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0 引 言

在35 kV及以下電力系統(tǒng)中，受雷雨等天氣因素影響，容易發(fā)生單項接地故障。由于單項接地故障不易察覺，長期處于該狀態(tài)易造成絕緣擊穿，從而引起相間短路，使事故損害不斷擴大，因此有必要采取相應(yīng)的故障解決措施，防止故障問題擴大而造成嚴(yán)重后果。

1 小電流接地系統(tǒng)

小電流接地主要有3種形式，分別是中性點不接地、中性點經(jīng)滅弧線圈接地、中性點經(jīng)大電阻接地。配網(wǎng)在運行期間如果發(fā)生單相接地故障不能和大地之間形成回路，此時三相電壓將會無法平衡，但整體上依然相互對稱，小電流接地點位置的電流較小，允許電流在短時間內(nèi)通過，電力系統(tǒng)也能使用，但必須盡快安排人員完成故障定位分析，及時排除安全隱患，防止故障范圍擴大。

中性點不接地方式中，如果出現(xiàn)單相接地的情況，小電流接地系統(tǒng)中的零序阻抗將會由線路對地電容組成，這部分電容很小，因此系統(tǒng)的零序阻抗很大，其中的故障電流可以忽略，繼電保護不會產(chǎn)生任何保護動作。

中性點經(jīng)滅弧線圈接地的方式比較常見，電壓相位和故障電流處于反向關(guān)系，故障點疊加將會對該處殘留造成抑制作用。與此同時，滅弧線圈可以對恢復(fù)電壓初速度和限制電壓上限產(chǎn)生抑制作用，避免故障點反復(fù)產(chǎn)生電弧，抑制弧光接地過電壓。

中性點經(jīng)大電阻接地方式中，小電流接地系統(tǒng)如果發(fā)生了短路故障問題，此時電阻可以對諧振產(chǎn)生良好的阻滯作用，防止形成諧振或弧光接地過電壓。線路過電壓下降，單相接地后因過電壓而引發(fā)的事故概率將會降低[1]。

2 小電流接地故障定位步驟

首先，劃分接地故障類型。采集故障現(xiàn)場的所有數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行有效分析，根據(jù)零序電流波形將故障類型劃分為穩(wěn)定型、電弧型、高阻電弧型、高阻放電型以及間歇放電型。其中，穩(wěn)定型故障包括線路直接接地故障和電阻等出現(xiàn)問題后形成的間接接地故障；電弧型故障與高阻電弧型故障主要指物體與線路靠近后引發(fā)的電弧故障；高阻放電型故障與間隙放電型故障一般體現(xiàn)為瓷瓶設(shè)備的絕緣擊穿，有時也包含變壓器放電故障。

其次，根據(jù)瞬態(tài)信息判斷小電流接地故障。如果配網(wǎng)運行期間出現(xiàn)單相接地故障，此時瞬態(tài)分量將會產(chǎn)生劇烈變化，變化的同時形成故障信息。使用有效的方式分析單相接地故障發(fā)生時的瞬態(tài)波形，使用瞬態(tài)分量法進行波形的合理化分析，掌握波形特征，再將特征數(shù)據(jù)歸一化處理，基于智能算法的應(yīng)用診斷故障[2]。

最后，判定小電流接地系統(tǒng)的故障位置。故障定位的有效性取決于輸電線路中零序電流分量的分布情況，也與測量點的實際數(shù)量有關(guān)。分析故障處兩側(cè)電壓電流情況，從中提取相關(guān)特征，找出故障區(qū)段。根據(jù)小電流接地裝置故障兩側(cè)節(jié)點輻射圖，依靠主站得到其他站相關(guān)數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)綜合分析，可以確定故障位置，為后續(xù)故障處理提供科學(xué)參考。

3 小電流接地系統(tǒng)單相故障定位方法

3.1 阻抗法

采用故障測距原理，根據(jù)測量的電壓與電流，通過平衡方程求解測量端和故障點的阻抗值，再憑借單位阻抗計算故障距離[3]。阻抗法主要包含單端測距與雙端測距2種，其中單端測距一般是按照電流與電壓之間的關(guān)系消除中間變量來獲得故障距離表達方式，而雙端測距是依據(jù)線路兩端電流與電壓的關(guān)聯(lián)得出電壓方程與故障距離。單相接地故障集中參數(shù)等值電路如圖1所示。

圖1 單相接地故障集中參數(shù)等值電路

圖1中：F為故障點；M為測量端；UM為M端的電壓；IM為M端的電流；ZM為線路中的正序參數(shù)；ZM0為線路中的零序參數(shù)。一般情況下，可以使用阻抗法完成故障測距分析，相應(yīng)公式為

式中：x為測量端到故障點之間的距離；RF為過渡電阻阻值；IF0為單相接地故障支路位置的零序電流；K為零序電流補償系數(shù)；DA0為零序電流分布系數(shù)。

經(jīng)過整合可以得到

阻抗法具有投資小的應(yīng)用優(yōu)勢，可用于線路故障定位，但容易受到過渡阻抗的影響，導(dǎo)致測量精度難以提高。雙端阻抗法的使用需要額外預(yù)留同步裝置的設(shè)置時間，可以使用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）裝置完成兩端時間信號的高效同步，從而提高故障定位效果[4]。

