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【摘要】作者根据近年来小电流接地系统单相接地故障选线原理和技术方面，对基于稳态信息和暂态信息的故障选线方法进行了归纳总结，提出了基于不同故障特征的多种选线方法，并分析各种方法。
【关键词】单相接地；小电流接地选线；稳态量；暂态量
【中图分类号】TM862 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0223-01
近年来，国内外在小电流接地系统单相接地故障选线原理和技术方面进行了广泛而深入的研究与探索，提出了基于不同故障特征的多种选线原理，在一定程度上解决了单相接地故障选线问题。为提高选线准确率，本文提出整合有效判据的具体方案。
1、单相接地故障选线难点的主要原因有以FIll点：
1.1 电流信号太小。小电流接地系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（电缆或架空线）有关，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统常采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流远远小于零序电流。
1.2 干扰大、信噪比小。小电流接地系统中的干扰主要包括两方面：一是在小电流接地系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。
1.3 随机因素影响的不确定。系统运行方式改变频繁，造成系统出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也随之频繁改变；此外，母线电压水平的高低、负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。
1.4 电容电流波形的不稳定。小电流接地系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。
2、几种常用选线方法分析
2.1 基于稳态量的故障选线方法
2.1.1 零序电流比幅法小电流接地系统发生单相接地短路时，流过故障元件的零序电流其数值等于全系统非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，据此只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。此法依靠的是本线路的电容电流，但这种原理在系统电容电流较小且存在长线路的情况下，较难满足选择性的要求，同时当接地点存在电阻时易发生拒动现象。
2.1.2 零序功率方向法小电流接地系统发生单相接地短路时，其故障线路和非故障线路的零序电流的方向不同，前者滞后零序电压90°，后者超前90°。据此以零序电压和零序电流的乘积作为输入信号可构成接地保护。此法在系统运行方式发生改变后无需重新整定，线路的长短影响不大，但在谐振接地系统中失效。
2.1.3 零序导纳法零序导纳法定义线路零序测量导纳等于零序电流与零序电压的比值。通过分析各条线路零序测量导纳在导纳向量平面上的分布确定故障线路。发生单相接地短路时，非故障线路K的零序测量导纳等于线路自身导纳，而故障线路零序测量导纳等于电源零序导纳与非故障线路零序导纳之和的负数。
2.1.4 稳态5次谐波幅值相位法
经消弧线圈接地系统消弧线圈是针对基波设计，基波零序电流几乎被消弧线圈电感电流抵消。与基波情况相比较，消弧线圈在5次谐波下感抗为基波下的5倍，通过消弧线圈的电感电流减小到1/5，而线路容抗在5次谐波下减小到1/5时5次谐波容性电流就增大到5倍，可近似认为消弧线圈对5次谐波电流是开路的。故障点非线性因素会产生谐波电流，其中以5次谐波分量为主。在发生单相接地时5次谐波电流在各线路上的分布与基波零序电流相同。除基波零序分量以外，谐振接地系统中5次谐波电流最大（为非故障线路的总和）。根据5次谐波电流大小、方向或功率方向找出故障线路。
2.1.5 负序电流法
选择负序电流最大的线路或直接选择负序电流超越一定门槛的线路作为故障线路。由于线路TA三相特性会有差异，由此产生的不平衡电流可能将系统实际负序电流“淹没”，大大降低选线灵敏度。这种方法受系统负荷不对称程度影响较大，负序电流的获取也比较困难。
2.2 基于暂态量的选线方法
2.2.1 首半波法
