暂态原理小电流接地故障检测技术

2024年小电流接地系统单相接地故障检测技术1引言电力系统的接地处理方式主要有直接接地，电抗接地，低阻接地，高阻接地，谐振接地(又称消弧线圈接地)和不接地。

前三种称为大电流接地系统，后三种称为小电流接地系统。

我国3～66kV电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统，该系统最大的优点是发生单相接地故障时，并不破坏系统电压的对称性，且故障电流值较小，不影响对用户的连续供电，系统可运行1～2h。

但长期运行，由于非故障的两相对地电压升高1.732倍，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电。

同时，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。

因此，当发生单相接地故障时，必须及时找到故障线路予以切除。

2目前的检测方法及存在的问题(1)绝缘监察装置利用接于公用母线的三相五柱式电压互感器，其一次线圈均接成星形，附加二次线圈接成开口三角形。

接成星形的二次线圈供给绝缘监察用的电压表、保护及测量仪表。

接成开口三角形的二次线圈供给绝缘监察继电器。

系统正常时，三相电压正常，三相电压之和为零，开口三角形的二次线圈电压为零，绝缘监察继电器不动作。

当发生单相接地故障时，开口三角形的二次端出现零序电压，电压继电器动作，发出系统接地故障的预告信号。

这是以前常规变电所使用最多、应用最广泛的绝缘监察装置，其优点是投资小，接线简单、操作及维护方便。

其缺点是只发出系统接地的无选择预告信号，不能准确判断发生接地的故障线路，运行人员需要通过推拉分割电网的试验方法才能进一步判定故障线路，影响了非故障线路的连续供电，不能满足日益发展的城乡经济对供电可靠性的要求。

