章勇高，滕錦芬，劉 煥

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌 330013）

我國中低壓配電網(wǎng)的中性點廣泛采用不接地、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)高電阻接地這三種非有效接地方式。在發(fā)生單相接地故障時，這種系統(tǒng)仍能保證線電壓的對稱性，且故障點電流比負(fù)荷電流小得多，不影響對負(fù)荷的連續(xù)供電，一般允許繼續(xù)運行1～2 h。但隨著電纜線路占供電線路總長度的比例逐年上升，電容電流加大，長時間運行所產(chǎn)生的弧光過電壓會嚴(yán)重威脅甚至破壞系統(tǒng)絕緣，從而導(dǎo)致故障擴大成兩點或多點接地故障。在配電網(wǎng)中，單相接地故障率最高，需要盡快選出故障線路，以便運行人員及時采取措施。

但由于非有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的故障電流很微弱，配電系統(tǒng)的參數(shù)和負(fù)荷不對稱，以及故障點電弧不穩(wěn)定等原因，目前研制出的接地選線裝置運行的可靠性和選線準(zhǔn)確性還無法滿足現(xiàn)場運行的需要[1]。隨著微機繼電保護技術(shù)的發(fā)展，人們提出了很多單相接地選線的新方案，一定程度上解決了配電網(wǎng)運行人員的難題。目前，非有效接地系統(tǒng)的單線接地故障選線方法主要有：穩(wěn)態(tài)分量法、暫態(tài)分量法、綜合智能化方法[2-3]。本文通過比較歸納和總結(jié)這幾種方法，分析各種方法的可行性。

1 穩(wěn)態(tài)分量法

1.1 只適用于中性點不接地系統(tǒng)

零序過電流法利用故障線路零序電流幅值大于繼電器的整定值，能夠正確動作并發(fā)出報警信號[4]。但此方法繼電器整定困難，動作靈敏度低，易誤判或漏判，基本被淘汰?；诖朔椒ㄖ械恼ɡщy，文獻(xiàn)[5]提出的零序電流群體比幅法僅需要相對比較，它利用故障線路零序電流幅值等于所有非故障線路零序電流之和，即零序電流值最大的線路就是故障線路。但這個方法不能排除電流互感器（TA）不平衡的影響，以及線路長短、系統(tǒng)運行方式及過渡電阻的影響。幅值法的致命問題是不適用于消弧線圈接地系統(tǒng)，而且故障點電弧不穩(wěn)定也可能造成選線失敗。

零序電流比相法則是利用故障線路零序電流與非故障零序電流方向相反的特點選擇故障線路。與幅值法相比，它具有較高的靈敏度，但當(dāng)故障點離互感器較近或線路很短，或者出現(xiàn)高阻接地故障時，測量到的零序電壓（3U0）和零序電流（3I0）較小，相位判別較困難，可靠性低。在總結(jié)比幅法和比相法的優(yōu)缺點后，文獻(xiàn)[6]提出了群體比幅比相法：它先從所有出線選取零序電流幅值最大的三條線路，再對這三條線路進行相位比較，若其中一條線路與其他兩條不同，則此條為故障線路；若此三條線路相位都相同，則判為母線故障。該方法解決了比幅和比相法的缺點，在實際應(yīng)用中較為廣泛。但即使是運用比相原理，上述方案都只適用于中性點不接地系統(tǒng)，這大大限制了其應(yīng)用范圍。因為在過補償或完全補償狀態(tài)下，故障線路零序電流的方向與非故障線路相同，對間歇性接地故障來說，零序電流畸變嚴(yán)重，難以計算其相位，方向法比幅值法更容易出現(xiàn)誤判。

1.2 適用于消弧線圈接地系統(tǒng)

在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于基波零序電容電流得到有效補償，使得基于基波零序電氣量比較的選線方案失效，于是提出了基于高次諧波特征的選線方法。文獻(xiàn)[7]指出接地故障線路的5次諧波零序電流比非故障線路的值都大且方向相反，且消弧線圈對5次諧波的補償作用可以忽略，從而提出了5次諧波法。但諧波分量較小，不利于檢測，而且負(fù)荷中的5次諧波源、TA不平衡電流和過渡電阻的大小，都在一定程度上影響選線結(jié)果。在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，作者提出采用改進的Prony算法提取故障零序電流的諧波分量，通過比較諧波分量的幅值和相位來確定故障線路，但是Prony算法計算量大會影響到選線精度[9]。零序電流有功分量法[10-11]的思想與5次諧波法類似，只是將參照量換為零序電流有功分量，其檢測靈敏度也很低。為了使選線的準(zhǔn)確性不受零序電壓與電流相位誤差的影響，同時也使零序TA特性的非一致性造成的誤差被抵消，作者提出了結(jié)合補償電流和工頻穩(wěn)態(tài)分量來確定故障線路的方法[12-13]，即把故障線路和非故障線路的零序電流與補償電流相加，產(chǎn)生復(fù)合電流，與各線路故障時的零序電流比較后，經(jīng)過一定變換得到故障判斷量P值，利用P值的正負(fù)判斷故障線路。該方法主要是依據(jù)線路的零序測量電流和該電流計算出的故障判斷電流相位來判斷的，因此零序電流互感器的幅值誤差和接地電阻的大小變化對選線的準(zhǔn)確性影響很小。

