单相接地故障选线算法优化方案

在小电流接地系统中，单相接地故障占整体故障的80%以上。小电流接地系统在发生单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，且三相线电压依然对称，不会影响系统正常工作，因此允许电网带故障运行一段时间，不必立即切除故障线路，其供电的持续性和可靠性大大提高。但是，若长时间带接地故障运行，容易造成非接地相绝缘薄弱处的击穿，从而形成两相短路、两点或多点接地，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。因此，发生单相接地故障后，应在最短的时间内确定故障线路以及故障点的位置，将故障隔离在最小的范围，保证其余绝大部分用户正常用电，并且迅速排查故障线路、处理故障点。

小电流接地系统单相接地故障的选线方法，各国均有一定的研究。主要分为力学选线方法与电学选线方法。力学选线方法是根据电线故障时受力与非故障时受力不同的特性进行选线；电学选线方法根据故障与非故障波形的变化进行选线。电学选线按照利用信号方式的不同又可分为基于故障稳态信号的选线方法、基于故障暂态信号的选线方法、基于注入信号的选线方法和综合信息融合选线方法。

1.基于故障稳态信号的选线方法

基于故障稳态信号的选线方法具有信号获取方便的特点。最早应用的选线方法就是基于稳态信号选线，该类方法发展到现在已较为成熟。

（1）零序稳态电流比幅法

零序电流比幅算法是根据小电流系统发生单相接地故障后，流过故障线路的工频零序电流幅值最大，以此为判据进行故障选线。

零序电流比幅法以零序电流基波分量为故障特征量，对数据采集硬件要求较低，算法简单，易于实现。但这种方法受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小、电流互感器（TA）不平衡等诸多情况的影响，会导致误判、多判、漏判，在实际工程中并不实用。

（2）零序电流比相法

零序电流比相法是利用中性点不接地系统发生单相接地故障后，故障线路上的工频零序电流方向与健全线路上的相反这一特点进行故障选线。但该方法在一定情况下容易产生“时钟效应”，难以判断相位不同，且受电流互感器、过渡电阻、继电器及系统运行方式等因素的影响，易产生误判，只适用于中性点不接地系统。

（3）零序电流群体比幅比相法

群体比幅比相法是前两种方法的融合，该方法利用故障信息之间的相对关系，将孤立的故障信息融合比较，克服了采用单一故障信息时的缺陷，在比幅的基础上，故障线路与非故障线路零序电流的极性相反；否则，判断为母线故障。该方法采用零序稳态电流作为故障特征量，容易分辨，且不需施加任何信号，避免了外加信号对系统的影响，安全可靠。该方法在一定程度上克服了零序电流幅值法和相位法的缺陷，但没有从根本上解决这两种方法存在的问题，仍然不能避免电流互感器不平衡电流及过渡电阻的影响，“时针效应”仍可能存在。且仅适用于中性点不接地的配电系统，这使其在推广应用中受到很大的限制。

（4）Δ（Isinφ）法

为消除电流互感器不平衡电流的影响，可采用最大Δ（Isinφ）选线方法。单相接地时零序电压、电流相位关系如图8-21所示。设定一个参考信号，依次求出线路相对于该参考信号的投影值，计算出线路故障前后的投影值之差，选出最大差值，也就是Δ（Isinφ）。若Δ（Isinφ）>0，则此线路为故障线路，否则为母线故障。该方法理论上消除了TA不平衡电流的影响，但计算过程中需要取一参考信号，若该信号出问题将造成算法失效，而且计算较为繁琐。

（5）谐波分量法

图8-21 单相接地零序电压、电流相位关系

故障阻抗、线路设备等其他非线性因素会在系统中产生谐波电流，其中以五次谐波分量为主。对于五次谐波来说，五次谐波电容电流是五次电感电流的25倍，即使在中性点经消弧线圈接地系统中采用过补偿，也远不能补偿五次谐波电容电流。因此一般条件下故障线路的五次谐波电流比非故障线路的大且方向相反。

但电力系统中五次谐波的含量是受到限制的，不允许其值过大，而且负荷中的五次谐波源、TA不平衡电流和接地点过渡电阻大小，均会影响五次谐波的大小以及其测量精度，因此五次谐波的含量占基波的比例较小，而幅值小的零序电流中的五次谐波含量更是微乎其微，其相对误差很大。因此，五次谐波法的定位精度难以保证，特别是故障点过渡电阻较大时，五次谐波电流将急剧减小，很可能造成误判、漏判，这是五次谐波算法明显的不足。

（6）零序导纳法

推导出各条线路的零序对地导纳值，并将其作为参考值。发生单相接地故障后，调节消弧线圈的补偿值，故障线路的零序对地导纳值将发生改变，比较系数前后发生的变化可以推出故障线路。该方法灵敏度较高，但需要与消弧线圈配合使用，不适用于不接地或消弧线圈不能自动调谐的系统。

（7）残流增量法

在中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相永久性接地故障时，改变消弧线圈的失谐度，非故障线路零序电流基本不变，而故障线路零序电流变化量最大。通过对比各条馈线在失谐度改变前后的零序电流的变化，可判定变化量最大的为故障线路。该方法可消除TA等带来的测量误差，可多次调节以提高选线可靠性。但对消弧线圈精度要求高，在高阻接地和间歇性电弧接地情况下影响选线的准确度。该方法只适用于中性点经调谐式消弧线圈接地系统，且刻意要求消弧线圈脱档调节。

