉收蠀^(qū)段定位的限制，文獻(xiàn)[34]提出一種通過(guò)計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流在母線(xiàn)暫態(tài)電壓上投影的方法進(jìn)行故障區(qū)段定位。基于同步測(cè)量單元將零序電壓、零序電流帶上時(shí)間標(biāo)簽，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給主站，為接地故障定位提供了新思路。根據(jù)母線(xiàn)電壓和故障點(diǎn)下游檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流正交與故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)電流成正比這一基本原理，將故障線(xiàn)路上各檢測(cè)點(diǎn)最大特征值的一半設(shè)為閾值。計(jì)算各檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流在暫態(tài)電壓上的投影分量特征值，當(dāng)相鄰檢測(cè)點(diǎn)的投影分量特征值差大于閾值，判定故障區(qū)段為這兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間；若所有檢測(cè)點(diǎn)投影分量特征值小于該閾值，判定為最末端檢測(cè)點(diǎn)之后為故障區(qū)段。該方法能采集到豐富的故障信息資源，不受線(xiàn)路類(lèi)型以及過(guò)渡電阻的影響，計(jì)算量小，能夠在短時(shí)間內(nèi)選出故障區(qū)段。但由于電網(wǎng)關(guān)于TV/TA的極性安裝方面沒(méi)有明確的要求，使得實(shí)際配網(wǎng)中TV/TA出現(xiàn)大量極性反接的現(xiàn)象，因此在暫態(tài)電流極性特性的使用上還存在著一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題[35]。

4 結(jié)論

一些正常的電網(wǎng)操作例如負(fù)荷的變動(dòng)會(huì)使得電流發(fā)生波動(dòng)；并聯(lián)電容器會(huì)使得電流中諧波含量發(fā)生很大的變化；整流器等電力電子元件會(huì)在線(xiàn)路上產(chǎn)生偶次諧波等。如何正確地辨別HIF和上述電網(wǎng)操作也是具有一定的難度。同時(shí)，利用線(xiàn)路上的檢測(cè)點(diǎn)對(duì)各線(xiàn)路進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮到線(xiàn)路上各檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)定以及相應(yīng)的維修費(fèi)用[36]。在實(shí)際HIF檢測(cè)中，應(yīng)當(dāng)考慮到理論與實(shí)際應(yīng)用的相結(jié)合，對(duì)HIF產(chǎn)生原因以及故障的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，特別是實(shí)際工程中弧光接地對(duì)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性的影響。

在上述提出的方法中，由于HIF信號(hào)微弱，并且受到HIF類(lèi)型種類(lèi)繁多、線(xiàn)路運(yùn)行方式、線(xiàn)路周?chē)h(huán)境等因素的影響，并沒(méi)有一種方法可以 100%準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障。其次，對(duì)接地故障微弱信息的采集是故障檢測(cè)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，通過(guò)引進(jìn)一些現(xiàn)代信號(hào)處理新技術(shù)如S變換、希爾伯特—黃變換、卡爾曼濾波、Prony算法、小波分析等，可以提高對(duì)采集到的HIF信息提取能力[37]。最后，由于各種選線(xiàn)定位方法選用的特征量不同，故其都有各自的使用范圍以及一定的定位死區(qū)[38]。通過(guò)深入研究每種故障檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇具有優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)的幾種方案，采用多判據(jù)融合技術(shù)可以提高HIF選線(xiàn)定位的準(zhǔn)確率[39]?？紤]到實(shí)際線(xiàn)路小電阻接地方式不斷擴(kuò)張、分布式電源不斷接入、架空線(xiàn)路與電纜線(xiàn)路混合使用、線(xiàn)路中電流互感器 TA極性接反等各方面問(wèn)題，HIF檢測(cè)應(yīng)當(dāng)綜合考慮的問(wèn)題越來(lái)越多，需對(duì)各個(gè)方面的影響展開(kāi)研究。

[1] 徐丙垠, 薛永端, 李天友, 等. 小電流接地故障選線(xiàn)技術(shù)綜述[J]. 電力設(shè)備, 2005, 6(4)： 1-7.

[2] 朱瑞. 基于特征諧波和注入行波的配電網(wǎng)高阻接地故障檢測(cè)研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱理工大學(xué), 2016.

[3] 李景祿, 周羽生. 關(guān)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的探討[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2004, 24(8)： 85-86, 94.

[4] 陳承, 李春明, 閆旭. 輸電線(xiàn)路高阻接地故障的建模研究[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(9)： 32-35, 40.

[5] 毛柳明, 周恒逸. 10kV配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障特性研究[J]. 湖南電力, 2012, 32(1)： 20-23.

[6] 薛永端, 李娟, 徐丙垠. 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)等值電路及暫態(tài)分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(22)： 5703-5714.

[7] Russell B D, Aucoin B M, Talley T J. Detection of arcing faults on distribution feeders, Texas A&M University, EPRI Final Report EL-2767[R]. 1982.

[8] 崔韜. 配電線(xiàn)路高阻接地故障檢測(cè)技術(shù)的研究[D].北京： 清華大學(xué), 2009.

[9] Jeerings D I, Linders J R. Unique aspects of distribution system harmonics due to high impedance ground faults[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1990,5(2)： 1086-1094.

[10] Kwon W H, Lee G W, Park Y M. High impedance fault detection utilizing incremental variance of normalized even order harmonic power[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1991, 6(2)： 557-564.

[11] 束洪春. 電力工程信號(hào)處理應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2009.

[12] Girgis A A, Chang W, Makram E B. Analysis of high-impedance fault generated signals using a Kalman filtering approach[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1990, 5(4)： 1714-1724.