基于上述原因，我国从50年代末就开始研制小电流接地自动选线装置，提出了多种选线方法，并开发出了相应的各种装置。

(2)各种选线原理分析：①稳态分量法。

稳态分量法又分为零序电流比幅法，零序电流相对相位法，以及群体比幅比相法。

基于暂态分析的小电流接地故障综合定位方法梁恒福;贾明娜;狄乐蒙【摘要】在配电网中,小电流接地故障时有发生.为解决接地点定位困难这一问题,建立了适用于确定故障范围的小电流接地故障暂态模型.在分析了接地点下游与上游间暂态零模电流的相关性的基础上,指出了原有通过对比暂态零模电流的相似性来确定接地点范围所存在的盲区,进而改进并提出了一种判断接地点范围的方法.所述方法有效地把接地点上下游间暂态零模电流的相似性与工频电流的极性相结合,命名为综合定位法.综合定位法降低了定位的错误率,在减小定位盲区的同时有效地提升了利用暂态信号定位接地点的准确性.通过使用MATLAB软件和静态模拟实验室验证了综合定位法的可行性.【期刊名称】《曲阜师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(043)002【总页数】5页(P60-64)【关键词】小电流接地;接地点判断;综合定位法;相关系数;极性【作者】梁恒福;贾明娜;狄乐蒙【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院,255049;山东科汇电力自动化股份有限公司,255087,山东省淄博市;山东理工大学电气与电子工程学院,255049【正文语种】中文【中图分类】TM714引言在我国的中压配电网中发生单相接地故障时，单相接地故障短路电流在600-1500A内变化，且接地故障时故障相电压下降一般在50%以上[1]，由于电弧不稳定、故障电流微弱等原因，使得工作人员难以判断事故发生的位置并对其进行处理，容易导致事故进一步扩大．由于线路网络分支繁琐，电缆架空线路混合现象普遍，负荷分布随机，以及小电流接地故障原有的难定位等因素，使得仅通过检测点测量得到的信息来判断接地发生位置在应用方面存在很大的困难．除行波测距技术应用于部分特殊配电线路[2]外，报道的其他应用成果很少．而利用沿线路安装的检测装置(如馈线终端单元(FTU)、故障指示器等)实现故障区段定位[3-7]，则具有较强的实用性，部分技术已投入现场并获得应用．在利用暂态信息确定接地点位置的技术中，利用故障点下游与上游暂态零序电流不相似，而健全区段两侧暂态电流相似原理的相似性定位方法[3]，适合应用于检测装置一般只能获得零序(即零模)电流的场所，并在实际使用中存在较大的应用价值．但该方法也存在不足．从严格意义上讲，现有的相似性定位方法缺乏理论证明．仿真试验也发现，当故障点存在于某些特殊的范围时，算法存在盲区(定位混乱的区间)，即故障点上下游间暂态电流的相似性较强，这与定位初衷相违背，将导致错误的定位．因此，要对应相应的盲区，在分析原有的算法的基础上进一步完善．本文指出了原有通过对比暂态零模电流的相似性来确定接地点范围的方法所存在的定位盲区问题，进而改进并提出了一种判断接地点范围的综合定位法，该法不仅消除了定位盲区，同时也提高了暂态定位原理的可靠性．1.1 小电流接地故障暂态零模电流特征当发生接地故障时，暂态过程明显存在，由故障引发的暂态电流明显大于稳态电流，在众多故障定位法中，暂态量定位法不仅灵敏度高，而且不受消弧线圈的影响．为清晰方便地对暂态过程进行分析，通常采用卡伦鲍尔(Karrenbauer)变换，用没有耦合的 0、1、2 模量系统替代三相系统，其中 1、2 模统称为线模，零模分量与对称分量变换的零序分量等效[8]．图1为中性点非有效接地系统，以其为例来分析小电流接地系统单相故障时零模电流分布规律．假设在线路Ⅲ发生单相接地故障，线路末端为E点，M，N，P点是分段开关．图2为对应的零模等效网络．M和N两检测点测量到得零模电流具有如下特点：式中i0M=i0S+i0I+i0II为对地零模电容电流在非故障区段之和；iC1为MN区段内对地零模电容电流．注U0f为零模虚拟电压源；C0S，C0I，C0II分别为发电机及线路I，II对地电容；C1，C2，C3，C4分别为线路III上区段MN，NF，FP，PE对地电容；为电流的参考方向；为电流的实际流向.相比较于其他区段MN间距离较短，与健全线路零模电容电流总和相比，其所占比例较少，可以省略，MN区段两端零模电流波形相似，其两端零模电流几乎相等，即i0M≈i0N．故障发生瞬间，故障虚拟电源产生于接地点，图2中虚线箭头所示方向为从接地点流出的实际零模电流方向，一部分与i1参考方向相反 (朝向母线)，自故障点流向上游，另一部分与i2参考方向相同 (背离母线)，自故障点流向下游，所以N点检测到的零模电流与P点的相比较，波形相似度很小，初始时的极性不同，具有很大差异性．上述分布规律同样适用于谐振接地系统．1.2 故障点上游与下游暂态电流的相似性两个波形的相似性可以用相关系数描述[9]．