配電網(wǎng)小電流接地方式下故障定位技術(shù)研究綜述*

王東芳，陶飛達(dá)，黃智鵬，朱 宵，李桂昌

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司河源供電局，廣東河源 517000；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510670）

0 引言

小電流接地系統(tǒng)有中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高阻抗接地3種方式[1]。在我國建國初期，效仿蘇聯(lián)在配網(wǎng)中主要采用的是中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地方式；緊隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的優(yōu)勢得以凸顯，部分中性點(diǎn)不接地方式漸漸被取代；而近年來隨著電纜在配電網(wǎng)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的運(yùn)行方式也逐漸被推廣[2-3]。但目前我國配電網(wǎng)中仍以不接地和經(jīng)消弧線圈接地方式的應(yīng)用最為普遍。

配電網(wǎng)中最常見的故障是單相接地故障，而小電流接地方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是：當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍可帶電運(yùn)行1～2 h，基本不影響對用戶的持續(xù)供電。但是若接地故障未被及時(shí)排除，長時(shí)間在故障狀態(tài)下繼續(xù)帶電運(yùn)行會造成故障事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大，即可能由單相接地故障演變?yōu)橄嚅g短路故障，引發(fā)電力安全事故[4]。因此，研究配電網(wǎng)故障技術(shù)以快速定位故障發(fā)生點(diǎn)，對配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行意義重大。

故障定位廣義來說包含了兩方面，即故障選線和故障點(diǎn)精確定位。多年來，國內(nèi)外學(xué)者針對故障選線和故障點(diǎn)精確定位做了很多研究，取得了很多成果，然而小電流接地方式下的故障定位仍存在準(zhǔn)確率不理想的問題[5]。本文圍繞配電網(wǎng)小電流接地方式下的故障定位技術(shù)作了詳細(xì)的分類、歸納以及全方位比較，并闡述了目前配電網(wǎng)中故障指示器的應(yīng)用情況，最后對提高故障定位準(zhǔn)確率的技術(shù)思路以及該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢作出了展望。

1 配電網(wǎng)故障定位現(xiàn)狀及難點(diǎn)

在配電網(wǎng)中，故障定位技術(shù)的發(fā)展更多是在理論層面，轉(zhuǎn)化為實(shí)用產(chǎn)品的并不多，目前在配電網(wǎng)中應(yīng)用較多的產(chǎn)品是各種類型故障指示器。然而，這些故障指示器也存在一定的局限性，僅能做到故障線路的區(qū)段定位，仍舊避免不了人工巡線查找故障點(diǎn)位置[6]。參考文獻(xiàn)[7]對目前配電網(wǎng)故障定位技術(shù)實(shí)用化的進(jìn)程中存在的主要問題作如下歸納：

（1）配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且線路分支眾多，適用于結(jié)構(gòu)簡單的輸電網(wǎng)上的故障定位技術(shù)，應(yīng)用到配電網(wǎng)中，達(dá)不到準(zhǔn)確定位的效果；

（2）配電網(wǎng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也給故障研判裝置測量點(diǎn)的選取帶來困擾，測量點(diǎn)選取過少，無法依靠僅有的線路信息進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位，測量點(diǎn)選取過多，線路投入成本太高，缺乏經(jīng)濟(jì)效益；

（3）目前配網(wǎng)的自動(dòng)化水平不高，對線路信息采集和監(jiān)測的信息數(shù)據(jù)有限，給故障的精準(zhǔn)定位造成困難；

（4）配電網(wǎng)直接面向用戶，用戶類型、負(fù)荷情況復(fù)雜多變，不確定因素太多，增加了故障誤判的幾率；

（5）隨著分布式能源的大量接入，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和潮流分布愈發(fā)復(fù)雜，有許多意想不到的情況會對故障的判別造成嚴(yán)重干擾；

（6）當(dāng)前一些故障采用的算法都是經(jīng)過簡化或僅適用某些特定條件下的，在實(shí)際配網(wǎng)線路復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用效果并不理想。

2 小電流接地系統(tǒng)故障定位方法

下面對當(dāng)前針對小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障所采用的主要定位方法分別進(jìn)行介紹。

2.1 阻抗法

阻抗法的理論基礎(chǔ)是基于故障情況下的故障回路的阻抗與故障點(diǎn)和測量點(diǎn)之間的距離存在正比關(guān)系，計(jì)算出故障回路的阻抗值，根據(jù)阻抗值和線路的單位阻抗值間接計(jì)算出測量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障定位[8]。

