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摘要：介绍了小电流接地保护的一般做法，研究和探讨了小电流接地保护的新原理，并设计了微机型小电流接地保护装置。
关键词：小电流接地保护;微机型保护
Abstract: this paper introduces the small current grounding protection general way, studied and discussed the small current grounding protection new principle, and design a microcomputer type small current grounding protection device.
Keywords: the small current grounding protection; Microcomputer protection type
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1 引言
在我国，66 kV及其以下电压等级的供配电系统都采用小电流接地的工作方式。所谓小电流接地系统就是指中性点不接地系统或者经消弧线圈接地系统，它的优点在于接地电流小，瞬时接地可以不引起开关跳闸，相对地说供电可靠性高。但是小电流接地系统中经常发生单相接地故障，发生故障时，因故障电流小，使得故障选线较困难。为了找出故障点，必须采取排查的办法，使用依次断开线路开关的方法找到故障线，这样必然影响到供电的可靠性。所以，小电流接地系统也需要研究新的检测和运行机制，以减少故障的处理时间，提高供电的可靠性。
2 小电流接地系统新原理的研究
1.1 小电流接地系统的技术现状
小电流接地系统的类型一般有三种：一是中性点不接地系统；二是中性点经消弧线圈接地；三是中性点经电阻接地系统。这三种类型都涉及到故障选线问题，选线问题是技术难点和关键。目前常用的选线方法有以下几种[1]：
（1）5次谐波法。由于配电网中5次谐波的含量非常丰富，所以可以用5次谐波分量为选线依据。该方法虽然在我国应用较多，但效果并不理想，因为谐波分量较基波分量小很多，检测不精确，灵敏度低。
（2）有功分量法。系统中存在消弧线圈电阻、线路电导等有功分量，检测这种分量可作为选线依据。这种方法主要利用零序电流有功分量，问题在于当线路及消弧线圈的电阻较小时，零序电流的有功分量较小精度不高，容易误选。
（3）零序导纳法。这种原理是通过零序导纳数值在导纳平面上的分布判断是否发生接地故障，由于判断电导符号的实质就是判断有功方向，也可以认为它是有功分量法的一种扩展，是有功分量法的改进和升级。
（4）基于扰动原理的选线方法。该方法原理是发生单相接地故障后，微调消弧线圈的脱谐度，这样接地点的残流相应改变，故障线路的零序电流也随之改变。
（5）注入信号法。其原理是通过电压互感器，该信号感应到系统一次侧，并通过接地点构成回路，可以在配电网出线端检测注入信号的强弱判断故障线路。该方法曾在我国大量应用，对金属性接地和低阻接地取得了较好效果，但是辨识高阻接地的能力较弱。
（6）基于暂态信号的选线方法。这种方法基于接地故障多数发生在相电压接近最大值处这一前提条件，但在相电压过零点附近时，首半波电流的暂态分量很小，加上过渡电阻的影响，易引起方向误判。
1.2 基于灰色理论的新原理
上面已经介绍了六种常用的选线方法，这些方法在一定条件下都可以发挥其作用，然而又不同程度地存在着一些不足，本文旨在择中选优，再结合一些新的技术手段，形成小电流接地系统选线的新原理。
一种基于灰色理论的暂态零序电流比较的小电流接地选线系统。灰色理论是指不完全信息状况下对所要分析的各因素通过一定的数据处理，在随机的因素序列间找出它们的关联性。这种关联性即灰色关联。