i0b和i0l分别为故障点上游与下游的零模电流，ρbl为相关系数，其相似度可表示如下：,式中T为暂态过程持续时间；≤1，其值越大，表明i0b与i0l间的相似度越高．故障点上游零模电流与下游零模电流流向相反，对应的零模电流极性相反．即经消弧线圈接地系统和不解地系统，二者具有共同的规律，单相接地时，接地点两侧暂态零模电流在特殊位置故障时相似但极性相反，而一般情况下不相似．利用区段两侧暂态零模电流相似性关系的定位原理[4]，通过式(2)计算相邻检测点m和n间暂态零模电流相关系数ρmn如果有则认为m和n两检测点检测到的暂态电流不相似，判断其为故障区间；如果相似，则为非故障区间．其中ρ是预设值，为门槛值，取值区间为[0.5，0.7]．当故障线路上的接地点位于相似点(相似点附近，故障两侧暂态电流幅值相似但极性相反)附近时有以式(3)作为判据，当检测到某两点相似系数幅值接近而极性相反时，会误判为非故障区间．此时，存在两种情况：①由于故障线路上任意两点间暂态电流均相似，最末一个检测点将会被选作为故障区间；②在故障点下游，某非故障区间两检测点的相似性较低，将会被迫判断为非健全区间，最终导致误判．因此，仅仅依靠暂态电流相似性关系来判断故障接地点位置的方法存在不足之处，不仅会导致定位盲区的存在，还会大大增加误判的概率，最终导致系统供电的可靠性降低．采用工频零序电流极性与暂态零模电流相似系数相结合的方法会有效地解决存在定位盲区的问题．以下将暂态零模电流相似系数与工频零序电流极性相结合后的系数称为综合系数，综合系数的极性为有效极性．改进后的定位判据按顺序如下：①相连两检测点的有效极性为负的区间；②从母线开始，首两个暂态零模电流不相似的区间；③若所有检测点均量量相似且极性想同，那么最末端检测点的下游区段为故障区间．2.1 故障判据将配电线路的馈线终端FTU(feederterminalunit)作为检测点，FTU大多配套安装线电压互感器提供电压测量信号的同时为FTU供电[10]．当某一相发生接地时，可依将监测到的线电压突变量视为启动条件，并通过计算暂态和工频有效值确认故障[6]．启动条件为：式中Ts为工频周期；线电压某时刻检测值为uxy(t)；一般可选系统线电压幅值的15%当作ut，作为设定的阈值．当式(5)成立，启动故障确认流程．暂态时段通常取2.5-10 ms，通过计算确定uxy(t)．发生单相接地故障时有线电压满足式(5)．2.2 故障选线零序电流突变量法(有些文献上称为残流增量法或者零序电流扰动法)适用于中性点经消弧线圈接地系统．自动调谐消弧线圈是零序电流突变量法中不可或缺的元件，消弧线圈的参数可以自动改变，参数变化后悔引起补偿电流发生变化，并且该变化仅影响故障线路的零序电流发生改变，通过对比找出同步变化的线路便为故障线路．在4回出线中，设关联参考方向为流出母线的电容电流方向与母线零序电压的方向，L1为改变消弧线圈参数值前消弧线圈的电感电流，零序电压为01，各条线路零序电流分别为41；L2为改变消弧线圈参数值后消弧线圈的电感电流，零序电压为02，各条线路零序电流分别为42．设各条线的对地电容值分别为C1、C2、C3、C4．消弧线圈参数改变前当单相接地故障发生在线路4时，系统的零序等值电路如图3所示．正常线路的零序电流为：故障线路的零序电流为：消弧线圈参数改变后当单相接地故障发生在线路4时，系统的零序等值电路如图4所示．正常线路零序电流为：故障线路的零序电流为：(1)发生金属性接地时，02，因此，32，由于电感电流只流过故障线路，因此只有故障线路42，这样对比消弧线圈调节前后各条线路零序电流的突变量，就可以准确选出故障线路．(2)发生电阻接地时，零序电压会因消弧线圈参数的改变而变化会使各条线路的零序电流都发生变化，此时不能直接根据零序电流是否变化来区分故障和正常线路，必须采取折算的方法．对于三条正常线路来说，因为，因此存在Ii1/U01=Ii2/U02=ωC i；即Ii1=Ii2×U01/U02，其中i=1，2，3．将各条线路在消弧线圈调节前后的零序电流折算到同一个电压下，再进行比较就可以得到ΔI1=I11-I12×U01/U02,ΔI2=I21-I22×U01/U02,ΔI3=I31-I32×U01/U02,ΔI4=I41-I42×U01/U02=[IL1-(I11+I21+I31)]+[IL2-(I12+I22+I32)]×U01/U02=IL1-IL2×U01/U02=U01/ωL1-U01/ωL2.将各条线路在消弧线圈调节前后的零序电流折算到同一电压下，就可以除去零序电压变化带来的影响，改变消弧线圈参数不会引起其他参数的改变只会导致故障线路中的零序电流发生变化．因此，以该变化为依据，可以构造以下判据：计算，i=1，…，n，n为线路数．ΔIi≠0的那条线路为故障线路；如果各条线路的ΔIi都等于零就可以排除出线故障而是母线故障．2.3 故障相的确定当某项发生接地时，故障相与健全相间线电压出现暂态分量，而健全相间的线电压暂态分量基本为零[6]．