該方法原理和需要安裝的設(shè)備簡單，成本較低，可靠性較高，因而在輸電網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用。但是阻抗法的測距精度較低，且受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過渡電阻等因素的影響很大，尤其是對于距離短、分支多的配電線路，此法的誤差已不能滿足實(shí)用性的要求[9]，因此用阻抗法進(jìn)行故障定位僅在線路結(jié)構(gòu)簡單的配電網(wǎng)中適用。

2.2 信號注入法

信號注入法的基本原理是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，利用信號注入裝置經(jīng)電壓互感器向線路注入一個(gè)特定頻率的信號，通過檢測注入信號來實(shí)現(xiàn)故障選線和故障定位[10]。注入的信號在故障線路的接地點(diǎn)注入大地，用專用的信號探測裝置對每條線路進(jìn)行探測，有注入信號的即為故障線路。選出故障線路后，采用手持檢測裝置利用二分法沿線路查找出故障點(diǎn)位置。雖然這種方式在一定程度上減輕了故障后的巡線任務(wù)，但仍不可避免的要進(jìn)行人工巡線。

信號注入法不受消弧線圈的影響，實(shí)施起來簡單，實(shí)用性強(qiáng)。但是注入信號的強(qiáng)度受電壓互感器容量的限制，因此注入的信號不可以太強(qiáng)，然而也不能太弱，否則當(dāng)出現(xiàn)高阻接地的線路故障時(shí)，由于線路分布電容、消弧線圈對信號的分流影響，導(dǎo)致信號檢測難度加大，進(jìn)而對高阻接地的情況無法有效判別[11]。

2.3 零序電流比較法

根據(jù)故障發(fā)生后，檢測裝置檢測到故障點(diǎn)上、下游的零序電流在幅值和方向上不同，可以將零序電流比較法分為幅值比較法和相位比較法來進(jìn)行故障定位[12]。

零序電流比較法方法簡單易實(shí)現(xiàn)，投資成本低，不過僅適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線接地的情況并不適用。

目前很多研究著眼于暫態(tài)零序電流比較法，由于暫態(tài)零序電流幅值遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)零序電流，它可以不受中性點(diǎn)接地方式的影響[13]，原理和穩(wěn)態(tài)零序電流比較法相似，只需將比較的穩(wěn)態(tài)零序電流替換為暫態(tài)零序電流。暫態(tài)零序電流比較法的難點(diǎn)在于故障發(fā)生時(shí)刻對暫態(tài)零序電流的精準(zhǔn)提取，隨著技術(shù)的發(fā)展，這一點(diǎn)也不再是難題，因而現(xiàn)在暫態(tài)電流比較法已被廣泛用到實(shí)際產(chǎn)品中去。

2.4 行波法

根據(jù)行波理論，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)的突變會導(dǎo)致暫態(tài)電壓和電流行波的產(chǎn)生，暫態(tài)行波信號以特定的速度向兩端傳播[14]，基于這一原理，行波法可通過對行波信號的檢測、分析、計(jì)算來實(shí)現(xiàn)故障定位。

行波法在結(jié)構(gòu)簡單的輸電線路上已有較多應(yīng)用，但對于配電網(wǎng)在應(yīng)用上卻存在較多困難。行波裝置往往價(jià)格高昂，而配電網(wǎng)線路支線眾多，為了保證定位的準(zhǔn)確性，分支線處均需安裝行波裝置，這樣就導(dǎo)致了線路成本大幅增加，因此行波法用于配網(wǎng)的案例現(xiàn)在并不多。

2.5 五次諧波法

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相線路的零序電流等于其他非故障相線路的零序電流之和，方向由線路指向母線。而在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，導(dǎo)致流經(jīng)接地點(diǎn)的零序電流被大大減小，無法采用零序電流比較法準(zhǔn)確判斷。但五次諧波含量不會被補(bǔ)償，因此可以利用五次諧波法進(jìn)行故障定位[15]。五次諧波法雖然能在一定程度上減弱消弧線圈的影響，但由于五次諧波幅值較小，在實(shí)際應(yīng)用中，諧波的提取和檢測難度較大，因而限制了五次諧波法在接地故障定位中的應(yīng)用。

