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摘要：配电网发生单相接地故障较多，会引起很小的接地故障电流，虽然系统可以带故障运行一段时间，但由于非故障相电压升高容易扩大事故，所以当系统发生小电流接地故障时，能准确快速地判断故障点，对恢复供电，保障电网安全具有重要意义。本文主要从技术现状、存在的主要问题、定位方法的选择上对配电网小电流接地故障定位方法进行了探讨。
關键词：配电网；小电流；接地故障；定位方法
相对于高压输电网络，配电网发生故障的概率要高很多，尤其是单相接地故障较多，统计表明单相接地故障约占配电网故障总数的80%。配电网发生单相接地故障时，不会形成短路回路，仅由系统的分布电容引起很小的接地故障电流，故又被称为小电流接地故障。此时系统三相之间的线电压基本保持不变，对负荷供电不会造成影响，系统可以带故障运行一段时间，但发生单相接地故障后，非故障相对地电压大幅升高，系统中的绝缘薄弱点可能击穿，容易导致系统出现新的接地点使事故扩大，而当前的配网自动化（Distribution Automation，DA）由于缺少有效的小电流接地故障定位功能，严重削弱了DA的应用效果。因此当系统发生相间短路故障时，能准确快速地故障定位，判断故障点，对恢复供电具有极其重要的意义。
1、技术现状
国内外许多专家和学者对小电流接地故障定位技术问题做了大量的研究，并提出了许多故障定位方法。早期的接地故障点定位方法有两种，一是故障点测距，二是检测特殊信号的分布。随着自动化技术的不断提高和完善以及DA系统的广泛应用，基于DA系统实现区的定位已经成为当前小电流接地故障定位技术研究的主要方向。即将线路中安装的馈线终端单元作为检测点，并将检测结果及时传达给DA主站，主站再具体判定存在接地故障的线路区段。当前的小电流接地故障定位技术根据利用信号的不同可分为两大类：主动式和被动式。主动式定位的原理是当线路发生接地故障后，相关装置自动将故障的特定信号传递至DA系统，DA系统再对特定信号的分布情况进行详细的检测和分析，从而确定接地故障点的位置。主动式定位方式具体可分为信号注入法、中电阻法、零序电流突变法和传递函数法四种。被动式故障定位方法是根据发生接地故障后会产生特殊的电压和电流信号的原理，设计接地故障点定位算法，准确确定故障点的位置。包括阻抗法、行波法、稳态零序电流比较法、稳态零序无功功率方向法、五次谐波法、暂态无功功率方向法、暂态零模电流波形相似法、基于数学工具的方法八种被动式故障定位方法。
2、存在的主要问题
2.1 FTU相互难以准确同步
FTU是安装在配电室或馈线上的智能终端设备，具有遥控、遥信，故障检测功能。由于暂态信号频率高、变化快，应用暂态信号的定位方法对测量装置间采样的同步性要求较高。在配电自动化系统中，主要是利用线路上安装FTU的检测暂态零模电流信号，如果需要对不同FTU检测的暂态电流进行比较运算，则需要FTU各之间有较高的时间同步能力，一般要求误差小于1毫秒。目前广泛采用的主站对时方式，FTU的时间同步误差一般在毫秒级，对时误差较大。虽然安装GPS对时模块，可以提高对时精度，但成本增加太多，难以推广。所以对于FTU时间同步误差较大的情况，定位算法须能适应。
2.2 判断方法具有局限性
在大部分接地故障中，除金属性永久接地故障外，很多为瞬时性接地或间歇性接地故障，其故障点普遍为电弧接地。即使金属性永久接地故障，也是因为不稳定电弧接地故障引起的，因此弧光接地在单相接地故障中较为普遍。弧光接地故障的发展较为复杂，一般认为电弧在接地电流过零时媳灭，而在电压接近峰值时重燃。弧光电阻也随电压和电流的变化而非线性变化，弧光接地故障一般情况下是不稳定的。对于弧光接地中的间歇性弧光接地，不稳定的接地电流信号，会造成基于稳态信号的检测方法失去了理论基础。注入信号法需要检测注入信号的分布，也难以适用于瞬时故障和间歇性弧光接地故障。
