小电流接地系统单相接地故障选线原理综述

摘要：简要分析发生单相接故障时系统基本特征，并此基础上回顾了小电流系统单相接保护国内外研究发展历史，系统分析了几种保护原理特点，提出了尚需解决问题，最后给出了分析结论。
关键词：小接电流系统单相接故障选线
0 引言
目前世界各国配电网都采用中性点不直接接方式（NUGS）。因其发生接故障时，流过接点电流小，称其为小电流接系统。可分为中性点不接系统（NUS）、中性点经电阻接系统（NRS）和中性点经消弧线圈接系统（NES）。故障时三个线电压仍然对称，特别是中性点经消弧线圈接系统，流过接点电流很小，不影响对负荷连续供电，《电力系统安全规程》规定仍可继续运行0.5~2个小时。但小接电流系统单相接时，非故障相电压会升为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接，形成两点接故障，引起系统过电压，影响系统安全。，需要一种接后能选择故障线路装置进行故障检测，一般不动作于跳闸而仅动作于信号。
1 研究状况回顾
国外对小电流接保护处理方式各不相同。前苏联采用中性点不接方式和经消弧线圈接方式，保护主要采用零序功率方向原理和首半波原理。日本采用高阻抗接方式和不接方式，但电阻接方式居多，其选线原理较为简单，不接系统主要采用功率方向继电器，电阻接系统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来一些国家如何获取零序电流信号及接点分区段方面作了不少工作并已将人工神经网络应用于接保护。美国电网中性点主要采用电阻接方式，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接系统，对高阻接系统，接时仅有报警功能。法国过去以电阻接方式居多，利用零序过电流原理实现接故障保护，城市电缆线路不断投入，电容电流迅速增大，已开始采用自动调谐消弧线圈以补偿电容电流，并为解决此种系统接选线问题，提出了利用Prony方法[1]和小波变换以提取故障暂态信号中信息（如频率、幅值、相位）以区分故障与非故障线路保护方案，但还未应用于具体装置。挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位方法，研制了一种悬挂式接故障指示器，分段悬挂线路和分叉点上。加拿大一公司研制微机式接故障继电器也采用了零序过电流保护原理，其软件算法部分采用了沃尔什函数，以提高计算接故障电流有效值速度。90年代，国外有将人工神经网络及专家系统方法应用于保护文献。
我国配电网和大型工矿企业供电系统大都采用中性点不接或经消弧线圈接运行方式，近年来一些城市电网改用电阻接运行方式。矿井6~10kV电网过去一直采用中性点不接方式，随井下供电线路加长，电容电流增大。近年来消弧线圈矿井电网中到了推广应用并主要采用消弧线圈并串电阻接方式。单相接保护原理研究始于1958年，保护方案从零序电流过流到无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，从步进式继电器到群体比幅比相，以及首半波方案，先后推出了几代产品，如许昌继电器厂ZD系列产品，北京自动化设备厂XJD系列装置，中国矿大μP-1型微机检漏装置和华北电力大学研制系列微机选线装置等。
2 单相接时NUGS主要特征
现对NUGS单相接故障前后特征归纳如下:
(1) 零序电压互感器开口电压通常为零。(实际上不平衡电压影响小于5V)。接后接近100V(金属性接:经电阻接U02∈(30,100))。
(2) 非接线路(设线路序号为K)零序电流Iok为该线路对等效电容电流，相位超前零序电压U090°。
(3) 接线路零序电流I0和非接线路零序电流方向相反，即相位滞后零序电压U090°，且等于所有非接线路中电容电流与变压器中性点电流之和。
(4) 对经消弧线圈接系统(NES)，零序电流5次谐波对以上结论成立。
(5) 以上结论，与故障点接电阻，系统运行方式，电压水平和负荷无关。
常规微机小电流接选线装置工作原理一般都是基于以上几个特点设计，但实现方式和可靠性程度不尽相同。
3 对几种选线保护原理讨论
3.1 早期单一判据原理
