小电流接地系统技术综述

小电流接地系统技术综述

石亚威

国网江苏省电力有限公司泗洪县供电分公司 江苏宿迁223900

摘要：我国中压电网普遍采用小电流接地系统，该系统的单相接地故障选线问题一直没有得到很好的解决。该文针对这一现状，结合理论分析、仿真研究和文献报导，对现有的接地选线技术进行了归纳，分析了这些选线方法的原理、应用条件及存在的问题，总结了这些方法可行的改进方案和最新的研究成果。最后指出了小电流接地选线技术的发展方向。

关键词：小电流接地系统；故障选线；消弧线圈；继电保护

0引言

我国6-66kV中压电网普遍采用中性点非有效接地方式，具体包括3种：中性点不接地系统(neutral ungrounded system，NUS)；中性点经消弧线圈接地，即谐振接地系统(neutral resonant-grounded system，NES)；中性点经电阻接地系统(neutral resistorgrounded system，NRS)。上述 3 者称为小电流接地系统，其优点在于接地电流小，瞬时接地可以不引起开关跳闸，供电可靠性高。但是发生永久性接地故障时，为了防止因非故障相电压升高、绝缘损坏而导致故障扩大，必须快速准确地选出故障线路并予以切除。小电流接地系统，特别是谐振接地系统故障信号小，不易辨别，给继电保护和故障选线带来了很大的困难。因此小电流接地选线一直是配电自动化领域的研究热点[1]。

本文将在介绍国内外接地选线研究现状的基础上，总结目前广泛采用的选线方法，并分析它们的原理、应用条件和优缺点；对于最新的研究成果和改进措施，给予重点关注；最后指出选线技术的未来发展方向。

1国内外研究现状

在前苏联国家，中性点非有效接地方式得到了广泛应用，其保护原理从过流、无功方向发展到了群体比幅；美国采用大电流接地，即中性点直接接地或经小电阻、小电抗接地方式，故障线路电流很大，基于零序电流无功分量、有功分量均可以实现快速选线。德国是中性点经消弧线圈接地方式的发源地，早在20世纪30年代就提出了基于接地故障暂态过程的保护原理，目前谐振接地方式占据主流，基于扰动原理的选线方法也开始应用。法国在使用NRS 几十年后，现在正以NES取代NRS。法国电力公司开发的DESIR保护装置采用有功分量法原理，该装置针对线路不平衡问题，采用了改进的基于零序电流变化量的选线方法，对高阻接地具有很高的识别率[2]。

2选线方法综述

2.1 5次谐波法

由于NES系统电感值是针对基波频率设定的，且基波电抗和电网对地基波总容抗近似相等。因此对于高次谐波而言，电抗值远大于电网对地容抗值，消弧线圈对于高次谐波电流的补偿作用很小，对高次谐波回路可近似看做中性点不接地系统，此时可以利用谐波电流比幅比相原理作为选线判据。配电网中5次谐波的含量最为丰富，实际应用中多以5次谐波分量为选线依据[4]。5次谐波法选线装置在我国应用较多，但效果并不好，主要有以下几点原因：1）电网中的谐波分量较之基波分量要小很多，对于高阻接地或线路较短情况，谐波分量的检测和提取更为困难；2）受接地过程中产生的谐波含量的影响较大，灵敏度低。这些固有缺陷不易改善，限制了其应用。

2.2 有功分量法及相关改进

实际NES系统中存在消弧线圈电阻、线路电导等有功分量，而消弧线圈电感不能补偿有功分量，接地线路中的零序电流有功分量仍然满足“幅值最大，相位相反”的特征关系。基于这一原理的选线方法有多种，一种是检测中性点零序电压和各出线零序电流，并将零序电流分解为与零序电压同相和正交的2个分量，通过比较同相分量的幅值、相位进行选线。该方法在有功分量较小的情况下容易引起较大的误差，因此有文献提出将消弧线圈与电阻串、并联的中性点接地方式，在永久性接地时短时投入电阻，以增大零序电流的有功分量，可提高选线准确率。该方法的缺陷在于人为增大了接地点的电流，易引起接地电弧重燃，不能充分发挥谐振接地系统的优越性。

针对较小的零序电流相位分解困难且误差较大的问题，有学者提出利用有功能量的判断方法。该方法直接以零序电压和零序电流的乘积积分计算有功能量，以接地线路的有功能量的幅值最大，且相位与非接地线路相反作为选线判据。该方法从原理上讲比第1种方法更为优越，避免了对小信号的分解，实现起来也更为简单。利用零序电流有功分量选线可以利用幅值较大的零序基波电流，对选线有利。实际运行中的主要问题在于：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，检测装置精度不高则易造成误选；另外对于利用三相电流互感器(TA)并联获得线路零序电流的系统，该方法受三相电流互感器不平衡的影响较大。

2.3 基于暂态信号的选线方法

最早出现的基于暂态信号的选线方法是首半波法，其原理是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。发生接地后的第1个半周期内，故障线零序暂态电流和正常线零序暂态电流极性相反。但故障发生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。小波法利用近年来兴起的小波变换理论，提取故障暂态信号的特征量进行故障选线。

小波变换具有时频聚焦特性，对于突变信号具有比傅里叶变换更好的分析效果。选用合适的小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流分量的幅值包络线高于非故障线路，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。合适的小波基函数和小波分解尺度的选取是该方法的重点和难点。

2.4 其他选线方法

某文献提出利用负序电流的通路特征来判断故障线路的方法，突破了以零序电流的分布及特征差异构造选线判据的传统方法。但是负序电流法相对零序电流法存在的最大问题是：由于用户配电变压器高压侧中性点不接地，低压侧中性点直接接地，这使得负载不平衡产生的负序电流可以在高压侧流通，但是零序电流不会在高压侧流通。因此无论系统带何种类型的负载，基于零序电流的相关判据均不会受到影响。由于我国低压用户广泛存在着单相负荷，负载不平衡现象比较严重，导致负序电流法在实际应用中存在较大的困难。

本文介绍的选线方法优缺点，如表1所示：

表1 选线方法优缺点

3 结语

本文分析了小电流接地系统常用的选线方法的基本原理，并结合最新的文献报导，总结了这些方法可行的改进方案。为进一步提高选线的准确性，本文认为需从以下几方面加强研究：1）提高小电流信号检测精度，完善故障录波技术；2）丰富现场运行数据，并准确提取接地故障时的有效信息；3）选线技术的智能化融合，特别是暂态信号法和稳态信号法的有效融合，其中选线方法有效域的确定是关键。以上方向将是选线难点(如高阻接地、弧光接地等)可行的解决方案。

参考文献：

[1]贾清泉．提高配电网单相接地故障选线保护性能的研究[D]．北京：华北电力大学，2002．

[2] Griffel D，Harmmand Y．A new deal for safety and quality on MV networks[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1997，12(4)：1428-1433．

[3] 郝玉山，高曙，杨以涵，等．MLN 系列小电流接地微机选线装置动作原理[J]．电力情报，1994，2(2)：7-11．

[4] 王祖光．微机小电流接地系统接地选择装置[J]．电力系统自动化，

1993，17(6)：48-51．

作者简介：石亚威，1995年1月，江苏省宿迁市泗洪县孙园镇，男，汉族，研究生，继电保护，职称无