因此，可设故障相的判据为：①若Uabt>Ubct且Ucat>Ubct，A相接地；②若Ubct>Ucat且Uabt>Ucat，B相接地；③若Ucat>Uabt且Ubct>Uabt，C相接地．其中Uabt,Ubct,Ucat分别为暂态线电压uabt,ubct,ucat在暂态时段内的有效值．2.4 故障定位的实现流程故障定位流程如下：(1)发生单相接地，当满足线电压突变量启动条件时，确定发生单相接地故障．(2)通过随调试线圈调节消弧线圈参数从而改变补偿电流的变化，进而对比找出零序电流变化与补偿电流变化相符的线路，就可以确定该线路为发生接地故障的线路，并将选线结果和故障线路出口零模电流上报主站．(3)各出线的馈线终端根据所在检测点零模电流数据进行滤波，提取暂态分量．(4)从故障线路出口开始，按照线路顺序计算各相连检测点间综合系数，判断出是否有有效极性相反的区间，如果没有，则从母线开始，找出首两个检测点暂态零模电流不相似的区间．如果所有相连检测点的数据均相似且极性相同，则最末检测点的下游区段为故障区间．3.1 仿真实验10kV谐振接地系统仿真模型通过仿真软件Matlab搭建．图5为仿真系统模型简图．系统共有4条架空出线，所有出线长度总和为60km．线路L1为故障线路，F1和F2为2个故障点，故障线路L1通过3个检测点m、h、n被分为两个区段mh和hn．通过改变几组变量得到不同情况下的实验数据，再对每组数据进行比较分析，可得到如下结论：F1点接地时：①当lf为30km时，依次改变lb的长度，得到表1所示数据；②当lf为45km时，依次改变lb的长度，得到表2所示数据．F2点接地时：①当lf为35km时，依次改变lb的长度，得到表3所示数据；②当lf为45km时，依次改变lb的长度，得到表4所示数据．利用暂态电流极性的方法，在应用时要求区段两侧检测点处的电流互感器参考方向一致．如果检测点h处的电流互感器极性接反，则表1中测得的数据将会出现表5所示的变动．注工频ρmh为m和h之间工频电流相似系数；暂态ρmh为m和h之间暂态零模电流相似系数；暂态ρmh为h和nh之间暂态零模电流相似系数.由表1至4可看出，存在某些故障位置，故障点两侧的暂态零模电流相似系数的绝对值大于预设门槛值的情况，如表1中lb=6km时的ρmh、表2中lb=9km 时的ρmh、表3中lb=12km时的ρhn、表4中lb=23km时的ρhn．如果h处检测点电流互感器的极性反接，按照传统的基于暂态零模电流相似性的故障判据，则上述几处故障点将被误判为健全区段．如果将采集到的数据按照综合系数的方法来进行故障判断，即使出现TA反接的情况，也不会发生误判．由表5可以看出，当TA极性反接，两检测点间工频零序电流的极性也跟着变为负数，将工频电流的极性乘上暂态零模电流相似系数，得到的依然是一个负数．因此，综合系数的方法有效的解决了传统方法的这一盲区．3.2 静模实验搭建配电网静模实验平台，在线路1上设置接地点，在接地点前选2个检测点m 和h，接地点后选取1个检测点n，对这3个接地点零模电流信号进行录波．对中性点经消弧线圈接地运行方式进行实验．实验结果如图6和图7．由图6和图7知，接地故障点前非故障区段m和h点的零模电流相似性较高，而接地故障区段h和n点的零模电流则极性相反，并且差异十分大．经检测得ρmh=-0.216，ρhn=0.859，因此可断定hn为故障区段．利用故障点上游和下游暂态电流相似的故障定位法存在一定的盲区，可能会误判．而利用综合定位方法将有效的解决其不足，使得暂态定位技术的适用性和可靠性更强．【相关文献】[1] 苏浩益，贺伟明，吴小勇，等.10kV电缆故障指示器应用研究[J].南方电网技术，2014，8(1)：85-88.[2] 薛永端，徐丙垠，李京，等.铁路10kV自闭/贯通线路行波故障测距技术[J].电力系统自动化，2006，30(5)：68-73.[3] 齐郑，郑朝，杨以涵.谐振接地系统单相接地故障区段定位方法[J].电力系统自动化，2010，34(9)：77-80.[4] 马士聪，徐丙垠，高厚磊，等.检测暂态零模电流相关性的小电流接地故障定位方法[J].电力系统自动化，2008，32(7)：48-52.[5] 宋国兵，李广，于叶云，蔡新雷，索南加乐.基于相电流突变量的配电网单相接地故障区段定位[J].电力系统自动化，2011，35(21)：84-90.[6] 张林利，徐丙垠，薛永端，等.基于线电压和零模电流的小电流接地故障暂态定位方法[J].中国电机工程学报，2012，32(13)：110-115，198.[7] 张林利，高厚磊，徐丙垠，等.基于区段零序导纳的小电流接地故障定位方法[J].电力系统自动化，2012，36(20)：94-98.[8] 刘万顺.电力系统故障分析[M]．2 版．北京：中国电力出版社，1998：349-352.[9] 胡广书.数字信号处理：理论、算法与实现[M]．北京：清华大学出版社，2003.[10] 徐丙垠．配电自动化远方终端技术[J]．电力系统自动化，1999，23(5)：41-44.。