以上幾種方法都是利用零序電流作為判別量，還有以中性點電壓來判斷接地故障[14]。當(dāng)中性點電壓大于整定門檻時就判定系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，此種方法過于簡單且不可靠[15-16]；文獻(xiàn)[17]通過采集三相電壓和中性點電壓并計算它們之間的相角差，將其經(jīng)過判別邏輯來進行故障選線。雖然此法判據(jù)簡單、采集量少，但還是會受到TV飽和、高過渡電阻的影響。而文獻(xiàn)[18]根據(jù)消弧線圈系統(tǒng)的零序等效模型分析了故障狀態(tài)與非故障狀態(tài)的狀態(tài)，定義了線路的m參數(shù)（調(diào)節(jié)前、后系統(tǒng)的零序電流與零序電壓的比值），根據(jù)故障線路與非故障線路m參數(shù)值的相對大小構(gòu)建了兩者的特征差異，提出了新型的故障選線方法。該判據(jù)不僅對金屬性接地故障有效，同時對經(jīng)高電阻接地故障仍然有效。

2 暫態(tài)分量法

利用穩(wěn)態(tài)分量法的選線效果不太理想，一個主要原因是穩(wěn)態(tài)接地電流微弱，故障線路中零序電流僅有幾安培，檢測起來比較困難，而暫態(tài)電流幅值是穩(wěn)態(tài)對地電容電流的幾倍到幾十倍，充分利用這些暫態(tài)分量可以提高檢測靈敏度和可靠性。因此，基于暫態(tài)分量的檢測方法已經(jīng)成為一個研究的熱點。

2.1 首半波法

首半波原理是基于接地故障發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間這一假設(shè)，暫態(tài)零序電流和零序電壓的首半波之間存在固定的相位關(guān)系，在故障線路上兩者極性相反，非故障線路上極性則相同，由此選出故障線路。但極性關(guān)系成立的時間很短，且受線路參數(shù)、故障初始角、過渡電阻等因素的影響。

2.2 暫態(tài)零模電流方向法[19]

2.3 基于小波分析法

具有時頻局部特性的小波變換特別適合處理非平穩(wěn)信號，因此廣泛應(yīng)用于暫態(tài)信號的處理[20]。從幅值上看，非故障線路的電流行波信號的小波變換模極大值比故障線路小，據(jù)此構(gòu)成了選線判據(jù)：電流行波信號小波變換模極大值最大的線路為故障線路，但母線接地時該規(guī)律不成立[21]。文獻(xiàn)[22]根據(jù)小波變換模極大值的大小和極性來判別故障線路，但由于暫態(tài)量頻率成分復(fù)雜導(dǎo)致該選線方法檢測靈敏度低。文獻(xiàn)[23]發(fā)現(xiàn)單相接地故障時，非故障相暫態(tài)電流只受自身線路參數(shù)等的影響，因此選用了受系統(tǒng)運行方式變化影響小的非故障相作為研究對象，提出了基于非故障相暫態(tài)電流模極大值比值的故障選線，仿真表明此方案不受故障條件的影響，能正確選出故障相別。

2.4 基于小波包分析法

小波包分析彌補了小波變換只分解信號低頻部分而不再對高頻分量分解的缺點，具有更好的分頻特性。在分析配網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[24]提出了一種基于暫態(tài)高頻零序瞬時功率的故障選線方法，它以幅值最大的高頻暫態(tài)瞬時功率的符號作為主判據(jù)，以大小作為副判據(jù)來選出故障線。但作者都是在相同的頻率段求零序瞬時功率，受網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、故障時刻等影響，要選擇一個各線路暫態(tài)量都比較集中的頻率段進行選線是比較困難的。文獻(xiàn)[25]提出了一種基于多頻帶分析的自適應(yīng)選線方法，通過比較所有線路在各自特征頻段下的小波包分解系數(shù)的極性實現(xiàn)故障選線，具有較高的靈敏度和可靠度，但還是會受到故障發(fā)生時刻、過渡電阻的影響。為此引入了能量比因子和暫態(tài)因子來反映故障條件的隨機性對暫態(tài)零序信號的綜合影響[26]，提出了基于以上兩個因子取值的自適應(yīng)故障選線方法。該方法充分利用了暫態(tài)零序信號的低頻、工頻和高頻信息，自適應(yīng)地選擇在特征頻段中選線，對母線和高電阻接地有高可靠性和靈敏性。由于暫態(tài)零序電流信號的低頻部分會發(fā)生不同程度的衰減，文獻(xiàn)[27]提出了對低頻采樣點零序電流信號做增強處理，然后利用小波包分析方法對增強的信號進行小波包分解，根據(jù)能量最大的原則實現(xiàn)選線，此方法提高了選線準(zhǔn)確性。而文獻(xiàn)[28]則通過剔除線路諧振狀態(tài)的頻帶，在低頻段下對各線路的零序電流進行重構(gòu)，通過比較重構(gòu)信號實現(xiàn)故障選線。該方法受故障位置、故障時刻、過渡電阻等因素的影響較小。