2.6 智能化算法

如今計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得智能化算法被越來越多的應(yīng)用到配電網(wǎng)故障定位中，遺傳算法、蟻群算法、小波分析、粗糙集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等為配電網(wǎng)故障定位的研究提供了多種可能性。

對于小電流接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流小，給故障特征信息的提取帶來了困難。引入智能化算法，可以很好地解決微弱特征信號的提取和判別上存在的困難。然而，基于智能化算法的故障定位方法多停留在理論、仿真的研究層面，轉(zhuǎn)化到實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用上的并不多。

3 故障指示器在小電流接地系統(tǒng)的應(yīng)用

故障指示器憑借較低的成本、簡單的安裝方式和不會對線路運(yùn)行產(chǎn)生影響等的特點(diǎn)在國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)都有較廣的應(yīng)用，尤其是近年來隨著電網(wǎng)自動(dòng)化水平的不斷提高，故障發(fā)生時(shí)能夠快速進(jìn)行故障自動(dòng)定位被配網(wǎng)運(yùn)行所重視，因而能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的故障指示器被大量用于配網(wǎng)建設(shè)與改造，因此了解故障指示器對故障定位的研究大有益處。

3.1 故障指示器的分類

依據(jù)短路和接地的故障類型一般將故障指示器分為接地型短路故障指示器、短路型故障指示器、接地及短路二合一型故障指示器3類。按照應(yīng)用對象又可分為架空線型、電纜型和面板型3類。按照通信方式可分為就地型和遠(yuǎn)傳型2類。按工作原理還可分為暫態(tài)特征型、外施信號型和暫態(tài)錄波型3類[16]。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，遠(yuǎn)傳型接地及短路二合一型越來越受到青睞。

3.2 故障指示器的應(yīng)用情況

由于配電網(wǎng)中架空線路由于其所處的環(huán)境復(fù)雜，尤其是在偏遠(yuǎn)山區(qū)，因樹障、雷擊、鳥害等導(dǎo)致線路故障頻發(fā)，因此適用于架空線路的故障指示器的應(yīng)用場合會更多。目前在配電網(wǎng)中應(yīng)用較廣泛的有兩種：外施信號型故障指示器和暫態(tài)錄波型故障指示器。

3.2.1 外施信號型遠(yuǎn)傳故障指示器

架空外施信號型遠(yuǎn)傳故障指示器的信號源裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測母線電壓和中性點(diǎn)電壓。在故障發(fā)生時(shí)，可檢測到零序電壓裝置啟動(dòng)與否的狀態(tài)，利用此時(shí)原邊短接，暫時(shí)不處于工作狀態(tài)的接地相PT向系統(tǒng)注入一個(gè)特征波信號，此特征波信號會沿著線路傳輸，一直到故障點(diǎn)位置接入短路回路（或接地回路），安裝的故障指示器收到信號后進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。值得注意，該信號在非故障相及非故障線路無法流通，僅在故障相線路、接地點(diǎn)和大地之間或短路點(diǎn)和短路相間形成通路[17]。

線路出現(xiàn)故障時(shí)，自故障點(diǎn)到信號注入點(diǎn)之間的所有故障指示器均發(fā)出告警信息，翻牌或閃光報(bào)警以及將告警信息遠(yuǎn)傳至主站；而故障點(diǎn)之后的故障指示器均不動(dòng)作，故以此來判斷故障線路區(qū)段，快速確定故障位置、查找具體故障點(diǎn)[18]。

外施信號型的故障指示器的安裝不會影響系統(tǒng)運(yùn)行，不增加一次設(shè)備，無需在線路上安裝零序電流互感器，容易實(shí)施，且其運(yùn)行不受消弧線圈的影響，可靠性高。但它對高阻接地故障的情況存在一定的缺點(diǎn)，注入的信號的強(qiáng)度被電壓互感器的容量所限制，當(dāng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，線路上的分布電容會分流注入信號，影響故障點(diǎn)定位[19]。對于間歇性接地故障，線路中注入的信號不連續(xù)，給檢測造成很大困難。