2.3故障点信号较小，不易获取
由于小电流接地系统单相接地需要检测零序电流和零序电压的信号。对于零序电流信号来说，配置零序电流互感器出线间隔，会直接产生零序电流信号；配置三相的电流互感器虽然可以通过三相合成的方式获得零序电流信号，但由于故障工频稳态电流幅值较小，又存在不确定的误差，获得的稳态零序电流误差较大。对于零序电压信号来说由于线路安装零序电压互感器，成本太高、施工困难容易引起铁磁谐振，影响系统安全运行，而使用非接触式传感器测量零序电压的方法，其检测可靠性和测量准确性不能满足现场应用的要求。
3、定位方法的选择
目前己提出的定位方法性能各不相同，比较时应综合考虑方法的可靠性、安全性、经济性、适用性等方面因素。
3.1 定位的可靠性是评价一种方法的重要指标。无论什么定位方法如果可靠性低，那么肯定不能算是好方法。由于现场条件的复杂性，定位可靠性受多种因素的影响主要有以下几个方面。
3.1.1 定位方法的可靠性。与其利用的信号强度直接相关。所利用的信号强度越大，方法就越不易受到干扰，定位可靠性就越高。主动式方法（中电阻法、信号注入法等）和利用暂态信号的被动式方法由于所利用信号强度较大，定位可靠性要高于利用稳态信号的被动式方法。
3.1.2 是否利用电压信号。故障后系统电压信号（零模电压、线电压暂态分量）与零模电流间存在特定的相位关系。利用电压、电流相位关系的定位方法，不需要比较不同检测点的零模电流，不受线路各启动不同步的影响，定位可靠性高于仅利用零模电流信号的定位方法。
3.1.3 不稳定接地故障。弧光接地与间歇性接地故障在实际运行中发生的概率较高。由于接地故障不稳定，破坏了故障后的稳态量（包括工频、谐波、注入信号）的连续性，影响定位可靠性。当接地故障不稳定时，主动式方法（中电阻法、信号注入法等）和利用稳态信号的被动式方法（稳态电流比较、谐波法等）可靠性降低，但利用暂态信号的被动式方法基本不受不稳定故障的影响。 3.1.4 接地点过渡电阻。故障点存在过渡电阻时，无论是故障产生的稳态电流、暂态电流，还是其它设备产生的附加工频电流或注入电流，其幅值均会随之下降，导致定位可靠性降低。当接地点过渡电阻很大，形成高阻接地故障时，故障信号微弱，现有故障定位方法均难以可靠定位。
3.1.5 安全性。定位方法和装置的安全性至关重要。安全性主要表现在不对一次系统和其它设备造成潜在的危害，定位装置不影响其他设备的正常运行，不改变系统的运行状态，对一次系统无任何不良影响，在发生接地故障时，不增加系统的接地电流等。主动式定位方法需要加装一次设备，定位时要向系统注入电流信号，增加接地电流，形成安全隐患，其安全性低于被动式定位方法。
3.1.6 经济性。选用一种定位方法时，也需要考虑其经济成本。采用不同原理的定位装置结构迥异，相应的装置成本也不同。中电阻法需要加装大功率接地电阻及控制设备，相对而言成本较高，经济性较低。
3.1.7 适用性。影响方法适用性的因素主要有是否受消弧线圈影响、是否需要接入电压信号以及安装是否方便等。信号注入法和暂态零模电流波形相似法不受消弧线圈影响，不需要电压信号，适用性最高。暂态无功功率方向法、利用暂态线电压与零模电流的方法不受消弧线圏影响，但需要接入电压信号，适用性稍低。稳态零序电流比较法和稳态无功功率方向法不适用于经消弧线圈接地系统，适用性最低。