考虑2个灰色关联数列：参考序列及比较序列，且关联系数定义如下[2]：
（1）
假设分辨系数ρ为0.5，那么参考序列和比较序列关联度可如下定义：
（2）
式中：表示参考数列和比较数列之间的关联程度。所有的组成可以构成一个关联度矩阵R。
（3）
考虑故障支路与健全支路之间的关联性，引入绝对关联度：
（4）
那么参考序列和比较序列之间关联度有如下关系：
（5）
利用（5）计算各支路间的灰色关联度，重新获得如下关联矩阵：
（6）
据（6）可计算出各支路与其他支路的平均关联度：
（7）
计算平均关联度差值之和：
（8）
定义：
（9）
利用可评估故障支路和健全支路平均关联度差值，对于n支路的配电网，故障线路的约等于，健全线路的约等于。所以只要该系统馈线数大于3，就可以明显区分出故障线路和健全线路。
1.3 基于暂态零序电流比较的选线系统工作原理
如图1是单相接地故障的零序网络等效图，是故障点虚拟电源在零序网络上的压降；分别为第j条健全线路(j≠i)或者故障线路(j=i)故障点到母线之间的零序线路电感、电阻和分布电容；Dj为各出线检测点；L为消弧线圈零序电感；n为系统出线数。
图2所示为有4条简单出线、中性点不接地系统的典型相频特性示意图。
图1 单相接地故障的零序网络等效图
图2 不接地系统零序网络相频特性示意图
可以证明[3]，在SFB频带范围内，零序电流存在2条分布规律：①故障线路零序电流幅值最大；②所有健全线路零序电流极性相同，而故障线路与之相反。利用这2条分布规律选择故障线，并对所有线路的零序电流进行滤波处理以提取其中的SFB频率分量。
然后确定暂态过程的起始和结束时刻。暂态过程起始时刻可确定为故障发生时刻。从SFB分量末尾向前搜索，第1次超越预设阈值的时刻即为故障结束时刻。
接着进行选线。有3种选线方法：①通过比较零序电流SFB分量的幅值大小确定故障线路；②故障线路和健全线路的极性相反，可作为选线依据；③综合比较幅值和极性。第3种方法克服前面2种方法的局限，选择幅值最大的若干条(不小于3条)线路再参与极性比较。
暂态零序电流比较的小电流接地选线系统选线的计算依据是零序容性电流方向，即暂态零序电压、电流间的方向关系。定义参量为：
（10）
对健全线路有：
（11）
對故障线路有：
（12）
式中：Ch是故障线路检测到的背后等效电容。
（11）和（12）表明，参量与电流、电压变化率成正比，其极性代表了暂态容性电流的方向，因此可作为保护用参量。为防止健全线路电流微弱，易受干扰影响发生误动，故保护判据可定为：
（13）
式中：为整定值。
令
（14）
式中：为工频频率，为金属性接地故障时零序电压和整个系统零序电流的工频稳态值。为了充分利用故障后所有暂态信息及增加抗干扰能力，可对参量从故障起始时刻开始进行积分，得到参量为：
（15）
其中
（16）
显然，对任何一条线路，的幅值都随时间增加呈单调上升趋势。但在任何时刻，故障线路的幅值都大于健全线路且极性相反，即故障線路为负而健全线路为正。因此，保护判据也可定为
（17）
2 微机型小电流接地保护装置的设计
2.1 设计原理
信号取样和计算的原理可以表示成下面的流程图：
图3 信号取样和计算的原理
图4是微机型小电流接地保护装置的设计原理图。系统中U、V、W三相母线上的电压互感器PT开口三角侧，取出零序电压，经小变压器降压后，其U0信号送入接地选线模块M1、M2；从同一段母线引出的各馈出线上的零序电流互感器CT二次侧，取出零序电流，经负载电阻R进行I／U变换后，其I0信号依次送入选线模块M1或M2(每个模块可接多至8路I0)。M1、M2依据内部设定的电路和时序判别法则，鉴别出接地故障线路，发出信号，通过驱动电路直接发出声光报警，用发光二极管指示并记忆故障线路(也可引出断路器跳闸命令)，数字显示故障线路编号。如有必要，还可通过接口电路将信号输给工控单片机，进行数据处理，实现自动打印记录、汉字显示、语音报警，并与计算机网络通信。
