基于零序电流分析的小电流接地系统单相接地故障自动选线方法

张士林

（荆州供电公司变电运维分公司，湖北荆州 434200）

0 引言

在配电网的运行过程中，单相接地故障是一种常见的问题，特别是在小电流接地系统中，中性点不接地或经消弧线圈接地往往会造成单相接地故障［1］，因此及时、准确地找出故障线路成为需要重点研究的一个问题。在小电流接地系统中，合理地运用选线方法能定位和识别故障点；针对具体的系统运行情况，结合多种信号处理方式［2］，运用识别技术可改进和优化单相接地故障处理的过程，提高选线的准确性，使选线过程更加实时化。

张国军等［3］采用多零序电流互感器结构和补偿参数介入的方法，研究小电流接地系统单相接地故障的选线问题，根据不同性质的补偿参数，分析各零序电流互感器电流幅值，在考虑故障点零序电流变化规律的情况下，设计选线判据，实现故障线路的识别。该方法在选线过程中易受接地系统运行方式等因素影响，出现错选的情况。刘斯琪等［4］将故障稳态特征作为参考依据，基于零序电流幅值连调，确定选线范围，通过注入信号逐次调控中性点电压，确定故障特征的零序电流幅值变化，实现故障区域的判断。该方法由于受限于早期的继电保护理论，电流互感器不平衡，因此当故障点离互感器较远时，零序电压变化较小，容易对故障区域判断失误。嵇文路等［5］对小波包全频带进行分析，结合序贯极限学习机，确定小电流单相接地故障暂态信号的特征量，经过多次迭代后实现数据训练，通过更新的数据和网络结构完成选线，确定单相接地故障线路的位置。但该方法受线路运行环境的影响，选线正确率无法满足预期值。王义凯等［6］提出基于被选频带零序能量的选线方法，协同多模接地控制，将中性点切换至小电阻接地方式，促使健康的零序电流电压幅值降低、故障线路的零序电流幅值增高，结合电流切换相位差，实现故障线路的选定。该方法对于故障线路的信号提取较少，不能准确描述故障线路的信号特征，因此在进行选线的过程会导致选错的情况出现。

为不断改进和优化选线方法，提高电力系统的稳定性和可靠性，本文以零序电流分析的小电流接地系统为研究对象，阐述该系统单相接地故障自动选线方法，并且结合实际情况进行分析与研究。

1 小电流接地系统单相接地故障自动选线方案设计

1.1 定义导纳不对称度参数

通过注入信号并根据线路中的电流变化量计算线路的方式对地导纳进行选线。为提高分析速度，在电网正常运行的情况下，可忽略线路的对地电阻，使配电网高压母线与大电网相连，消除线路中的阻抗［7］。采用三角形接线忽略负荷对零序电流的影响，通过集中参数得到小电流接地系统的电容电流分布情况（如图1所示）。

图1 小电流接地系统电容电流分布图

任意线路的不同相对地电流表示为CA、CB、CC，将线路的零序电流叠加，可计算出正常运行时线路的导纳不对称度，计算公式为

其中：K为导纳不对称度；C为三相零序对地电容。因为架空线路三相电容几乎相同，所以K值一般较小。在分析过程中，设定线路三相对地电容相等，零序电流在不对称度的计算过程中容易产生分量。根据线路的三相对地电路数值，求得导纳不对称度，计算公式为

其中：I为对地电流；U为三相电压的不对称度；jwCU为对地导纳不对称度；U0为零序电压。通过上述公式能实时测量不同线路中的导纳不对称度，使线路三相度对地参数保持一致，保持不同线路中的三相平衡［8］。通过比较导纳不对称度参数进行特征分析，当发生单相接地故障后，计算故障线路保护安装位置的零序电流，判断容性电流方向。如果非故障线路在故障发生前后没有发生结构变化，则导纳不对称度为0；如果线路参数发生了变化，则根据零序电压判断其故障线路的导纳不对称度。在计算过程中需要对故障线路的导纳进行改进，通过装置实时测量，在一定程度上放大故障电流值，故障发展过程增大可使对地电容参数得到一定的改进。

1.2 消弧线圈接地系统零序电流增量分析

为了满足故障点电流小于10 A 的要求，消弧线圈的电阻值取300 Ω，以此分析系统线路的零序电流有功分量［9］。系统确定故障为单相接地故障后投入电阻，使单相接地馈线的零序电流发生变化。以故障线路在电阻投入时的零序电流导纳不对称度K为选线判据，当系统正常运行时，三相具有的对地电容一致，中性点电压为0。设定线路发生单相接地故障，则投入中电阻前，三相电压的不对称度可表示为

其中：X0为零序电阻；R为中心点中电阻。过渡电阻短路使A 相的对地电压数值发生变化。当不计电压降压结果时，A 相的对地电压可通过计算获取。计算该电压与零序电压，得到零序电流稳态值在中电阻投入后的计算结果。当结果大于1 时可以选取故障线路。根据相关规定，当接地电流小于10 A 时，运用不接地方式运行。选择接地电流为10 A，通过计算可以得到中性点的电阻值，所以在不接地系统中，当接地电阻满足一定条件时，零序电流增量可以用于选线［10］。当系统中的接地电阻超过条件时，产生的零序电流增量不符合应用标准。同时，在系统欠补偿工作运行状态下，通过比较零序电流有功分量与零序电压值，即能判断线路是否健全，因此可以将此作为单相接地故障选线的判断依据。