小电流接地选线装置应用及故障动作分析摘要：简要介绍小电流接地选线装置原理，简述实际应用中的小电流接地选线装置故障时动作情况，根据异常动作情况分析原因，对小电流接地选线装置应用及运行有实际意义。

关键词：小电流接地选线装置；暂态比相法；暂态比幅法；暂态功率方向法0引言小电流接地系统是指中性点不接地或经过消弧线圈和高阻抗接地的三相系统。

小电流接地系统中单相接地故障是一种常见的临时性故障，一相发生接地，导致其它两相的对地电压升高为相电压的数倍，这样会对设备的绝缘造成威胁，若不及时处理可能会发展为绝缘破坏、两相短路、弧光放电，引起系统过压。

但当系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，接地电流是分布电容电流，数值比负荷电流小得多，难以检测。

小电流接地选线装置可迅速查出故障线路并加以排除，应用于发电厂、变电所及大型厂矿企业，实现母线单相接地报警和线路接地保护跳闸功能。

1小电流接地选线装置原理1.1小电流接地系统故障分析小电流接地系统发生单相接地故障时，故障相电压为0，非故障相电压升为线电压，即原电压的√3倍，电压向量图如图1所示。

图1小电流接地系统单相接地故障时，非故障线路零流为该线非故障相对地电容电流之和，超前零序电压90度，零流方向由母线指向线路，故障线路零流为除故障线之外的全系统中其它所有元件非故障相对地电容电流之和，滞后零序电压90度，零流方向由线路指向母线，出线越多，故障线路零流越大于非故障线路零流。

1.2小电流接地系统装置选线法接地故障暂态过程与电网结构、参数、运行方式相关，暂态电流远大于稳态电容电流，暂态最大电流值与故障电压初始相角有关，暂态电流不受消弧线圈的影响，弧光接地和间隙性接地暂态分量更丰富。