（8）负序电流法

小电流接地系统发生单相接地故障时，有负序电流产生，其变化特征与零序电流相同。因此，以负序电流为故障特征量实现故障区段的定位也是研究方向之一。由于电源回路负序阻抗比较小，故障线路的负序电流绝大部分流入了电源回路，使得非故障线路的负序电流比较小，所以故障线路上故障点和母线之间的节点测得的负序电流很大，而其他位置测得的负序电流则很小。负序电流法就是基于该原理提出的。由于负序电流不受消弧线圈补偿的影响，因此，该方法也可适用于中性点经消弧线圈接地系统，且抗过渡电阻能力强。但正常运行时，由于负荷的不平衡，线路中也会存在较大的负序电流，而且负序电流的获取远不如零序电流来得简单、精确，所以负序电流法的实际应用效果并不会比零序电流法好。

基于稳态信号的选线方法的优点是稳态信号持续时间长，可以连续多次运用稳态信号选线并综合判断，从而保证选线的准确率。同时，其缺点也非常明显，部分选线方法的应用受到中性点接地方式、线路长度、过渡电阻大小的影响，且稳态信号的幅值较小，易受互感器测量误差和噪声影响，影响选线精度；另外，在出现故障点电弧不稳定、间歇性接地故障等情况时，选线的准确性会严重下降。(www.xing528.com)

2.基于故障暂态信号的选线方法

暂态信号含有比稳态信号更丰富的信息量，但暂态时间远小于稳态，故障暂态电流波形不易获取。以下为一些常见的暂态选线方法。

（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的瞬间假设的，此时故障相电容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，该电流不经过消弧线圈，所以接地故障发生在相电压过零的瞬间时，暂态电感电流的最大值出现；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。该方法可检测不稳定接地故障，但极性关系成立的时间很短，要求检测装置的数据同步采样速度快；同时，该方法易受线路参数、故障初相角等因素的影响。

（2）暂态相电流法

以故障相电流增大、故障相电压降低的故障特征建立故障模型。通过与实际模型进行比较，符合实际模型的线路为非故障线路，不符合的线路为故障线路，若线路全部符合，则为母线故障。该方法采样的相电流幅值较大，因此受干扰影响较小，但线路参数不易获取。

（3）暂态零序电流五次谐波法

故障时，零序电流的幅值随频率的增大而减小。在中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，故障线路与非故障线路的零序电流极性相反，故障线路零序电流能量是非故障线路和消弧线圈所在支路的能量之和。由于消弧线圈是按照基波整定的，消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅为基波的1/25，因此，五次谐波受消弧线圈干扰较小。但由于五次零序电流幅值较小，受其他干扰影响较大，易影响选线结果。

（4）暂态零序能量法

故障前，所有线路的能量为零。故障时，零序系统有且只有故障点处一个零序电压源，故障线路的总能量远大于其余非故障线路。该方法的适用度较广，但由于零序电流有功分量较小，积分过程中的误差不可避免，因此该方法还有待研究。

3.基于注入信号的选线方法

注入信号法包括注入单频信号法和注入变频信号法。这两类方法无需考虑系统运行方式和系统类型，直接在中性点安装一信号注入装置，通过向系统注入某一特定信号来进行检测。优点是通用性较广，注入信号易于检测，但只适用于装设两相电流互感器的线路，且受电压互感器容量和分布电容的影响大，装置的安装过程需中断线路的供电，影响供电可靠性。

4.综合信息融合选线方法

依赖直接根据暂态或稳态特征进行选线的方法使用限制较大。研究人员发现，与数据处理方法融合选线能有效提高选线的适用度。

（1）多层前馈神经网络法

以神经网络为基础，具有较强的自训练能力，利用已知的暂态零序电流特征量进行多层训练，能够实行分布式存储。先构建一个神经网络训练模式，后对数据进行自适应训练，在达到允许条件的情况下，结束训练。根据训练前与训练后故障暂态零序电流的特征，获得最终的选线结果。该方法基于已知的信息量训练，但原始信息的可靠性未知，纠错能力未知，因此还需现场检验。

（2）模糊综合判据法

基于模糊信息融合原理，将3种及3种以上的具有代表性的选线方法综合起来构成判据。各种选线方法取长补短，提高了选线的精度，必须满足多个判据，才可判断出故障线路，该方法提高了选线的适用度。

（3）小波变换法

故障线路上，暂态零序电流特征分量的小波系数幅值高于非故障线路，且相位相反，利用此特点选出故障线路。该理论对中性点不接地和经消弧线圈接地系统皆适用，尤其是故障状况复杂，故障波形混乱的情况。但由于采用的暂态信号呈现局部、随机、非稳定性的特点，可能出现暂态过程不明显的情况。

选线保护装置多年来的运行情况也暴露出其在保护原理、技术上的不成熟，因此非常有必要对配电网故障选线进行更加深入、细致的研究。当前配电网故障选线的主要发展趋势有以下几点：

1）接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍，提取暂态信号中的有效特征分量可显著提高选线精度。利用先进的信号处理技术对突变的、微弱的非平稳故障信号进行精确处理来提取出新的故障特征判据仍然是目前研究的热点。

2）由于配电网单相接地故障的情况复杂，单一的选线判据往往不能覆盖所有的接地工况，很难完全适应各种电网结构与复杂的故障工况的要求。因此，综合利用多种故障稳态、暂态信息，将多种选线方法进行融合来构造综合选线方法是一种新的研究思路。

3）随着人工智能算法的蓬勃发展，人工智能技术在配电网故障选线中应用将得到进一步拓展。