首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减振荡特性。该电流流经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零瞬间。而故障发生在相电压接近于最大值的瞬间时，暂态电感电流为零此时的暂态电容电流比暂态电感电流大得多。不论是中性点不接地系统还是中性点经消弧线圈接地系统，故障发生瞬间的暂态过程近似相同。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点，即可实现选线但故障发生在相电压过零值附近时，首半波电流的暂态分量值很小，以及过渡电阻的影响，易引起方向误判。
2.2.2 基于小波变换的选线方法
小波分析作为一种现代信号处理的理论及方法，能对随机信号进行精确的分析，尤其是对微弱信号以及暂态突变信号的变化比较敏感，可以从中提取出有效的故障特征。根据小波变换的模极大值理论，当出现噪声及故障的时候，就会造成信号奇异，而小波变换的模极大值点与采样数据的奇异点相对应，因伴随尺度的增加，噪声的模极大值会逐渐的衰减，因而经过一定的尺度分解之后，就可以忽略噪声所产生的影响，从而得到比较理想的暂态短路信号。小波变换就是将一个信号分解为不同位置及尺度的小波的和，在选用合适的小波及小波基变换暂态零序电流特征分量之后，不难发现，对于暂态零序电流特征分量的幅值包络线而言，故障线路上的要比非故障线路的高，且两者有相反的极性，从而就可以构造出运用瞬时电流信号的选线判据。小波分解尺度和小波基函数的选取是小波分析法的难点所在。由于实际运行过程中出现的状况复杂多变，也许会有暂态分量低于稳态分量的情形，此时应当提取各出线零序电流及母线零序电压基波的小波系数，然后运用类似的方法来构造选线判据。
2.2.3 暂态电流特征频带测度选线法
将测度比值作为固定的判断准则值，由于健全线路个非故障相上暂态电流起到了助增的作用因此，故障线路故障相暂态电流的特征频带值与非故障相特征频带值的特征比值为2，即大于单一线路的情况。判据准则是特征频带测度的相对值，完全不同于常规选线原理，也不同于目前保护原理的定值。它对系统的多变因素、不确定因素具有较强的抑制性和自适应能力。
3、总结
当小电流接地系统发生单相接地故障时，根据以上提供的方法可更准确、快捷、方便地选出单相接地故障线路，发出报警信号或跳闸命令。这样在很大程度上节省人力和时间，大大提高电力线路的自动化程度，提高供电可靠率。
【关键词】单相接地；小电流接地选线；稳态量；暂态量
【中图分类号】TM862 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0223-01
近年来，国内外在小电流接地系统单相接地故障选线原理和技术方面进行了广泛而深入的研究与探索，提出了基于不同故障特征的多种选线原理，在一定程度上解决了单相接地故障选线问题。为提高选线准确率，本文提出整合有效判据的具体方案。
1、单相接地故障选线难点的主要原因有以FIll点：
1.1 电流信号太小。小电流接地系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型（电缆或架空线）有关，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统常采用5次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流远远小于零序电流。
1.2 干扰大、信噪比小。小电流接地系统中的干扰主要包括两方面：一是在小电流接地系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。
1.3 随机因素影响的不确定。系统运行方式改变频繁，造成系统出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也随之频繁改变；此外，母线电压水平的高低、负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。
1.4 电容电流波形的不稳定。小电流接地系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。
2、几种常用选线方法分析
2.1 基于稳态量的故障选线方法
