不对称电流法检测单相接地故障在10kV配电区域的应用

时间：2024-05-20

董瑞彪，白洁

太原供电分公司，山西太原 030012

1 概述

在小电流接地系统中单相接地的选线和定位一直是当前困扰配电网运行的技术难点，准确的选择接地线路，查找发生单相接地的区段，可以避免对非故障线路不必要的倒闸操作，保持供电的连续性。为此国内外科研人员不断的研究这个课题，并且有许多相应的产品在电网中运行。目前国内有多家公司研制和生产接地短路故障二合一的故障指示器，指示单相接地和短路故障，通过观察故障指示器状态的变化来查找故障区段。

目前基于故障指示器检测单相接地故障的原理主要有两种，一种被称为有源检测法或主动式检测法，另一种被称为无源检测法或被动式检测法。

2 被动式检测法

被动式检测法主要包含以下几种方法：5次谐波法，脉冲幅值法和首半波法。

2.1 5次谐波法

检测线路电流的5次谐波的变化情况，当5次谐波突然增大，同时系统电压下降，则判断为发生接地。

2.2 电容电流脉冲幅值法

该方法是基于单相接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设来检测的。在发生单相接地的瞬间，故障相的对地电容会对接地点放电，从而产生一个放电的电流脉冲，该放电脉冲具有以下特点：1）在接地故障的瞬间，接地点出现一个频率很高幅值很大的暂态电流，暂态电流分量的幅值比流过同一点的电容电流的稳态值大几倍到几十倍；2）在接地瞬间故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，而故障线路分布电容、分布电感和电阻对高频率的暂态分量具有衰减性；3）由于所有非故障线路的暂态电流均流向故障线路，经故障点回到大地，导致故障线路从变电站到故障点之间的暂态电流幅值最大。

2.3 首半波法

这种方法基于的原理也是单相接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设来检测的，于是在发生单相接地的瞬间，故障相的对地电容会对接地点放电，从而产生一个放电的电流脉冲，与电容电流脉冲幅值法不同的是，该方法不是比较幅值大小，而是采样接地瞬间的电容电流首半波与电压波形，比较其相位。当采样接地瞬间的电容电流首半波与接地瞬间的电压同相，同时导线对地电压降低，则判断线路发生接地。

比较以上3种方法来说，首半波法的准确率最高，但实践证明其可靠率也只有60%～70%，主要原因是雷击造成的一些故障其暂态信号很复杂，往往与接地特征很相似，导致其误动率较高。而且他是基于单相接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设来检测的，而有些外力导致的接地会发生在工频过零点附近，此时导线对地的的分布电容没有被充上电，因此没有接地放电脉冲产生，因此也无法检测。

3 主动式检测法——不对称电流法

为了确定小电流接地系统接地故障点所在的出线、分支和区段，该系统用不对称电流源使故障线路上的负荷电流叠加一个具有明显特征的电流信号作为接地故障判据，特征电流流经故障线路、接地故障点和大地返回不对称电流源。挂在线路上的故障指示器检测到该电流信号后自动翻牌，从而指示出接地故障点所在的出线、分支和区段。这种方式克服了现有产品准确度低的缺陷，解决了单相接地故障定位的难题。

当不对称电流源检测到开口三角电压升高到设定值（或者准电子PT检测到接地故障发生）并持续5s后，控制内部的高压交流接触器工作，使得故障线路上产生具有特殊特征的电流信号。

该系统具有很高的安全性，不对称电流源产生的信号不影响变电站主变、接地变、消弧线圈及线路的正常运行（相当于一个阻性负荷投入和退出），不对称电流源在系统正常运行时与一次线路完全隔离。同时由于不对称电流源产生的信号是低频纯阻性的，还可以消除谐振，抑制过电压，降低过电压对系统的危害。由于不对称电流源使故障线路上流过具有明显特征的电流信号，挂在线路上的指示器检测到该特殊信号后才会给出故障指示，因此该检测方法不受系统运行方式、拓扑结构、中性点接地方式的影响，检测准确率很高。

不对称电流源一般安装在变电站内，当变电站内无消弧线圈时，应选用母线型的不对称电流源，其内部有三相交流真空开关和变电站母线的三相通过高压电缆相连。当变电站内有消弧线圈时，则选择消弧线圈型不对称电流源，该不对称电流源内部只有一个交流真空开关，安装时只要将不对称电流源与消弧线圈并连即可。

考虑到有些变电站内部无空间隔、停电不好安排或部门之间不好协调等因素，为了更简单的安装不对称电流源，我公司又研发了户外型不对称电流源。该不对称电流源可以安装在线路上某配电变压器附近，内部采用电子PT代替变电站的电磁式PT，电源直接取自配电变压器。该方式为独创。

上图中不对称电流源由高压真空开关K1、K2、K3、高压二极管D和高压电阻R组成，电阻R为400W。当系统发生单相接地故障时（如C相），不对称电流源检测到开口三角电压升高到设定值（或者电子PT检测到接地故障发生）并持续5s后，控制内部的高压开关（K2）闭合，这样使高压二极管D和电阻R通过大地接在故障相与其它健全相 (如图中的C、B两相)之间，从而使故障线路上的负荷电流又叠加一个有特殊规律的直流脉动电流信号，该电流流经故障线路、接地故障点和大地返回不对称电流源。挂在线路上的故障指示器检测到该电流信号后自动翻牌，从而指示出接地故障点所在的出线、分支和区段。

在我太原供电分公司35kV泥屯变电站供电区域内，采用主动式检测法——不对称电流法，安装了故障指示器检测单相接地故障的线路故障定位系统。根据泥屯变电站运行方式，在10kV东青善线上安装1台检测信号发生装置，在5条10kV的出线上安装了84套故障指示器，22台数据转发站，在农电线路班值班室安装通讯前置机1台，后台监控系统1套。试运行以来，系统运行稳定，各项功能使用正常，故障指示正确，大大缩短配电网的故障查找时间，提高电网运行管理水平，对供电可靠性的提高也具有重要意义。