虚线框内的配置可以简化或去掉。
图4微机型小电流接地保护装置的设计原理图
2.2 选线模块
图5是微机型小电流接地保护装置的选线模块原理。该选线模块主要由零序电压信号处理电路、零序电流信号处理电路、时序鉴别器(这里由两片CPLD构成，也可由单片机构成)、接地选线信号输出电路以及单片机接口电路(STD总线)组成。在模块内，零序电压u0电路再分为两个支路：一路经滤波、移相、整形和光电隔离，变成基准零序电压U0J作为时序鉴别的参考信号；另一路经滤波、移相、鉴幅、整形和光电隔离，变成U0f，作为零序电压的比幅信号。各路零序电流i0的电路经滤波、移相、鉴幅、整形、光电隔离后，变成相位和脉宽可变的信号I0。U0J和1至8路I0方波信号分别送入时序鉴别器。时序鉴别器依据设定的时序鉴别法则分别判断出各线路是接地故障线路还是健全线路。由图3中可以看出，经时序鉴别器输出的接地故障线路选线信号，可直接经驱动器进行音响报警、灯光指示与数字显示；也可以经STD总线接口电路，由外加的单片单板机进行语音报警、自动记录、汉字显示，或通过串行通信接口，将故障信息传给上位机。
图5微机型小电流接地保护装置的选线模块原理
3 结论
通过小电流接地系统的技术现状的分析，比较六种常用的选线方法的优缺点，形成一种基于灰色理论的暂态零序电流比较的小电流接地选线系统的新原理，研究了新原理的数学模型，并据此设计了实用的微机型小电流接地保护装置。
参考文献：
[1] 程路等. 小电流接地系统单相接地选线技术综述[J]. 电网技术，2009（Vol.33 No.18）.
[2] 梁睿等. 零序暂态电流灰色关联分析的小电流接地选线[J]. 中南大学学报(自然科学版)，2010（Vol.41 No.2）.
[3] 薛永端等. 基于暂态零序电流比较的小电流接地选线研究[J]. 电力系统自动化，2003（Vol.27 No.9）.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：小电流接地保护;微机型保护
Abstract: this paper introduces the small current grounding protection general way, studied and discussed the small current grounding protection new principle, and design a microcomputer type small current grounding protection device.
Keywords: the small current grounding protection; Microcomputer protection type
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1 引言
在我国，66 kV及其以下电压等级的供配电系统都采用小电流接地的工作方式。所谓小电流接地系统就是指中性点不接地系统或者经消弧线圈接地系统，它的优点在于接地电流小，瞬时接地可以不引起开关跳闸，相对地说供电可靠性高。但是小电流接地系统中经常发生单相接地故障，发生故障时，因故障电流小，使得故障选线较困难。为了找出故障点，必须采取排查的办法，使用依次断开线路开关的方法找到故障线，这样必然影响到供电的可靠性。所以，小电流接地系统也需要研究新的检测和运行机制，以减少故障的处理时间，提高供电的可靠性。
2 小电流接地系统新原理的研究
1.1 小电流接地系统的技术现状
小电流接地系统的类型一般有三种：一是中性点不接地系统；二是中性点经消弧线圈接地；三是中性点经电阻接地系统。这三种类型都涉及到故障选线问题，选线问题是技术难点和关键。目前常用的选线方法有以下几种[1]：