3 綜合智能化方法

3.1 基于模糊理論分析法

模糊理論是現(xiàn)代智能技術(shù)中最重要的技術(shù)之一，模糊選線則運用模糊理論實現(xiàn)多判據(jù)選線信息融合，根據(jù)判據(jù)規(guī)則建立各選線方法的故障測度隸屬函數(shù)和權(quán)系數(shù)隸屬函數(shù)，最后對各個判據(jù)的數(shù)值屬性進行融合，得出一個綜合選線結(jié)果。文獻(xiàn)[29]提出利用暫態(tài)分量、零序電流群體比幅、零序功率分量、能量函數(shù)四種選線判據(jù)構(gòu)成的綜合判據(jù)進行模糊決策，并對選線結(jié)果進行實時動態(tài)的加權(quán)評價，提高了選線的可靠性。類似的，文獻(xiàn)[30]提出用隸屬函數(shù)表示各故障選線方法的模糊性，應(yīng)用加權(quán)求和進行運算，實現(xiàn)多種選線方法在饋線保護中的融合。這兩種方案能達(dá)到高準(zhǔn)確度，并不受中性點接地方式、運行方式、出線路數(shù)、故障位置的影響。

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合智能方法是采用已有的多種接地保護原理和方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)修改它們的權(quán)值來保證選線的準(zhǔn)確性。BP網(wǎng)絡(luò)具有良好的模式分類能力，尤其適用于故障選線問題。針對BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)收斂速度慢和易陷入局部最小點的不足，文獻(xiàn)[31]提出了一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率動量梯度下降反向傳播算法，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練并應(yīng)用于配網(wǎng)故障選線，試驗表明該方法是有效的。運用相同的思想，作者提出了蟻群算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的選線方法[32-33]，它通過對各線路的零序電流信號進行小波變換和傅里葉變換，將提取的故障特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，利用蟻群算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后即可故障選線。

鑒于小波變換對暫態(tài)信號及微小信號變化很敏感，學(xué)者們也研究了小波技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的選線方案。文獻(xiàn)[34]應(yīng)用小波變換技術(shù)對故障信號進行預(yù)處理，濾除除工頻分量以外的故障信息并構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本集，通過構(gòu)建小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)配網(wǎng)故障類型的識別。而文獻(xiàn)[35]則通過小波變換提取故障時各出線零序電流信號中的故障特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，并用改進的BP彈性算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。這兩類網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度快，且不受隨機因素影響。

4 結(jié)論

基于穩(wěn)態(tài)量的非有效接地系統(tǒng)的單相接地故障選線方法靈敏度低、易受間歇性電弧的影響，且不適用于消弧線圈接地系統(tǒng)。利用故障初瞬的暫態(tài)分量與相關(guān)的處理技術(shù)相結(jié)合，能明顯提高選線精度，特別是目前對暫態(tài)分量的高速采樣、記錄和分析已經(jīng)很容易實現(xiàn)，大大促進了暫態(tài)接地選線技術(shù)的發(fā)展。但任何單一選線方法很難完全適應(yīng)各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的故障狀況，通常單一選線方法所利用的故障特征有限，而且這些故障特征容易受到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、接地方式、線路長短、互感器誤差等諸多因素的影響，降低了選線可靠性。

為此，對于非有效接地系統(tǒng)單相接地故障選線的方案，一方面可以研究不同的故障選線方法的融合處理，以得到一個綜合選線結(jié)果；另一方面可以研究非有效接地系統(tǒng)中不同測量點的各種故障判別量的融合處理，利用更多的故障判別量進行綜合故障選線，以減小其他因素的干擾，提高選線的準(zhǔn)確性；此外，單一的現(xiàn)代智能技術(shù)也有自己的優(yōu)缺點，如果能把多種現(xiàn)代智能技術(shù)有機整合，則可解決單一現(xiàn)代智能技術(shù)無法解決的許多復(fù)雜問題，將各種現(xiàn)代智能技術(shù)整合應(yīng)用于非有效接地系統(tǒng)的故障選線中也是一個研究方向。

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