北极星输配电网讯:小电流接地故障选线方法及装置种类繁多，由于缺乏综合性能对比，电网公司在产品选型时存在一定盲目性，选线装置实用效果总体不佳。不同选线技术性能差异较大，以暂态法和注入电流法(通过调整消弧线圈失谐度或在中性点附加中电阻向系统注入电流)为代表的选线技术效果良好，而传统利用故障工频电流、谐波电流的选线方法效果不佳。此外，相同选线原理的不同厂家产品性能也有一定差异。需要注意的是，优秀的选线技术只有配合良好的装置设计及现场安装、维护，才能充分发挥其技术优势，保证选线准确度。
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引言
我国中压配电网普遍采用小电流接地方式，在发生单相接地故障时，系统可带故障运行1～2h，能够显著提高供电可靠性。但是，单相接地运行时，非故障相对地电压升高为线电压，特别是间歇性弧光接地时，非故障相电压最高可达相电压的3倍左右，若长期运行，将使非故障相绝缘薄弱处发生对地击穿，造成两相接地短路故障，引起故障的进一步扩大。因此，必须及时找出故障线路并尽快排除故障，从技术上保证电网的安全运行，提高供电可靠性。
近年来，各类选线技术不断涌现，但由于缺乏必要的综合性能对比与验证，加之选线装置实用方面存在的诸多问题，使得小电流接地故障选线技术及其装置的总体使用效果不够理想。一方面，各生产厂家的小电流接地故障选线装置原理多样，性能不一，即使同一厂家装置在不同应用场合中性能也存在较大差异;另一方面，由于小电流接地故障选线技术及其装置选型通用标准的空白，使得电网公司在该方面的选择存在一定盲目性，选线效果不如预期。因此，研究小电流接地故障选线技术的性能特点，分析选线效果的影响因素，对提高选线效果、保证电网供电可靠性具有重要意义。
本文针对国内主流的小电流接地选线装置，在广西某地进行人工接地试验，全面测试其性能。在介绍几类常用选线原理的基础上，给出了小电流接地故障选线装置的现场测试方法和所得数据，并对试验结果进行了详细分析。所得数据与结论对分析现有选线技术的有效性和影响选线效果的因素具有很大帮助，对于提高选线效果具有重要价值。
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小电流接地故障选线原理
目前，常用选线原理可分为以下4类：利用故障零序电压电流工频或谐波分量的传统选线法;通过调整消弧线圈失谐度或在中性点附加中电阻向系统注入较大电流的注入电流选线法;利用故障暂态电压、电流的暂态选线法;利用故障行波分量的行波选线法。
1.1传统选线方法
1.1.1 基于工频零序电流的选线方法
可分为以下几种原理：
1)零序电流幅值比较法。中性点不接地系统发生单相接地故障时，利用故障线路工频零序电流幅值比健全线路大的特点可选出故障线路。
2)零序电流极性比较法。利用中性点不接地系统故障线路工频零序电流极性与健全线路相反的特点，选择与其他线路电流极性相反的线路为故障线路;如果所有线路零序电流同极性，则为母线故障。
3)零序电流群体比幅比相法。为综合利用工频电流幅值比较和极性比较方法的技术优点，先比较所有出线的零序电流，选出几个幅值较大的线路作为候选线路，再通过极性比较选择故障线路。
4)零序电流无功功率方向法。中性点不接地系统中，故障线路的零序电压超前零序电流90°，无功功率由线路流向母线，而健全线路与此相反，据此可选择故障线路。
5)有功分量法。消弧线圈阻尼电阻及健全线路对地电导产生的有功分量会经故障点返回系统，相比健全线路，故障线路的有功分量最大且方向与之相反，据此可选择故障线路。
1.1.2 谐波法
根据故障线路的5次谐波零序电流比非故障线路都大且方向相反的特点，可以选择出故障线路，称为5次谐波法。为提高灵敏度，可将各线路3、5、7次等谐波电流的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。
1.2注入电流选线方法
根据注入电流产生方法的不同，注入电流法可分为2类：