（1）5次谐波法。由于配电网中5次谐波的含量非常丰富，所以可以用5次谐波分量为选线依据。该方法虽然在我国应用较多，但效果并不理想，因为谐波分量较基波分量小很多，检测不精确，灵敏度低。
（2）有功分量法。系统中存在消弧线圈电阻、线路电导等有功分量，检测这种分量可作为选线依据。这种方法主要利用零序电流有功分量，问题在于当线路及消弧线圈的电阻较小时，零序电流的有功分量较小精度不高，容易误选。
（3）零序导纳法。这种原理是通过零序导纳数值在导纳平面上的分布判断是否发生接地故障，由于判断电导符号的实质就是判断有功方向，也可以认为它是有功分量法的一种扩展，是有功分量法的改进和升级。
（4）基于扰动原理的选线方法。该方法原理是发生单相接地故障后，微调消弧线圈的脱谐度，这样接地点的残流相应改变，故障线路的零序电流也随之改变。
（5）注入信号法。其原理是通过电压互感器，该信号感应到系统一次侧，并通过接地点构成回路，可以在配电网出线端检测注入信号的强弱判断故障线路。该方法曾在我国大量应用，对金属性接地和低阻接地取得了较好效果，但是辨识高阻接地的能力较弱。
（6）基于暂态信号的选线方法。这种方法基于接地故障多数发生在相电压接近最大值处这一前提条件，但在相电压过零点附近时，首半波电流的暂态分量很小，加上过渡电阻的影响，易引起方向误判。
1.2 基于灰色理论的新原理
上面已经介绍了六种常用的选线方法，这些方法在一定条件下都可以发挥其作用，然而又不同程度地存在着一些不足，本文旨在择中选优，再结合一些新的技术手段，形成小电流接地系统选线的新原理。
一种基于灰色理论的暂态零序电流比较的小电流接地选线系统。灰色理论是指不完全信息状况下对所要分析的各因素通过一定的数据处理，在随机的因素序列间找出它们的关联性。这种关联性即灰色关联。
考虑2个灰色关联数列：参考序列及比较序列，且关联系数定义如下[2]：
（1）
假设分辨系数ρ为0.5，那么参考序列和比较序列关联度可如下定义：
（2）
式中：表示参考数列和比较数列之间的关联程度。所有的组成可以构成一个关联度矩阵R。
（3）
考虑故障支路与健全支路之间的关联性，引入绝对关联度：
（4）
那么参考序列和比较序列之间关联度有如下关系：
（5）
利用（5）计算各支路间的灰色关联度，重新获得如下关联矩阵：
（6）
据（6）可计算出各支路与其他支路的平均关联度：
（7）
计算平均关联度差值之和：
（8）
定义：
（9）
利用可评估故障支路和健全支路平均关联度差值，对于n支路的配电网，故障线路的约等于，健全线路的约等于。所以只要该系统馈线数大于3，就可以明显区分出故障线路和健全线路。
1.3 基于暂态零序电流比较的选线系统工作原理
如图1是单相接地故障的零序网络等效图，是故障点虚拟电源在零序网络上的压降；分别为第j条健全线路(j≠i)或者故障线路(j=i)故障点到母线之间的零序线路电感、电阻和分布电容；Dj为各出线检测点；L为消弧线圈零序电感；n为系统出线数。
图2所示为有4条简单出线、中性点不接地系统的典型相频特性示意图。
图1 单相接地故障的零序网络等效图
图2 不接地系统零序网络相频特性示意图
可以证明[3]，在SFB频带范围内，零序电流存在2条分布规律：①故障线路零序电流幅值最大；②所有健全线路零序电流极性相同，而故障线路与之相反。利用这2条分布规律选择故障线，并对所有线路的零序电流进行滤波处理以提取其中的SFB频率分量。
然后确定暂态过程的起始和结束时刻。暂态过程起始时刻可确定为故障发生时刻。从SFB分量末尾向前搜索，第1次超越预设阈值的时刻即为故障结束时刻。
接着进行选线。有3种选线方法：①通过比较零序电流SFB分量的幅值大小确定故障线路；②故障线路和健全线路的极性相反，可作为选线依据；③综合比较幅值和极性。第3种方法克服前面2种方法的局限，选择幅值最大的若干条(不小于3条)线路再参与极性比较。
