基于ΔI_PAM原理小電流接地選線保護(hù)的應(yīng)用研究

王 俊，羅嘉瑋，權(quán)憲軍，張 馳，王高海*，劉 林，馬長(zhǎng)武，張 適，馬看齊，劉曉涵，袁 超，張 鑫，曹學(xué)欽，羅雪柯

（1.重慶北碚供電公司，重慶 400700；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

我國(guó)高中壓配網(wǎng)線路總長(zhǎng)度約占整個(gè)電網(wǎng)線路總長(zhǎng)度的90%左右，而配網(wǎng)故障總數(shù)約占整個(gè)電網(wǎng)故障總數(shù)的70%以上，其中單相接地故障獨(dú)占配網(wǎng)故障總量的75%左右。所以，針對(duì)配網(wǎng)單相接地故障配置小電流接地選線保護(hù)設(shè)備，對(duì)配網(wǎng)供電可靠性與安全性有著至關(guān)重要的影響。

國(guó)內(nèi)外配網(wǎng)單相接地故障長(zhǎng)期存在著五大痛點(diǎn)：觸電傷亡、電氣火災(zāi)、過電壓、用戶停電和森林山火。特別是本世紀(jì)初以來，由多次單相接地故障引發(fā)的城市大范圍停電、大面積森林山火及人身傷亡的重特大事故，造成了嚴(yán)重的社會(huì)影響，已經(jīng)到了迫切需要得到改善和解決的程度。

因此，慘痛的事故案例呼喚業(yè)界必須高度重視，國(guó)內(nèi)兩大電網(wǎng)公司均相繼出臺(tái)了有關(guān)小電流接地故障選線方面的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，引導(dǎo)行業(yè)該專業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展路線。例如，國(guó)家電網(wǎng)有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q/GDW 10370-2016 配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》表明：?jiǎn)蜗嘟拥毓收峡梢赃B續(xù)運(yùn)行1 h～2 h的規(guī)則，已經(jīng)嚴(yán)重不適應(yīng)當(dāng)代配網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求了，應(yīng)當(dāng)就近快速隔離單相接地故障，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在新型電力系統(tǒng)和智能配網(wǎng)的大背景下，業(yè)界到了花大力氣解決這些歷史長(zhǎng)期痛點(diǎn)的時(shí)候了。

20 世紀(jì)50 年代末60 年代初我國(guó)第1 臺(tái)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置研制成功以來，小電流接地選線設(shè)備已經(jīng)走過了幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，期間毀譽(yù)參半，實(shí)際應(yīng)用效果一直都不太理想。分析小電流接地選線檢測(cè)與保護(hù)的難點(diǎn)，主要有幾個(gè)方面：1）單相接地故障復(fù)雜性：?jiǎn)蜗嘟拥毓收项愋陀薪饘傩?、高阻、變阻抗、弧光、間歇性、斷線和轉(zhuǎn)換性等，故障性質(zhì)有永久性、間歇性和瞬時(shí)性，因此具有相當(dāng)程度的故障復(fù)雜性；2）電容電流波形不穩(wěn)定性：?jiǎn)蜗嘟拥毓收铣３Ｊ情g歇性不穩(wěn)定弧光接地，電容電流波形非常不穩(wěn)定，諧波電流隨時(shí)在變化中；3）小特征信號(hào)提取困難：高阻接地故障一次側(cè)的電容電流本身就可能非常?。ㄐ〉?.2 A～0.5 A），導(dǎo)致TA 誤差很大（變差、角差）甚至無法傳變了；4）小信號(hào)測(cè)量精度問題：裝置本身測(cè)量精度低將無法準(zhǔn)確計(jì)算小信號(hào)故障量，尤其輸入裝置的二次電容電流在毫安級(jí)小信號(hào)故障量的情景，就更無法準(zhǔn)確檢測(cè)了；5）強(qiáng)干擾環(huán)境、信噪比?。汗ぷ鳝h(huán)境往往電磁干擾大、負(fù)荷電流不平衡等導(dǎo)致干擾零序電流與諧波電流都較大，小系統(tǒng)的接地線路零序電流和諧波電流大小甚至小于非接地線路對(duì)應(yīng)電流；6）隨機(jī)因素的影響：配電網(wǎng)運(yùn)行方式改變頻繁，母線電壓高低、負(fù)荷波動(dòng)，故障點(diǎn)和接地電阻的不確定，這些都會(huì)造成零序電流與諧波電流的不穩(wěn)定；7）選線保護(hù)原理因素：選線保護(hù)原理本身有缺陷或局限性，例如檢測(cè)精度問題、暫穩(wěn)態(tài)適應(yīng)問題等。