小电流接地选线装置利用接地瞬时的暂态信号进行选线，选线可靠性很高。

发生单相接地故障时，暂态零序电流分布特征是：故障线路电流幅值最大，故障线路电流方向与非故障线路相反。

小电流接地选线装置判断零序电压大于整定值时启动选线，提取启动前后各一个周波的暂态数据，对暂态数据进行分析处理。

电力系统继电保护故障检测方法我国低压配电网最为普遍的小电流接地系统，其接地形式主要有高阻接地、经消弧线圈接地或不接地等。

系统单相接地其故障发生频率较为频繁，为使因长时间运行而可能导致的两点及多点接地短路得到有效防止，需尽快找准故障点及故障支路。

下面我们简单介绍两种接地选线方法。

1）小电流接地系统故障点的检测方法。

若小电流接地系统出现单相接地故障，那么接地点的非故障支路、前向支路及后向支路其零序电流与零序电压都将呈现不同的特点，而使得相应线路周围的电场与磁场分布也将发生变化，为此,我们提出了运用五次谐波零序电场、磁场来探测接地点的方法。

该方法具有具有两条支路，其中性点经电抗器接地系统图如图1所示。

2）接地选线小波分析法。

若小电流接地系统出现单项接地故障，那么将会存在一个较为明显的暂态过程，特别是对于暂态接地的电容电流，该过程都将包含丰富的故障特征,但往往我们会忽略了这些特征。

而小波理论则为故障选线提供了较为有利的条件。

通过对小电流接地系统数字模型开展研究，仿真得到了故障发生前的几个周波暂态信号波形，而通过对接地故障产生时刻信号开展小波分解，得到一种基于小波能量方法接地的选线选相判据。

该接地系统模型具体如图2所示。

在对一系列仿真结果开展分析可以得出：在发生接地故障时，虽不影响系统正常运行，但系统其每条支路负荷电流都在瞬时发生了波形畸变。

运用小波对故障频率开展变换提取，可有效识别接地故障的特征。

同时小波对非平稳信号灵敏。

小波接地系统可仿真故障系统暂态电流及电压信号的波形，对信号开展小波分解，并以该尺度的小波能量作为选线的判据，可得到故障支路同健全支路间的差异，且其稳定性良好。

该方法是直接提取负荷电流特征，不仅可得到故障支路，也能对接地线路与接地相开展直接判断，适用性极强。

同以往选线方法不同，该方法不对当前的支路电气量和其他支路开展比较，只与故障支路或是健全支路的本身电流特征有关，所以将会日益实现。

《自动化与仪器仪表》2013年第1期（总第165期）小电流接地故障暂态选线技术在炼化企业电网的应用李新1，张煜1，时振堂2，李成刚3，薛永端4（1中石化长岭分公司）（2中国石化抚顺石油化工研究院）（3山东科汇电力自动化有限公司）（4中国石油大学（华东）信控学院）摘要:炼化企业配电网与地方配电网存在一定差异，本文介绍了一种利用故障暂态信息的适用于炼化企业的小电流接地故障选线原理和装置，提出了基于瞬时性故障信息的线路绝缘监测思路，分析统计其在现场的运行情况。

现场运行结果表明，该技术原理先进，选线成功率高，能够发现并纠正零序二次回路极性反接。

线路绝缘监测，能更准确地用来估计线路的绝缘状态，从而减少停电时间和预防试验对电缆的损坏。

关键词:小电流接地系统，小电流接地故障，故障选线，暂态选线，炼化企业电网Abstract Abstract:For a class of industrial processes with large time delay ，Makes large time delay process into a weak time delay process by the Delay time decreasing predict output feedback method ，and improved weakening parameter optimization methods to further improve the accuracy of output feedback.With the delay time weaken device to simplify the structure of the main con-troller PI-GPC (generalized predictive controller)and improve real-time of the algorithm in the way of identification.These mea-sures not only enhance the regularity of the input control signal but also improve the efficiency and accuracy of the response.Due to the simple algorithm and easily adjustable parameters ，The control system reduces the difficulty of the reality of the proj-ect and has the significant theoretical and practical significance of solving the delay problems in the production process and im-prove the quality of the control by Simulation.words Key words:Time-delay GPC Model identification Optimization 中图分类号:TP216文献标识码:B文章编号:1001-9227(2013)-01-0097-04收稿日期:2012-10-150引言我国炼化企业的6-35kV 配电网，中性点多采用不接地或经消弧线圈接地方式。