3.2.2 暫態(tài)錄波型故障指示器

暫態(tài)錄波型故障指示器的工作原理為：分別對三相電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)根據(jù)三相電流合成零序電流進(jìn)行故障位置的判定[20]。其依據(jù)的原理實(shí)質(zhì)是暫態(tài)零序電流比較法，捕捉故障發(fā)生時(shí)刻的零序電流，利用故障點(diǎn)前后零序電流的極性和大小的區(qū)別來實(shí)現(xiàn)故障的定位。傳統(tǒng)的暫態(tài)錄波型故障指示器，由于采樣頻率不夠、同步時(shí)間誤差高、啟動(dòng)方式不可靠、無法有效識別高阻接地故障等原因而導(dǎo)致漏判、誤判率較高，在實(shí)際運(yùn)行種的效果并不十分理想。但是隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型故障指示器憑借高精度的采樣和同步以及在故障研判算法的完善，使得包括高阻接地在內(nèi)的疑難故障判定的準(zhǔn)確率也不低于90%，正逐漸替代傳統(tǒng)的故障指示器。然而目前新型故障指示器相對于傳統(tǒng)故障指示器來說價(jià)格略高，使其在配網(wǎng)中的應(yīng)用受到一定的限制，但憑借其良好的應(yīng)用效果和技術(shù)成熟而帶來成本的降低，新型故障指示器必將被大量運(yùn)用在配電網(wǎng)故障定位層面中。

外施信號型和暫態(tài)錄波型障指示器均有著各自的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往依據(jù)各用電部門所轄的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置管理機(jī)制、自身地理環(huán)境等因素綜合考慮選用最適合故障指示器型號。

故障指示器在配電網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，縮短了停電時(shí)間，提高了供電可靠性，但是現(xiàn)有故障指示器只能實(shí)現(xiàn)區(qū)間故障定位，仍需電網(wǎng)工作人員現(xiàn)場巡線以排除故障。因此研制一種故障精確定位、減少巡線時(shí)間甚至無須現(xiàn)場巡線的裝置，對電網(wǎng)高效、可靠運(yùn)行意義重大，也是未來故障定位研究和發(fā)展的方向。

4 故障定位技術(shù)發(fā)展趨勢

為改善配電網(wǎng)故障定位技術(shù)中存在的理論成果向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化率不高、實(shí)用化產(chǎn)品類型匱乏、效果不理想的現(xiàn)狀，可以預(yù)見地加快智能故障精確定位的裝置開發(fā)與應(yīng)用、降低經(jīng)濟(jì)成本、提升產(chǎn)品效果，做到無需人工巡線即可準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，進(jìn)一步加深配電網(wǎng)自動(dòng)化、智能化程度是未來發(fā)展的必然趨勢；而要想實(shí)現(xiàn)這些，故障定位技術(shù)從單一走向融合將是今后發(fā)展的重點(diǎn)，具體的可以體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）判據(jù)的融合。單一的判據(jù)方法會造成較高的錯(cuò)判、漏判，采取多種定位方法的融合，采取多重判據(jù)綜合判斷，尤其是將暫態(tài)信號與穩(wěn)態(tài)信號結(jié)合起來、取長補(bǔ)短，將是研究熱點(diǎn)；暫態(tài)信號故障特征明顯、持續(xù)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)特征卻正好相反，兩者互補(bǔ)，有效增強(qiáng)故障選線定位的靈敏度和可靠性。

（2）產(chǎn)品的融合。故障指示器與安裝在線路的其他配電終端、智能化開關(guān)融合在一起，大力發(fā)展產(chǎn)品集約智能化提升設(shè)備利用率，減少線路的投入和運(yùn)維成本。

（3）系統(tǒng)的融合。故障指示器系統(tǒng)將與地理信息系統(tǒng)（GIS）、管理信息系統(tǒng)（MIS）、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等各自信息管理系統(tǒng)融合，除實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測、定位外，還可以采集線路拓?fù)鋮?shù)、繪制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)監(jiān)控；同時(shí)利用各個(gè)系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)，形成新的綜合數(shù)據(jù)庫，基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測和提前消缺以及故障后故障溯源和過程反演，全面提升運(yùn)維效率。

5 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)下的單相接地故障定位技術(shù)，在闡述了配電網(wǎng)故障診斷背景和難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了阻抗法、信號注入法、零序電流比較法、行波法、五次諧波法以及智能化算法，對比分析了各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍和實(shí)際應(yīng)用情況；同時(shí)，對配電網(wǎng)故障定位技術(shù)中應(yīng)用廣泛的2種故障指示器進(jìn)行了介紹，指出了在應(yīng)用中存在的問題，并預(yù)測了未來故障定位技術(shù)的發(fā)展趨勢，為小電流接地系統(tǒng)下故障定位技術(shù)的發(fā)展提供了參考的方向。