[13] 劉育權(quán), 蔡燕春, 鄧國(guó)豪, 等. 小電阻接地方式配電系統(tǒng)的運(yùn)行與保護(hù)[J]. 供用電, 2015, 32(6)： 30-35.

[14] 許慶強(qiáng), 許揚(yáng), 周棟驥, 等. 小電阻接地配電網(wǎng)線(xiàn)路保護(hù)單相高阻接地分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010,34(9)： 91-94.

[15] 薛永端, 劉珊, 王艷松, 等. 基于零序電壓比率制動(dòng)的小電阻接地系統(tǒng)接地保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016, 40(16)： 112-117.

[16] 王時(shí)勝, 吳麗娜, 郭格. 基于 EMD分解及相關(guān)分析法的配電網(wǎng)高阻接地故障定位[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版), 2015, 37(2)： 180-184.

[17] 劉興茂, 何正友. 基于希爾伯特一黃變換的輸電線(xiàn)路距離保護(hù)方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013, 37(2)：108-112.

[18] 金濤, 褚福亮. 基于暫態(tài)非工頻零序電流的含DG新型配電網(wǎng)的接地選線(xiàn)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015,30(17)： 96-105.

[19] 李欣唐, 員志皓, 孟昭勇. 一種適于高阻接地短路的故障測(cè)距新算法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2000, 20(4)：15-18.

[20] 索南加樂(lè), 王增超, 張健康, 等. 基于參數(shù)識(shí)別的高阻接地距離保護(hù)算法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011,31(31)： 173-178.

[21] 胡帆, 劉沛, 程時(shí)杰. 高壓輸電線(xiàn)路故障測(cè)距算法仿真研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1995, 15(1)： 67-72.[22] 梁睿, 楊學(xué)君, 薛雪, 等. 零序分布參數(shù)的單相接地故障精確定位研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12)：472-479.

[23] 趙海青, 李順寧. 基于小波變換的單相高阻接地故障選相元件研究[J]. 電力與電工, 2011, 31(2)： 8-11.[24] 陳佳佳, 邰能靈, 林韓, 等. 利用單端暫態(tài)量檢測(cè)單相高阻接地故障的新方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007, 31(9)： 56-60.

[25] 吳樂(lè)鵬, 黃純, 林達(dá)斌, 等. 基于暫態(tài)小波能量的小電流接地故障選線(xiàn)新方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備,2013, 33(5)： 70-75.

[26] 周聰聰, 舒勤, 韓曉言. 基于線(xiàn)模行波突變的配電網(wǎng)單相接地故障測(cè)距方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(7)：1973-1978.

[27] 戚宇林, 成艷, 楊以涵. 35kV 配電網(wǎng)單相接地故障綜合定位方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(10)： 38-42.

[28] 柬洪春, 孫濤. 電纜-架空線(xiàn)混合線(xiàn)路故障行波測(cè)距新方法[J]. 電力自動(dòng)化技術(shù), 2008, 28(10)： 1-7.

[29] 曾祥君, 尹項(xiàng)根, 于永源, 等. 基于注入變頻信號(hào)法的經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)控制與保護(hù)新方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2000, 20(1)： 29-33.

[30] 王曉衛(wèi), 張濤, 田書(shū), 等. 基于近似熵的小電流接地系統(tǒng)故障區(qū)段定位方法[J]. 中國(guó)電力, 2012, 45(3)：1-6.

[31] 劉鵬輝, 黃純. 基于動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離的小電流接地故障區(qū)段定位方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(3)：952-957.

[32] 葉倩. 配電網(wǎng)高阻故障檢測(cè)方法研究[J]. 大科技,2015(15)： 56-57.

[33] 李震球, 王時(shí)勝, 吳麗娜. 一種諧振接地系統(tǒng)電弧高阻接地故障選線(xiàn)新方法及仿真[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(17)： 44-49.

[34] 陳筱薷, 薛永端, 王超, 等. 基于同步量測(cè)的諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障區(qū)段暫態(tài)定位[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(22)： 93-99.

[35] 薛永端, 張秋風(fēng), 顏廷純, 等. 綜合暫態(tài)與工頻信息的諧振接地系統(tǒng)小電流接地故障選線(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2014, 38(24)： 80-85.

[36] 葛乃成, 劉艷敏, 倪臘琴. 電力系統(tǒng)高阻接地故障保護(hù)綜述[J]. 華東電力, 2011, 39(5)： 753-756.

[37] 唐金銳, 尹項(xiàng)根, 張哲, 等. 配電網(wǎng)故障自動(dòng)定位技術(shù)研究綜述[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013, 33(5)： 7-13.

[38] 柳瑾, 阮玉斌, 金濤, 等. 基于模糊理論的配電網(wǎng)多判據(jù)融合故障選線(xiàn)方法研究[J]. 電氣技術(shù), 2016,17(10)： 23-30.

[39] 牛云濤, 李華, 宋志宏, 等. 諧振接地系統(tǒng)多判據(jù)多周期信息融合故障選線(xiàn)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015, 30(S1)： 512-517.

The Review of High Impedance Fault Detecting Technology of Distribution Network

Zhan Qifan1Li Tianyou2Cai Jinding1
(1. School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116；2. State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350003)

The current variation of distribution network is small when high impedance fault happens, which makes fault detection a difficulty. In this paper, transient and steady state properties of lines in high impedance fault were expounded, the fault line selection and fault location technology of small resistance grounding system, neutral ungrounded system, and resonant grounded system were introduced, including their advantages and disadvantages. A variety of ways working together may raise the reliability, sensitivity and economy of fault detection.

small resistance grounding system; neutral ungrounded system; resonant grounded system; high impedance fault; fault line selection; fault location

詹啟帆（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障檢測(cè)技術(shù)。