3.2 注入信號尋跡法

注入信號尋跡法也叫注入法，產(chǎn)生接地故障后可使用信號注入裝置經(jīng)過電壓互感器向線路注入一定頻率的信號，信號沿著線路從故障點逐漸流向大地。應(yīng)用信號探測器進行線路檢測分析，如果有信號流過，此線路就屬于故障線路，然后使用探測設(shè)備沿著線路繼續(xù)尋找故障點，進而判斷故障點的具體位置。

注入信號尋跡法無須在線路中安裝電流互感器，其應(yīng)用不會受到消弧線圈的影響，但需要使用信號注入設(shè)備。利用探測裝置對沿線加以檢測，整個過程可能會花費一定的時間，無法科學(xué)檢測出間接性的接地故障。對于絕緣恢復(fù)，可向故障相加入直流高壓，從而讓接地點時刻保持著擊穿的工作狀態(tài)，隨即注入交流信號，信號消失點就是故障所在位置。由此可見，脈沖信號注入法，能夠解決信號頻率高的問題，避免線路對地電容的分流，提高故障定位有效性[5,6]。

3.3 零序電流瞬態(tài)能量法

電力系統(tǒng)與配電網(wǎng)中的中性點接地主要有大電流接地和小電流接地2種，其中小電流接地系統(tǒng)包含不接地、消弧線圈接地、高阻抗接地3種情況。以中性點接地為例進行故障定位研究，根據(jù)故障穩(wěn)態(tài)特性與瞬態(tài)特性，經(jīng)過仿真分析實現(xiàn)接地故障的有效判斷和定位。

3.3.1 單相接地故障穩(wěn)態(tài)特性

如果配電網(wǎng)中的線路上發(fā)生了單相接地故障，在滅弧線圈的作用下，接地點處的電阻會和大地之間產(chǎn)生電流，這部分電流分為感性電流與容性電流。當(dāng)中性點經(jīng)滅弧線圈接地處于過補償狀態(tài)時，此時能夠抑制諧振造成的過電壓，但線圈位置會產(chǎn)生感性電流，感性電流會與容性電流相互抵消，因此故障處零序電路的電流可能與其他位置的相位同步。

3.3.2 單相接地故障瞬態(tài)特性

系統(tǒng)故障時的瞬態(tài)電流主要包含容性電流與感性電流2種，其中容性電流由線路對地等效電容電流構(gòu)成，感性電流包括流過滅弧線圈的電流、流過相關(guān)元器件與電力設(shè)施的電流。單相接地故障瞬態(tài)等效電路如圖2所示。

圖2 瞬態(tài)等效電路

圖2中，R0為故障產(chǎn)生后電源內(nèi)阻與線路電阻等效和；L0為故障時線路中所有感性元件的電感和；U0為零序電壓；RL為滅弧線圈等效電阻：L為滅弧線圈等效電感。由于瞬態(tài)等效電路的電感超過等效電感L0，因此可以認(rèn)為電感支路與電阻支路都屬于開路。經(jīng)過零序電壓分析計算后，能夠從中獲得關(guān)于單相接地故障的瞬態(tài)電感電流，相應(yīng)計算公式為

式中：ILm為經(jīng)過電感線圈處的電流幅值；τL為電感回路中的一種時間常數(shù)[7]。瞬態(tài)電感電流主要分為穩(wěn)態(tài)交流分量與瞬態(tài)直流分量，其中穩(wěn)態(tài)交流分量的幅值與故障合閘角存在一定關(guān)聯(lián)。如果合閘角處于90°，此時瞬態(tài)分量幅值最?。蝗绻祥l角為0°，此時瞬態(tài)分量幅值最大。

3.3.3 零序電流瞬態(tài)能量法仿真

利用零序電流瞬態(tài)能量法計算故障發(fā)生后的零模能量，從而得到相應(yīng)的表達式[8]。建立一個配電網(wǎng)小電流系統(tǒng)模型，其中共有3條輸出線路，分別是L1、L2以及L3，采用中性點經(jīng)滅弧線圈接地方式，相應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 配電網(wǎng)中性點經(jīng)滅弧線圈接地線路參數(shù)

在Matlab環(huán)境下仿真分析，使用Sym6小波包基函數(shù)，對L1、L2以及L3線路中的零序電流進行有效分解，求出線路在不同特征頻帶內(nèi)的小波包系數(shù)和，進而得到3條線路的瞬態(tài)能量。

3.4 五次諧波法

五次諧波法一般是對小電流接地故障系統(tǒng)進行檢測，掌握電流幅值，判斷其中的相位關(guān)系，從而使故障定位更加準(zhǔn)確[9]。小電流接地系統(tǒng)中如果產(chǎn)生了單相接地故障，此時諧波電流就是該線路的零序電流，并朝著母線的方向流向線路。五次諧波零序電流的數(shù)值與諧波電容電流之和相等，方向為滯后零序電壓90°[10]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于信號檢測難度偏大，因此在利用五次諧波法進行故障定位時需要同時采用其他方法，通過各類方法的相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)故障快速定位。

4 結(jié) 論

通過分析配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)運行期間的單相故障問題，采用有效的故障定位方法。針對小電流接地的不同方式，以中性點經(jīng)滅弧線圈接地方式為例，分析不同故障定位技術(shù)的實踐應(yīng)用效果。通過阻抗法、注入信號尋跡法、零序電流瞬態(tài)能量法的應(yīng)用，能夠有效提高系統(tǒng)故障定位效率。