综合来看，目前己有定位方法各有优劣，但尚没有哪种方法在所有方面均表现良好。一般而言，在现在广泛采用的谐振接地系统中稳态零序电流比较法与稳态无功功率方向法受消弧线圈影响较少采用。信号注入法、中电阻法和零序电流突变法定位可靠性较高。但需要增加一次设备与接地点故障电流，因此，在实际应用中安全性系数较低。在实际应用中可采用暂态信号的定位方法，其可靠性和安全性较高。定位方法的选用顺序如下：
（1）暂态无功功率方向法安全性与可靠性最高。如果线路开关安装有零序电压互感器应采用这种法。另一方面，如果加装时FTU可以获得零序电压信号则也可以采用这种法。
（2）FTU 获得线电压信号时应选用基于暂态线电压与零模电流的定位方法。一般而言，加装相间电压互感器较为简单，因此通常线路开关一般配套。
（3）FTU无法获得零序电压信号或线电压信号，只能获得零模电流信号时应选用暂态零模电流波形相似法。
（4）如果 FTU 硬件处理难以采样处理暂态信号时可以选用利用稳态信号的区段零序导纳法。若各FTU无法获得零序电压信号时可统一使用母线处零序电压信号进行计算。
4、结束语
随着社会经济，人民生活水平的提高，现在社会对供电电能质量提出了更高的要求。在发生配电线路故障时，单纯依靠人工巡线查找由于时间慢，查找困难，无论对供电可靠性还是对系统运行都不利，因此，寻找一种合适的配网系统故障定位方法，能快速，可靠，准确的判断故障点对电力发展都具有重大意义。
参考文献：
[1]小电流接地故障暂态选线与定位技术[J].薛永端，张海台，李成刚，徐丙垠.供用电.2015（04）.
[2]小电流接地系统单相接地故障选线方法分析[J].楼书氢，刘爱华，鄢学锋，李青锋.江西电力.2009（01）.
[3]小电流接地故障初相角模拟试验控制系统的设计[J].段秀凱，张新慧，王玮，梁永省，石毅.电测与仪表.2016（06）.
[4]小电流接地故障定位方法及其应用研究.张林利.2013.
[5]小电流接地故障基本特征分析和保护方法[J].杨超.江西能源.2008（04）.
（作者单位：国网山西省电力公司浑源县供电公司）
關键词：配电网；小电流；接地故障；定位方法
相对于高压输电网络，配电网发生故障的概率要高很多，尤其是单相接地故障较多，统计表明单相接地故障约占配电网故障总数的80%。配电网发生单相接地故障时，不会形成短路回路，仅由系统的分布电容引起很小的接地故障电流，故又被称为小电流接地故障。此时系统三相之间的线电压基本保持不变，对负荷供电不会造成影响，系统可以带故障运行一段时间，但发生单相接地故障后，非故障相对地电压大幅升高，系统中的绝缘薄弱点可能击穿，容易导致系统出现新的接地点使事故扩大，而当前的配网自动化（Distribution Automation，DA）由于缺少有效的小电流接地故障定位功能，严重削弱了DA的应用效果。因此当系统发生相间短路故障时，能准确快速地故障定位，判断故障点，对恢复供电具有极其重要的意义。
1、技术现状
国内外许多专家和学者对小电流接地故障定位技术问题做了大量的研究，并提出了许多故障定位方法。早期的接地故障点定位方法有两种，一是故障点测距，二是检测特殊信号的分布。随着自动化技术的不断提高和完善以及DA系统的广泛应用，基于DA系统实现区的定位已经成为当前小电流接地故障定位技术研究的主要方向。即将线路中安装的馈线终端单元作为检测点，并将检测结果及时传达给DA主站，主站再具体判定存在接地故障的线路区段。当前的小电流接地故障定位技术根据利用信号的不同可分为两大类：主动式和被动式。主动式定位的原理是当线路发生接地故障后，相关装置自动将故障的特定信号传递至DA系统，DA系统再对特定信号的分布情况进行详细的检测和分析，从而确定接地故障点的位置。主动式定位方式具体可分为信号注入法、中电阻法、零序电流突变法和传递函数法四种。被动式故障定位方法是根据发生接地故障后会产生特殊的电压和电流信号的原理，设计接地故障点定位算法，准确确定故障点的位置。包括阻抗法、行波法、稳态零序电流比较法、稳态零序无功功率方向法、五次谐波法、暂态无功功率方向法、暂态零模电流波形相似法、基于数学工具的方法八种被动式故障定位方法。