线路自身电容电流可能大于系统中其他线路电容电流之和，按零序电流大小整定过电流继电器理论上就不完善，它还受系统运行方式、线路长短等许多因素影响，而导致误选、漏选、多选;“功率方向”原理采用逐条检测零序电流I0功率方向来完成选线功能，当用于短线路时，该线路零序电流小，再加之功率方向受干扰，一定程度上选线是不可靠，更多发生误、漏选情况; 用各线路零序电流作比较，选出零序电流最大线路为故障线路“最大值”原理，多条线路接或线路长短相差悬殊情况下，很可能造成误选和多选;“首半波”原理基于接故障发生相电压接近最大值瞬间这一，利用故障后故障线路中暂态零序电流每一个周期首半波与非故障线路相反特点实现选择性保护，但它不能反映相电压较低时接故障，且受接过渡电阻影响较大，同时存工作死区; 利用5次或7次谐波电流大小或方向构成选择性接保护“谐波方向”原理，5次或7次谐波含量相对基波而言要小多，且各电网谐波含量大小不一，故其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低，接点存一定过渡电阻情况下将出现拒动现象。
3.2 群体比幅比相原理
此种方法为多重判据，多重判据即为用二种及以上原理为判据，增加可靠性和抗干扰性能力，减少受系统运行方式、长短线、接电阻影响。文[2]采用幅值法与相位法相结合，先用“最大值”原理从线路中选出三条及以上零序电流I0最大线路，然后用“功率方向原理从选出线路中查找零序电流I0滞后零序电压U0线路，选出故障线路。该方案称为3C方案，因排队后去掉了幅值小电流，一定程度上避免了时针效应，另外排队也避免了设定值，具有设定值随动“水涨船高”优点。它既可以避免单一判据带来局限性，也可以相对缩短选线时间，是较理想方式。
3C方案中，因I3也可能较小，由此相位决定是I2I1接可能引起误判，I3越小，误判率越高，为此文[3]提出MLN系列微机选线装置扩展了4种选线方案，除3C方案外，增加了2C1V、1C1V、2C、1C方案，由计算机按不同条件选择合适方案或人为设定方案判线，判线准确率到进一步改善。小电流系统单相接投入保护跳闸后，要求保护装置具有更高可靠性。文[4]将模糊决策理论引入了MLN-R系列小电流微机保护屏，将5种选线方案按模糊决策组合裁决，给出跳闸出口同时还打印出可信度。
3.3 “注入法”原理[5]
它不利用小电流接系统单相接故障量，利用单相接时原边被短接暂时处于不工作状态接相PT，人为向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理即检测，跟踪该信号通路来实现接故障选线。当系统发生单相接时，注入信号电流仅接线路接相中流动，并经接点入。利用一种只反映注入信号而不反映工频及其谐波成分信号电流探测器，对注入电流进行寻踪，就可实现单相接故障选线与接点定位。其主要特点有: (1)勿需增加任何一次设备不会对运行设备产生任何不良影响。(2)注入信号具有不同于系统中任何一种固有信号特征，对它检测不受系统运行情况影响。(3)注入信号电流仅接线路接相中流通，不会影响系统其它部位。
3.4 注入变频信号法
为解决“S注入法”高阻接时存误判问题，文[6]提出注入变频信号法。其原理是故障后位移电压大小不同，选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz恒流信号，然后监视各出线上注入信号产生零序电流功角、阻尼率变化，比较各出线阻尼率大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可出选线判据。但当接电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大。
3.5 最大△(Isinj)原理
图1为理想情况下单相接故障后零序电压与故障、非故障零序电流相量关系。其中，3U0为故障后出现零序电压,故障前它大小为零; 3I0,F为故障线路零序电流，它超前3U090°; 3I0,N为非故障线路零序电流，它滞后3U090°, 比3I0,F数值上小很多; 3I0,T为变压器接电流，它与接故障判断无关。，理想情况下，对各出线零序电流大小或方向进行比较，就可找出故障线路。但当变电站为三相架空出线时，3I0大小和方向要受到CT不平衡电流Ibp影响。最坏情况是，Ibp 影响，实际检测到故障线路零序电流3I′0,F=（3I0,F+Ibp,F）与非故障线路零序电流3I′0,N=（3I0,N+Ibp,,N)方向相同，如图2所示。显然，此时只对各出线零序电流大小或方向进行比较将会造成误判。
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解决上述问题，文[7]提出最大△(Isinj)方案: 把所有线路故障前、后零序电流3I’0,I,前、3I’0,I,后都投影到3I0,F方向上。接着，计算出各线路故障前、后投影值之差△I0,I，找出差值最大值△I0,k,即最大△(Isinj)。显然，当I0,k>0时，对应线路k为故障线路，否则为h段母线故障。