暂态零序电流比较的小电流接地选线系统选线的计算依据是零序容性电流方向，即暂态零序电压、电流间的方向关系。定义参量为：
（10）
对健全线路有：
（11）
對故障线路有：
（12）
式中：Ch是故障线路检测到的背后等效电容。
（11）和（12）表明，参量与电流、电压变化率成正比，其极性代表了暂态容性电流的方向，因此可作为保护用参量。为防止健全线路电流微弱，易受干扰影响发生误动，故保护判据可定为：
（13）
式中：为整定值。
令
（14）
式中：为工频频率，为金属性接地故障时零序电压和整个系统零序电流的工频稳态值。为了充分利用故障后所有暂态信息及增加抗干扰能力，可对参量从故障起始时刻开始进行积分，得到参量为：
（15）
其中
（16）
显然，对任何一条线路，的幅值都随时间增加呈单调上升趋势。但在任何时刻，故障线路的幅值都大于健全线路且极性相反，即故障線路为负而健全线路为正。因此，保护判据也可定为
（17）
2 微机型小电流接地保护装置的设计
2.1 设计原理
信号取样和计算的原理可以表示成下面的流程图：
图3 信号取样和计算的原理
图4是微机型小电流接地保护装置的设计原理图。系统中U、V、W三相母线上的电压互感器PT开口三角侧，取出零序电压，经小变压器降压后，其U0信号送入接地选线模块M1、M2；从同一段母线引出的各馈出线上的零序电流互感器CT二次侧，取出零序电流，经负载电阻R进行I／U变换后，其I0信号依次送入选线模块M1或M2(每个模块可接多至8路I0)。M1、M2依据内部设定的电路和时序判别法则，鉴别出接地故障线路，发出信号，通过驱动电路直接发出声光报警，用发光二极管指示并记忆故障线路(也可引出断路器跳闸命令)，数字显示故障线路编号。如有必要，还可通过接口电路将信号输给工控单片机，进行数据处理，实现自动打印记录、汉字显示、语音报警，并与计算机网络通信。
虚线框内的配置可以简化或去掉。
图4微机型小电流接地保护装置的设计原理图
2.2 选线模块
图5是微机型小电流接地保护装置的选线模块原理。该选线模块主要由零序电压信号处理电路、零序电流信号处理电路、时序鉴别器(这里由两片CPLD构成，也可由单片机构成)、接地选线信号输出电路以及单片机接口电路(STD总线)组成。在模块内，零序电压u0电路再分为两个支路：一路经滤波、移相、整形和光电隔离，变成基准零序电压U0J作为时序鉴别的参考信号；另一路经滤波、移相、鉴幅、整形和光电隔离，变成U0f，作为零序电压的比幅信号。各路零序电流i0的电路经滤波、移相、鉴幅、整形、光电隔离后，变成相位和脉宽可变的信号I0。U0J和1至8路I0方波信号分别送入时序鉴别器。时序鉴别器依据设定的时序鉴别法则分别判断出各线路是接地故障线路还是健全线路。由图3中可以看出，经时序鉴别器输出的接地故障线路选线信号，可直接经驱动器进行音响报警、灯光指示与数字显示；也可以经STD总线接口电路，由外加的单片单板机进行语音报警、自动记录、汉字显示，或通过串行通信接口，将故障信息传给上位机。
图5微机型小电流接地保护装置的选线模块原理
3 结论
通过小电流接地系统的技术现状的分析，比较六种常用的选线方法的优缺点，形成一种基于灰色理论的暂态零序电流比较的小电流接地选线系统的新原理，研究了新原理的数学模型，并据此设计了实用的微机型小电流接地保护装置。
参考文献：
[1] 程路等. 小电流接地系统单相接地选线技术综述[J]. 电网技术，2009（Vol.33 No.18）.
[2] 梁睿等. 零序暂态电流灰色关联分析的小电流接地选线[J]. 中南大学学报(自然科学版)，2010（Vol.41 No.2）.
[3] 薛永端等. 基于暂态零序电流比较的小电流接地选线研究[J]. 电力系统自动化，2003（Vol.27 No.9）.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。