1.3 小电流接地系统单相故障自动定位选线

当电阻投入中性点系统后可确定故障线路。在实际运行过程中，通过抑制的中性点接地方式能得到最大相的电压和偏移电压之间的差值，从而判断故障发生的相别。通过确定故障类型可以确定短路状态，因此在中性点小接地系统中，投入电阻后流过故障线路的零序电流基本呈容性，健全线路和故障线路中电流均为0。因为故障点下游流过的阻性电流较小，所以提出故障选线的判断依据如下：

其中：M为所有出线；Ii为线路所测得的阻性电流；Ij为健全线路所测得的阻性电流。配电线路正常运行时会出现负荷不平衡的问题，同时流过的电容电流易产生零序电流，此时系统单相接地电容电流的计算公式为

其中：C为电容；U为电压；w为电抗。通过与10 A 的标准值进行比较，可以计算出电流值，从而判断系统消弧线圈的补偿度并对其进行补偿。经消弧线圈补偿后，电流呈容性，与电压的夹角为直角。根据在不同中性点接地方式下单相接地故障的特征差异，分析三相接地故障特征。运用小波对故障信号进行分解，为有效提取故障产生的零序电流的高频幅值，在分解信号时加入白噪声序列，再进行分解处理［11］。通过提取分解后波形的奇异点对信号进行平稳化处理。如果产生的零序电压超过母线额定电压幅值，对线路的零序电流信号进行EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition，集合经验模态分解）分解，将分解后的最高频分量IMF（Intrinsic Mode Functions）进行差分处理，比较故障线路与健全线路的幅值，将其作为对故障线路进行选线的判断依据。

2 实验测试与分析

为模拟现场噪声对电气设备的影响，将得到的不同线路的零序电流加入噪声并进行分解，求解特征固有模态能量，将结果进行归一化处理。将得到的样本数据输入神经网络中，根据实际结果分析本文方法的选线效果。运用本文方法对处理好的仿真数据进行训练并测试，通过与传统方法比较，判断选线方法的优化程度。

2.1 搭建实验环境

运用PSCAD（Power Systems Computer Aided Design，电磁暂态仿真软件）进行电磁暂态仿真。在PSCAD 中建立6 条馈线，经消弧线圈接地系统发生单相接地故障，其中1 号馈线为架空线路。在配电网仿真模型中不同线路的长度分别为13 km、18 km、17 km、20 km、14 km、15 km；在仿真模型中架空线路阻抗为0.354 Ω/km，导纳为3.15×e-6s/km。通常情况下，为避免发生谐振过电压，消弧线圈为过补偿状态。设定故障仿真时间，故障电阻为100 Ω。在此过程中，需要对变压器中性点的零序电压进行阈值判断，并且分析故障发生后的零序电流波形，才能得到不同线路中的IMF 分量。将信号分解成IMF 分量，引入特征固有模态能量（配电网中“*”表示电弧接地故障，“×”表示配电网发生经高阻接地模型故障）。选线过程中设定大故障样本数量为800个，将得到的样本数据输入神经网络中进行训练，并且按照对应结果进行类别判断。设置网络中的spread 值，获得故障选线性能。最后，计算选线的准确程度，得到具体的误差值。

2.2 结果与分析

将样本数据进行归一化处理，得到特征固有模态能量的特征分量（见表1）。

表1 归一化后的特征固有模态特征分量

统计表1中的归一化数据后输入神经网络，对测试样本进行训练，得到的训练结果如图2所示。由图2 可知，网络中训练结果较为稳定，没有出现选错的情况，达到了良好的训练状态。使用训练数据在不接地系统中进行仿真测试，在电弧、高阻接地故障状态下，计算选线的准确程度，得到800 个训练样本中的误差值（结果如图3所示）。由误差结果可知，800 个样本的选线正确性达到100%，误差均为0，即在选线过程中不会产生错选的情况，达到了良好的选线效果。本文的选线方法准确率明显更高，具有更高的灵活性和实时性，能广泛应用于单相接地故障系统。

图2 网络训练后的效果图

图3 训练后的误差结果

综上所述，基于零序电流分析的小电流接地系统单相接地故障自动选线方法能根据可扩展性去噪，在不同的频段中提取原始信号。同时，本文算法可提升选线的完整性，将特征固体模量作为故障选线的特征向量，分析选线的准确程度。

3 结语

使用良好的选线方法可快速诊断电缆故障，减少故障停留的时间，确保电力系统持续稳定地供电。本文深入研究基于零序电流分析的小电流接地系统单相接地故障自动选线方法，分析其应用效果；将稳态和暂态零序电流分析相结合，运用小波变换方式对故障信号进行分解与重组，提高了选线的可靠性。但该方法仍存在需要进一步研究之处，例如线的速度、计算复杂度、方法是否具有普遍适用性等问题。今后需进一步完善计算，通过对故障信号进行多尺度分析，提取更全面的故障信息，保障设备运行过程中工作环境的安全性。本文研究的单相接地故障自动选线方法具有一定的优点和应用前景，能为相关领域的发展提供有益的参考。