如今，隨著電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，以及一批電力工作者持之以恒致力于提高小電流接地選線準(zhǔn)確率的研究，新原理、新方法及產(chǎn)品陸續(xù)問世。如今積累的小電流接地選線原理已經(jīng)有很多種了，諸如有反映零序電壓的大小、反映電容電流的大小、反映電容電流的方向、反映零序電流有功分量、反映零序電流無功分量、反映零序電流突變量、反映接地故障電流暫態(tài)分量首半波、小波法、相不對(duì)稱法、注入信號(hào)法、中電阻法和群體比幅比相法等等，大體上可以歸納為：暫態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法、暫穩(wěn)態(tài)綜合法和主動(dòng)介入法等。因此，無論從小電流接地故障檢測(cè)技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用實(shí)踐，還是相關(guān)學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展進(jìn)步，各方面已經(jīng)為更好地解決小電流接地選線保護(hù)問題奠定了基礎(chǔ)。

在深入研究配網(wǎng)單相接地故障特征的基礎(chǔ)上，參閱有關(guān)小電流接地系統(tǒng)解決單相接地故障方面的專著、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、現(xiàn)狀分析、選線算法、仿真檢測(cè)、設(shè)計(jì)應(yīng)用和優(yōu)化措施的大量文獻(xiàn)后［1-31］，本文提出一種基于ΔI_PAM 三相電流突變量相不對(duì)稱原理的小電流接地選線保護(hù)新算法。應(yīng)用該算法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品多方面驗(yàn)證表明：該算法的選線準(zhǔn)確率和耐受高阻能力都達(dá)到了非常高的水平。

1 配網(wǎng)單相接地故障危害再認(rèn)識(shí)

在過去提到配網(wǎng)單相接地故障時(shí)，大家似乎都不以為然，往往認(rèn)為既然可以連續(xù)運(yùn)行2 h，表明其危害影響不大。其可能原因：一是似乎對(duì)設(shè)備造成的影響不明顯，二是似乎有限的故障影響范圍，三是似乎也沒有好的解決辦法。

而當(dāng)代配網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)相當(dāng)可觀的規(guī)模和水平，分布范圍廣、地理多樣性，特別是廣泛引入分布式清潔電源及新型電力電子設(shè)備等，單相接地故障造成的危害和影響早已不容小覷。

近年來，多起由單相接地故障所導(dǎo)致的觸電傷亡、重大火災(zāi)、大面積停電事故，已經(jīng)造成了重大的社會(huì)影響。尤其是隨著自媒體的發(fā)展，這些問題更是引發(fā)社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，同時(shí)也就要求盡快解決問題。配網(wǎng)單相接地故障引起的事故已經(jīng)不再是單純的局部性災(zāi)害，其演變成為社會(huì)性災(zāi)害也赫然進(jìn)入了人們的視野?！?009 年2 月7 日，黑色星期六”，澳大利亞維多利亞州電力線路故障引起森林大火，火災(zāi)共造成173 人死亡。為此澳大利亞維多利亞州投入7.5 億澳元開展森林電力線路故障火災(zāi)防治工作。“2020年3月30日，我國(guó)四川涼山州西昌3.30重大火災(zāi)”，參與火災(zāi)撲救有19人犧牲、3人受傷，這起山林火災(zāi)造成各類土地過火總面積3 047.780 5公頃，綜合計(jì)算受害森林面積791.6公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失9 731.12 萬元。該事件后四川電網(wǎng)將防山火列為了年度安全的頭等大事，常抓不懈。

據(jù)有關(guān)研究資料統(tǒng)計(jì)：歷年來配網(wǎng)故障中單相接地故障大約占故障總數(shù)的70%～90%，而短路故障大約占10%～30%。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)的短路故障中很大一部分在形成前有過短時(shí)單相接地故障，占比高達(dá)53%左右［33］。

上述研究和事實(shí)表明，配網(wǎng)單相接地故障占比極高、點(diǎn)多面廣，且危害影響難以預(yù)料，它不僅會(huì)造成局部性的事故，也可能在特定場(chǎng)景演變?yōu)楦鼑?yán)重的社會(huì)性災(zāi)害。因此，單相接地故障應(yīng)該被認(rèn)為是配網(wǎng)第一大危害性故障，要加大處理措施，防患未然。

2 基于ΔI_PAM 相不對(duì)稱原理的新算法

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)和選線保護(hù)問題，一直以來都是配電領(lǐng)域故障處理的難點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外均概莫能外。因此，業(yè)界也就有了廣泛共識(shí)的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)被稱為“世界性難題”的說法。

ΔI_PAM（ΔI_Phase Asymmetry Method）三相電流突變量相不對(duì)稱原理不同任何其它原理方案，它是利用單相接地故障引起三相電流突變量之間的相不對(duì)稱性為判據(jù)，也就是采用故障線路接地相流入的全網(wǎng)電容電流之和與該線路非接地相僅本相電容電流之間非常顯著的相不對(duì)稱特征，從理論上就規(guī)避了量度零序電量測(cè)量值大小精度的弊端，顯然其動(dòng)作性能的繼電特性更優(yōu)。