2、存在的主要问题
2.1 FTU相互难以准确同步
FTU是安装在配电室或馈线上的智能终端设备，具有遥控、遥信，故障检测功能。由于暂态信号频率高、变化快，应用暂态信号的定位方法对测量装置间采样的同步性要求较高。在配电自动化系统中，主要是利用线路上安装FTU的检测暂态零模电流信号，如果需要对不同FTU检测的暂态电流进行比较运算，则需要FTU各之间有较高的时间同步能力，一般要求误差小于1毫秒。目前广泛采用的主站对时方式，FTU的时间同步误差一般在毫秒级，对时误差较大。虽然安装GPS对时模块，可以提高对时精度，但成本增加太多，难以推广。所以对于FTU时间同步误差较大的情况，定位算法须能适应。
2.2 判断方法具有局限性
在大部分接地故障中，除金属性永久接地故障外，很多为瞬时性接地或间歇性接地故障，其故障点普遍为电弧接地。即使金属性永久接地故障，也是因为不稳定电弧接地故障引起的，因此弧光接地在单相接地故障中较为普遍。弧光接地故障的发展较为复杂，一般认为电弧在接地电流过零时媳灭，而在电压接近峰值时重燃。弧光电阻也随电压和电流的变化而非线性变化，弧光接地故障一般情况下是不稳定的。对于弧光接地中的间歇性弧光接地，不稳定的接地电流信号，会造成基于稳态信号的检测方法失去了理论基础。注入信号法需要检测注入信号的分布，也难以适用于瞬时故障和间歇性弧光接地故障。
2.3故障点信号较小，不易获取
由于小电流接地系统单相接地需要检测零序电流和零序电压的信号。对于零序电流信号来说，配置零序电流互感器出线间隔，会直接产生零序电流信号；配置三相的电流互感器虽然可以通过三相合成的方式获得零序电流信号，但由于故障工频稳态电流幅值较小，又存在不确定的误差，获得的稳态零序电流误差较大。对于零序电压信号来说由于线路安装零序电压互感器，成本太高、施工困难容易引起铁磁谐振，影响系统安全运行，而使用非接触式传感器测量零序电压的方法，其检测可靠性和测量准确性不能满足现场应用的要求。
3、定位方法的选择
目前己提出的定位方法性能各不相同，比较时应综合考虑方法的可靠性、安全性、经济性、适用性等方面因素。
3.1 定位的可靠性是评价一种方法的重要指标。无论什么定位方法如果可靠性低，那么肯定不能算是好方法。由于现场条件的复杂性，定位可靠性受多种因素的影响主要有以下几个方面。
3.1.1 定位方法的可靠性。与其利用的信号强度直接相关。所利用的信号强度越大，方法就越不易受到干扰，定位可靠性就越高。主动式方法（中电阻法、信号注入法等）和利用暂态信号的被动式方法由于所利用信号强度较大，定位可靠性要高于利用稳态信号的被动式方法。
3.1.2 是否利用电压信号。故障后系统电压信号（零模电压、线电压暂态分量）与零模电流间存在特定的相位关系。利用电压、电流相位关系的定位方法，不需要比较不同检测点的零模电流，不受线路各启动不同步的影响，定位可靠性高于仅利用零模电流信号的定位方法。