1)中电阻法。永久接地故障时在中性点和大地之间接入一个阻值适当的电阻，其产生的有功电流主要流过故障线路，据此可实现选线，选线结束后立即切除电阻。不同厂家选线装置采用的电阻值可能不同，通流时间一般从数百毫秒到数秒不等。
2)小扰动法。在接地过程中短时内小范围改变消弧线圈的失谐度，由于故障线路零序电流与失谐度间的约束关系是关于工频谐振点非对称的，而健全线路则是对称关系，因此，零序电流变化量最大的线路即为故障线路，据此可实现选线。
1.3暂态选线方法
1.3.1 基于暂态零序电压电流的选线法
可分为以下几种原理：
1)暂态零序电流幅值比较法。健全线路出口检测到的暂态电流为本线路对地的分布电容电流，而故障线路出口检测到的暂态电流为其背后所有健全线路对地电容电流之和，即故障线路暂态电流幅值大于所有健全线路，据此可实现选线。
2)暂态零序电流极性比较法。由于故障线路出口暂态电流为其背后所有健全线路暂态电流之和，因此故障线路与各健全线路暂态电流的极性相反。比较各出线暂态零序电流的极性，如果某一条出线和其他出线反极性则该出线为故障线路;如果所有出线都同极性则为母线接地故障。
3)暂态功率方向法。健全线路暂态功率由母线流向线路，而故障线路暂态功率由线路流向母线，两者流向相反，可以通过计算暂态功率方向选择故障线路。
1.3.2 暂态能量法
发生单相接地故障时，可对系统各出线的零序瞬时功率进行积分以得到零序能量函数。故障线路的零序能量函数幅值最大且极性与健全线路相反，据此可选出故障线路。
1.4行波选线方法
单相接地故障会产生零模分量和线模分量的电压、电流行波。故障线路中的初始电流行波由故障行波和其反射行波叠加组成，健全线路的初始电流行波仅为故障行波在健全线路的折射行波。因此，当系统含有3条及以上出线时，无论是线模行波还是零模行波，故障线路的初始电流行波幅值均比健全线路大且极性相反，据此可实现选线。
2小电流接地选线装置的现场试验
2.1试验方法及过程
在广西某变电站的10kV出线对国内主流的小电流接地选线装置进行人工接地试验，以验证其在电网发生单相接地故障时能否准确选出故障线路。人工接地点设定在线路末端，接地相为C相。此次试验共邀请10家国内主要选线装置生产厂家共同参与测试，各厂家使用的选线原理见表1。
表1 10种选线装置采用的选线原理
本次试验共进行5个项目：单相金属性接地、单相高阻接地、单相弧光接地、单相水阻接地、单相经草地接地。试验接线示意图见图1。其中，图1(b)为图1(a)中单相接地模块的各类接地方法示意图。
图2为接地试验现场，图3为单相经草地接地现场试验图。
本次试验共形成有效接地故障12次。其中金属性接地故障5次、弧光接地故障3次、水阻接地故障2次、草地接地故障2次。单相高阻(5kΩ)接地故障由于故障电阻过大，故障特征不明显(零序电压<0.1kV)，未能形成有效接地故障，所有选线装置及绝缘监测装置都未启动。各类型故障的典型电气量见表2。
表2中，过渡电阻的计算方法为故障相电压除以接地电流。受故障电流谐波分量以及电压、电流互感器传变误差等的影响，其计算结果可能存在一定的误差。弧光接地时的电压电流为故障点击穿后3个周波内的真有效值。系统经5kΩ高阻接地时，由于故障点电流过小，相对测量误差较大，使得过渡电阻计算值为8.4kΩ。表2中数据皆与理论分析相符。
12次有效接地故障试验中，有2次金属性接地故障模拟了现场经常出现的零序电压信号极性反接情况，其余10次故障模拟了所有电压电流信号完全正常的理想条件。为了考核各选线装置在不同条件下的性能，特别是考核现场普遍存在的信号极性反接条件下的性能，将12次有效接地故障全部纳入评价范围。
2.2试验结果
根据试验安排，表1中A～J 共10种选线装置分别参与了全部或部分测试项目，各次测试的结果见表3。
表3 有效接地故障试验选线结果情况
表3 中，不准确表示选线结果为包含正确结果在内的多个结果，即不完全正确;“—”为该装置未参与或未统计;带* 的故障为零序电压信号反极性的非理想条件。以表3 第9 和第10 组水阻接地故障为例，图4 给出了现场试验所录波形。