為了說明該原理，首先采用基于電路理論的電路分析方法，對(duì)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障前后相不對(duì)稱性進(jìn)行陳述分析。

在發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)于非故障線路三相電流和故障線路非接地相電流，各相電流突變量就是接地故障時(shí)對(duì)地電容電流，而故障線路接地相的接地點(diǎn)電流突變量實(shí)則就是全網(wǎng)對(duì)地電容電流之和［34］。

由圖1 分析，故障前各線路每相的相電流表達(dá)式如下：

圖1 小電流接地系統(tǒng)正常電路分析圖Fig.1 Circuit analysis diagram of small current grounding system under normal conditions

式（1）中，inp為某線路首端某相電流量；n為該線路的編號(hào)；p為A、B、C三相中任一相；inpC為某線路某相電容電流；inpL為某線路某相負(fù)荷電流；Cnp為某線路某相對(duì)地電容，并假設(shè)某線路每相對(duì)地電容均相等，即CnA=CnB=CnC=Cn；uN為中性點(diǎn)電壓，即中性點(diǎn)零序電壓；ep為電源某相電勢(shì)。

由圖2 分析，故障后線路L2的A 相金屬性接地故障為例，故障點(diǎn)A相電流表達(dá)式如下：

圖2 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電路分析圖Fig.2 Fault circuit analysis diagram of small current single-phase grounding system

式（2）中，uNf為故障后中性點(diǎn)電壓；if為單相接地故障點(diǎn)電流。

對(duì)于非故障線路、故障線路非故障相和故障點(diǎn)后的電流表達(dá)式如下：

式（3）中，p對(duì)于故障線路為非A相及故障點(diǎn)后A相，對(duì)于健全線路為A、B、C中任一相。

在故障前后，可以認(rèn)為線電壓保持不變狀態(tài)，且短時(shí)內(nèi)負(fù)荷電流由于線電壓依然對(duì)稱而認(rèn)為不變，則故障線路故障點(diǎn)前的故障相電流突變量表達(dá)式由式（2）和式（1）推導(dǎo)得公式如下：

在故障前后，健全線路、故障線路非故障相和故障點(diǎn)后的相電流突變量表達(dá)式同樣由式（3）和式（1）推導(dǎo)得公式如下：

由式（4）和式（5）分析易知，對(duì)健全線路、故障點(diǎn)后線路，有如下特征：同一條線路三相電流突變量為對(duì)地電容電流突變量，其幅值大小與波形基本一致，特征為相對(duì)稱性。而對(duì)故障點(diǎn)前線路，僅兩個(gè)健全相電流突變量基本相同，故障相電流突變量由于有故障點(diǎn)電流而明顯不同了，其特征為相不對(duì)稱性。

因此，由上述式（4）和式（5）的故障相和非故障相的相電流突變量計(jì)算表達(dá)式，就是基于三相電流突變量相不對(duì)稱原理的基本原理性公式。則基本原理電路解析圖，參見圖3所示。

圖3 相不對(duì)稱原理電路解析圖Fig.3 Circuit analysis diagram of the principle of phase asymmetry

基于上述基本原理和公式，如何簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、高效實(shí)用和工程化地解決應(yīng)用中實(shí)際選線保護(hù)算法，就有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。在啟動(dòng)元件快速捕捉到接地故障時(shí)刻后，本文提出一種基于相不對(duì)稱原理選線的新算法如下：

式（6）中，Δiset為相電流突變量最小定值，可整定范圍0.002Ie～1.000Ie，Ie為TA 二次額定電流；p為A、B、C 三相中任一相；k為采樣點(diǎn)；k1為不對(duì)稱系數(shù)1，描述采樣點(diǎn)k 相電流突變量最大值與最小值的不對(duì)稱度，典型值3.00；k2為不對(duì)稱系數(shù)2，描述采樣點(diǎn)k 相電流突變量最大值、中間值、最小值之間的不對(duì)稱度，典型值4.00；k3為不對(duì)稱系數(shù)3，描述采樣點(diǎn)k相電流突變量中間值與最小值的不對(duì)稱度，典型值1.50；max Δip(k)為暫態(tài)數(shù)據(jù)窗內(nèi)三相電流中采樣點(diǎn)k 周周突變量最大值；mid Δip(k)為暫態(tài)數(shù)據(jù)窗內(nèi)三相電流中采樣點(diǎn)k周周突變量中間值；min Δip(k)為暫態(tài)數(shù)據(jù)窗內(nèi)三相電流中采樣點(diǎn)k 周周突變量最小值；max Δip為暫態(tài)數(shù)據(jù)窗內(nèi)由突變量最大相篩選的周周突變量最大值；min Δip為暫態(tài)數(shù)據(jù)窗內(nèi)由突變量最小相篩選的周周突變量最大值。