3.1.3 不稳定接地故障。弧光接地与间歇性接地故障在实际运行中发生的概率较高。由于接地故障不稳定，破坏了故障后的稳态量（包括工频、谐波、注入信号）的连续性，影响定位可靠性。当接地故障不稳定时，主动式方法（中电阻法、信号注入法等）和利用稳态信号的被动式方法（稳态电流比较、谐波法等）可靠性降低，但利用暂态信号的被动式方法基本不受不稳定故障的影响。 3.1.4 接地点过渡电阻。故障点存在过渡电阻时，无论是故障产生的稳态电流、暂态电流，还是其它设备产生的附加工频电流或注入电流，其幅值均会随之下降，导致定位可靠性降低。当接地点过渡电阻很大，形成高阻接地故障时，故障信号微弱，现有故障定位方法均难以可靠定位。
3.1.5 安全性。定位方法和装置的安全性至关重要。安全性主要表现在不对一次系统和其它设备造成潜在的危害，定位装置不影响其他设备的正常运行，不改变系统的运行状态，对一次系统无任何不良影响，在发生接地故障时，不增加系统的接地电流等。主动式定位方法需要加装一次设备，定位时要向系统注入电流信号，增加接地电流，形成安全隐患，其安全性低于被动式定位方法。
3.1.6 经济性。选用一种定位方法时，也需要考虑其经济成本。采用不同原理的定位装置结构迥异，相应的装置成本也不同。中电阻法需要加装大功率接地电阻及控制设备，相对而言成本较高，经济性较低。
3.1.7 适用性。影响方法适用性的因素主要有是否受消弧线圈影响、是否需要接入电压信号以及安装是否方便等。信号注入法和暂态零模电流波形相似法不受消弧线圈影响，不需要电压信号，适用性最高。暂态无功功率方向法、利用暂态线电压与零模电流的方法不受消弧线圏影响，但需要接入电压信号，适用性稍低。稳态零序电流比较法和稳态无功功率方向法不适用于经消弧线圈接地系统，适用性最低。
综合来看，目前己有定位方法各有优劣，但尚没有哪种方法在所有方面均表现良好。一般而言，在现在广泛采用的谐振接地系统中稳态零序电流比较法与稳态无功功率方向法受消弧线圈影响较少采用。信号注入法、中电阻法和零序电流突变法定位可靠性较高。但需要增加一次设备与接地点故障电流，因此，在实际应用中安全性系数较低。在实际应用中可采用暂态信号的定位方法，其可靠性和安全性较高。定位方法的选用顺序如下：
（1）暂态无功功率方向法安全性与可靠性最高。如果线路开关安装有零序电压互感器应采用这种法。另一方面，如果加装时FTU可以获得零序电压信号则也可以采用这种法。
（2）FTU 获得线电压信号时应选用基于暂态线电压与零模电流的定位方法。一般而言，加装相间电压互感器较为简单，因此通常线路开关一般配套。
（3）FTU无法获得零序电压信号或线电压信号，只能获得零模电流信号时应选用暂态零模电流波形相似法。
（4）如果 FTU 硬件处理难以采样处理暂态信号时可以选用利用稳态信号的区段零序导纳法。若各FTU无法获得零序电压信号时可统一使用母线处零序电压信号进行计算。
4、结束语
随着社会经济，人民生活水平的提高，现在社会对供电电能质量提出了更高的要求。在发生配电线路故障时，单纯依靠人工巡线查找由于时间慢，查找困难，无论对供电可靠性还是对系统运行都不利，因此，寻找一种合适的配网系统故障定位方法，能快速，可靠，准确的判断故障点对电力发展都具有重大意义。
参考文献：
[1]小电流接地故障暂态选线与定位技术[J].薛永端，张海台，李成刚，徐丙垠.供用电.2015（04）.
[2]小电流接地系统单相接地故障选线方法分析[J].楼书氢，刘爱华，鄢学锋，李青锋.江西电力.2009（01）.
[3]小电流接地故障初相角模拟试验控制系统的设计[J].段秀凱，张新慧，王玮，梁永省，石毅.电测与仪表.2016（06）.
[4]小电流接地故障定位方法及其应用研究.张林利.2013.
[5]小电流接地故障基本特征分析和保护方法[J].杨超.江西能源.2008（04）.
（作者单位：国网山西省电力公司浑源县供电公司）