2.1.1 零序电流比幅法小电流接地系统发生单相接地短路时，流过故障元件的零序电流其数值等于全系统非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，据此只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。此法依靠的是本线路的电容电流，但这种原理在系统电容电流较小且存在长线路的情况下，较难满足选择性的要求，同时当接地点存在电阻时易发生拒动现象。
2.1.2 零序功率方向法小电流接地系统发生单相接地短路时，其故障线路和非故障线路的零序电流的方向不同，前者滞后零序电压90°，后者超前90°。据此以零序电压和零序电流的乘积作为输入信号可构成接地保护。此法在系统运行方式发生改变后无需重新整定，线路的长短影响不大，但在谐振接地系统中失效。
2.1.3 零序导纳法零序导纳法定义线路零序测量导纳等于零序电流与零序电压的比值。通过分析各条线路零序测量导纳在导纳向量平面上的分布确定故障线路。发生单相接地短路时，非故障线路K的零序测量导纳等于线路自身导纳，而故障线路零序测量导纳等于电源零序导纳与非故障线路零序导纳之和的负数。
2.1.4 稳态5次谐波幅值相位法
经消弧线圈接地系统消弧线圈是针对基波设计，基波零序电流几乎被消弧线圈电感电流抵消。与基波情况相比较，消弧线圈在5次谐波下感抗为基波下的5倍，通过消弧线圈的电感电流减小到1/5，而线路容抗在5次谐波下减小到1/5时5次谐波容性电流就增大到5倍，可近似认为消弧线圈对5次谐波电流是开路的。故障点非线性因素会产生谐波电流，其中以5次谐波分量为主。在发生单相接地时5次谐波电流在各线路上的分布与基波零序电流相同。除基波零序分量以外，谐振接地系统中5次谐波电流最大（为非故障线路的总和）。根据5次谐波电流大小、方向或功率方向找出故障线路。
2.1.5 负序电流法
选择负序电流最大的线路或直接选择负序电流超越一定门槛的线路作为故障线路。由于线路TA三相特性会有差异，由此产生的不平衡电流可能将系统实际负序电流“淹没”，大大降低选线灵敏度。这种方法受系统负荷不对称程度影响较大，负序电流的获取也比较困难。
2.2 基于暂态量的选线方法
2.2.1 首半波法
首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减振荡特性。该电流流经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零瞬间。而故障发生在相电压接近于最大值的瞬间时，暂态电感电流为零此时的暂态电容电流比暂态电感电流大得多。不论是中性点不接地系统还是中性点经消弧线圈接地系统，故障发生瞬间的暂态过程近似相同。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点，即可实现选线但故障发生在相电压过零值附近时，首半波电流的暂态分量值很小，以及过渡电阻的影响，易引起方向误判。
2.2.2 基于小波变换的选线方法
小波分析作为一种现代信号处理的理论及方法，能对随机信号进行精确的分析，尤其是对微弱信号以及暂态突变信号的变化比较敏感，可以从中提取出有效的故障特征。根据小波变换的模极大值理论，当出现噪声及故障的时候，就会造成信号奇异，而小波变换的模极大值点与采样数据的奇异点相对应，因伴随尺度的增加，噪声的模极大值会逐渐的衰减，因而经过一定的尺度分解之后，就可以忽略噪声所产生的影响，从而得到比较理想的暂态短路信号。小波变换就是将一个信号分解为不同位置及尺度的小波的和，在选用合适的小波及小波基变换暂态零序电流特征分量之后，不难发现，对于暂态零序电流特征分量的幅值包络线而言，故障线路上的要比非故障线路的高，且两者有相反的极性，从而就可以构造出运用瞬时电流信号的选线判据。小波分解尺度和小波基函数的选取是小波分析法的难点所在。由于实际运行过程中出现的状况复杂多变，也许会有暂态分量低于稳态分量的情形，此时应当提取各出线零序电流及母线零序电压基波的小波系数，然后运用类似的方法来构造选线判据。
2.2.3 暂态电流特征频带测度选线法
将测度比值作为固定的判断准则值，由于健全线路个非故障相上暂态电流起到了助增的作用因此，故障线路故障相暂态电流的特征频带值与非故障相特征频带值的特征比值为2，即大于单一线路的情况。判据准则是特征频带测度的相对值，完全不同于常规选线原理，也不同于目前保护原理的定值。它对系统的多变因素、不确定因素具有较强的抑制性和自适应能力。
3、总结
当小电流接地系统发生单相接地故障时，根据以上提供的方法可更准确、快捷、方便地选出单相接地故障线路，发出报警信号或跳闸命令。这样在很大程度上节省人力和时间，大大提高电力线路的自动化程度，提高供电可靠率。