图4 中，I2 为故障线路的零序电流，I1、I3 和I4 为正常线路的零序电流。由于装置D 和其余装置分为2 组水阻接地故障测试，因此，图4(a)给出了装置D 在选线时注入的电流信号;图4(b)给出了装置B 的扰动信号和装置H 的注入电流信号。根据表3 可得各厂家选线情况比较图(见图5)，以及各厂家选线准确率比较图(见图6)。
由图6 可知，10 种装置的选线效果可分为3 个层次。第一层次包括A、B、C、D，
成功率均为100%;第二层次包括E、F、G，成功率在70% 左右;第三层次包括H、I、J，
成功率在33% 及以下。
2.3试验分析
结合表1、表3、图5和图6，从各装置所采用的选线原理分析可得：
1)利用小扰动法或中电阻法的装置B、D、H成功率分别为100%、100%和33%，总体选线效果良好，但其会受装置的个体差异(取决于装置的总体结构、软硬件性能、具体算法的适应性等因素)影响。其中，装置H由于受到装置B注入扰动电流的干扰[见图4(b)]，以及试验方法造成其检测的接地前系统电气量不正常，使其选线成功率下降。后在实验室内对装置H重新进行测试，其选线结果均正确。
2)利用故障瞬间暂态信号(不包括行波信号)的选线方法，或以暂态选线方法为主的装置A、C、E、G选线成功率分别为100%、100%、75%和63%，选线效果良好，但仍受个体差异的影响。其中，装置E、G选线错误主要发生在电压信号接线极性反接时。
3)利用行波选线方法的装置F选线成功率为75%，选线效果较好。其2次选线错误没有一定的规律，说明装置或算法不够稳定。
4)利用故障工频、谐波等稳态分量的选线装置I、J选线成功率分别为17%和0%，选线效果整体不佳。
5)对于金属性接地、弧光接地、水阻接地、草地接地等不同故障形式，注入信号选线和暂态选线技术均具有较好的选线效果。
6)两次电压信号不完全正常的非理想条件测试中(表3中序号1、2)，部分装置选线失败，造成选线成功率降低，说明信号极性反接等现场经常出现的状况对选线效果有一定影响。鉴于相同原理的装置在非理想条件的效果各不同，说明该影响主要取决于装置的个体差异(具体算法是否具有适应性等)，而与选线原理和技术并无确定关系。
综上所述，可以发现注入电流法和暂态法选线效果较好，而基于故障工频量、谐波量的传统选线技术则总体效果不佳。主要原因为：
1)由于故障零序电流的暂态分量远远大于稳态分量(一般为数十安培，最大可达数百安培)，能量大，抗干扰能力强，即使在电压过零时故障，也会产生与工频零序电流幅值相当的暂态电流;此外，暂态分量易于从稳态电流和谐波电流中提取，不受消弧线圈、间歇性接地故障的影响。对于间歇性接地和弧光接地故障，频繁出现的暂态过程会使暂态信号的持续时间更长，因此利用故障暂态信号的选线技术可靠性较高。
2)注入电流选线技术和产品主要是利用调整消弧线圈补偿度或在中性点附加中电阻等方式，向系统注入幅值、次数、持续时间不等的电流信号。其可靠性与注入电流的幅值等因素有关，注入信号的幅值越大，或者与工频的特征(如频率、时间间隔性等)差异越明显，成功率越高。试验所用装置可产生幅值为40A左右、注入次数及持续时间各异的注入电流，其幅值较大，因此选线可靠性较高。
3)基于工频零序电流的选线法(除有功分量法)不适用于经消弧线圈接地系统;有功分量法虽适用于经消弧线圈接地的系统，但故障点产生的有功电流很小，容易受弧光接地、间歇性接地故障以及TA不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响;谐波法受谐波源大小和相位关系影响较大，且故障电流中的谐波含量幅值较小(一般小于10%)。因此利用故障工频、谐波等稳态分量选线方法的效果均不佳。
进一步分析，还可得出小电流接地故障选线装置的性能与选线效果除受选线原理这一最重要的因素影响之外，还会受到装置设计、安装及维护措施等因素的影响。要充分发挥选线装置的技术优势，就必须优化其产品软、硬件设计，提高装置的安装及维护质量。
3结语
目前，小电流接地故障选线技术种类多样，装置繁多，由于缺乏针对各类选线技术及装置的性能对比与验证，加之装置设计和现场安装、维护等方面的不足，故障选线效果仍有待进一步提高。
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