在式（6）中，暫態(tài)數(shù)據(jù)窗內(nèi)各相電流突變量的采樣值周周突變量計(jì)算公式如下：

式（7）中，ip（k）為三相電流任一相k 點(diǎn)的采樣值；N 為一個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)；m為暫態(tài)數(shù)據(jù)窗的采樣點(diǎn)數(shù)，且m≤N，例如m=N/2。

因此，在啟動(dòng)元件準(zhǔn)確捕捉到單相接地故障時(shí)刻，且在設(shè)定的暫態(tài)數(shù)據(jù)窗采樣點(diǎn)內(nèi)，選取符合式（6）的前4 個(gè)判據(jù)公式的采樣點(diǎn)數(shù)超過設(shè)定的數(shù)量后，再結(jié)合式（6）最后一個(gè)判據(jù)公式，可在35 ms內(nèi)識(shí)別單相接地故障。同樣，該算法也可以用于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)窗計(jì)算識(shí)別單相接地故障情況。

新算法特點(diǎn)就是采用暫穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)窗和采樣值冗余選取算法，具有算法響應(yīng)迅速、動(dòng)作速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單和可靠性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。

由于實(shí)際的電力系統(tǒng)中，各種電氣設(shè)備特點(diǎn)、負(fù)荷影響、暫態(tài)過程和測(cè)量環(huán)節(jié)等因素都會(huì)造成影響，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須要充分考慮到這些因素。其中，主要的不利因素包括：負(fù)荷不對(duì)稱波動(dòng)、暫態(tài)諧波、電流互感器精度和產(chǎn)品低端測(cè)量精度等。

3 新算法試驗(yàn)驗(yàn)證情況

采用新算法研制的分布式小電流接地選線裝置，經(jīng)過了研制試驗(yàn)、10 kV配網(wǎng)真型試驗(yàn)、定型試驗(yàn)、行業(yè)資質(zhì)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與試掛和供貨的嚴(yán)格驗(yàn)證過程，證明了新算法具有非常滿意的效果。其中，嵌入式軟件產(chǎn)品作為模塊化功能單元，采用了鏡像端子設(shè)計(jì)技術(shù)，可以廣泛嵌入饋線終端與站所終端中。

研制產(chǎn)品經(jīng)過了10 kV真型試驗(yàn)驗(yàn)證，其模型為：無窮大電源經(jīng)110 kV/10 kV 降壓變壓器連接至10 kV母線，有中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地3種系統(tǒng)，母線有6條支路且均為單輻射結(jié)構(gòu)，有架空線路、電纜線路、架空與電纜混合線路幾種類型，可根據(jù)實(shí)際需求模擬系統(tǒng)電容電流，各支路共設(shè)置了首、中、末端24 個(gè)接地故障點(diǎn)和母線接地故障點(diǎn)，TA 變比300/5，主要試驗(yàn)類型有金屬性接地、高阻接地、間歇性弧光接地、穩(wěn)定性弧光接地等典型配電網(wǎng)接地故障。試驗(yàn)結(jié)果：在3種中性點(diǎn)接地方式下，金屬性接地、100 Ω～12 000 Ω高阻接地和弧光接地測(cè)試總選線準(zhǔn)確率高于99.7%。

分布式小電流接地選線裝置目前通過了開普實(shí)驗(yàn)室動(dòng)模仿真試驗(yàn)，主要關(guān)鍵性指標(biāo)結(jié)論如下：

1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

100 Ω～12 000 Ω高阻單相接地故障正確率100%，間歇性弧光單相接地故障正確率100%。

2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

100 Ω～12 000 Ω高阻單相接地故障正確率100%，間歇性弧光單相接地故障正確率100%。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線原理、技術(shù)現(xiàn)狀和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面的深入研究，以及對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障危害的再認(rèn)識(shí)，提出了一種基于ΔI_PAM三相電流突變量相不對(duì)稱原理選線保護(hù)的新算法。采用該新算法研制的產(chǎn)品，經(jīng)歷了大量的真型試驗(yàn)、動(dòng)模試驗(yàn)等，驗(yàn)證了新算法具有非常滿意的應(yīng)用效果。測(cè)試表明：該新算法具有概念清晰、判據(jù)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、動(dòng)作快速和可靠性高的顯著特點(diǎn)。該算法可廣泛應(yīng)用于分布式安裝在配電網(wǎng)的各個(gè)分支或分段處，實(shí)現(xiàn)小電流接地故障的選線和選段，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)沒有零序電壓和零序電流的應(yīng)用場(chǎng)景。