该原理实际上是一种最大故障电流突变量原理，能完全克服CT误差引起不平衡电流影响，减少了误判可能性，灵敏度高适用范围广，是现有判别方法中较成功、有效一种方法。但其算法有两个缺陷: 计算过程中需选取一个中间参考正弦信号，该信号出现问题将造成该算法失效; 该算法计算过程中需求出有关相量相位关系，计算量相当大，这使最大△(Isinj)原理实现过程中很难保证具有较高可靠性和实时性。
针对上述缺陷，文[8]提出实现最大△(Isinj)快速算法——递推DFT算法，完全省去了中间参考正弦量，同时极大简化了原有算法计算工作量，使最大△(Isinj)原理可以快速、可靠实现，有了更广阔应用前景。
3.6 能量法
文[9]利用其所定义零序能量函数实现小电流接选线: 非故障线路能量函数总是大于零，消弧线圈能量函数与非故障线路极性相同，故障线路能量函数总是小于零，其绝对值等于其他线路(包括消弧线圈)能量函数总和特征，提出方向判别和大小判别两种接选线方法。能量法适用于经消弧线圈接系统，不受负荷谐波源和暂态过程影响，理论上解决了传统方法选线准确率低问题。
3.7 遥感式小电流接选线原理
文[10]利用带电导体周围产生电磁场，交变电流幅值可以其激励电磁场中某一点所感应出电动势大小直接反映出来原理，测量导线中电容电流5次谐波变化情况，来判断故障线路。其做法是: 所有输电线出口处，都装设一个遥测装置(探测器)，而这个装置只接收电容电流中5次谐波电磁场，每个装置接收信号再集中送至中心处理装置比较出信号最强线路，这条线路就是发生接故障线路。采用遥感接收，使装置与电力系统一次设备不发生直接接触，是保证电力系统安全运行较理想装置。
3.8 负序电流选线原理
文[11]提出一种利用负序电流及负序电流与零序电流比较故障选线原理。它基于以下特点: 负序电流由故障点产生，流向电源和非故障线路，与电源负序电流方向基本相反; 故障相电压接故障过渡电阻上产生故障电流，故障线路负序电流与故障相电压相位一致。另外，馈线保护安装处到线路末端线路长度较短条件下，I’OK≈I’2K, 即故障线路K保护安装处负序电流近似等于零序电流。由这种原理构成保护装置具有不受弧光接影响，抗过渡电阻能力强，负序电流与零序电流比较式接保护具有自适应等优点。但负序电流绝大部分由故障线路流向电源，非故障线路负序电流很小，方向准确测量困难，这就使负序方向接保护实际配置中使用可能性较小; 另外，当线路K保护安装处到线路末端线路较长时，负序与零序方向保护不一定成立。该技术还有待进一步研究。
3.9 基于小波变换接选线原理
小波分析对暂态信号和微弱信号变化较敏感，能可靠提取出故障特征[12]~[14]、[19]。小波变换奇异性检测及模极大值理论已提出了实现故障启动和选线方法。文[15]运用由小波变换发展而来小波包技术分解故障暂态信号，不同接方式，选择能量集中不同频带作为选线频带; 对中性点不接配电网，选择能量集中高频频带; 对中性点经消弧线圈接配电网，选择能量次最大调频频带，并提出了基于波形识别和模值比较故障选线逻辑判据，最终给出选线序列。
3.10 模式识别和多层前馈神经网络方法
文[16]提出用统计模式识别中基于最小错误贝叶斯(Bayes)决策方法和人工神经网络方法进行小电流接选线。它将故障后各线路零序电流看作某类故障一个模式，人工神经网络训练与学习来判断故障模式，实现故障选线。
4 尚需解决问题
目前，国内选线装置多采用零序电流及其高次谐波原理实现故障选线，首半波法、有功分量法等其它方法也均有采用。小电流系统一个重要特征就是故障电流稳态分量幅值小，是谐波分量基波分量，都容易被干扰信号所淹没，二次侧零序电流又容易受到CT中不平衡电流影响，基于谐波原理装置实际运行中易造成误判。
5 结论
(1) 配电系统发生单相接故障时，故障信号中含有重要暂态成分，此暂态信号特征可实现故障线路选择。具有很强处理微弱信号能力小波方法有利于改善高阻接时装置动作性能，继电保护特别是故障分析中有着广阔应用前景。
(2) 目前，我国NRGS只装设两相CT架空出线数量很大，这种情况下难以获零序电流，基于零序电流选线方法失效，对两相装CT出线也适用选线原理还有待进一步研究。
(3) 目前，大规模应用配电自动化技术进行单相接故障处理时机还未成熟时，采用独立带有远动或通信功能小电流接选线设备不失为一种较实用选择。