中性点经消弧线圈系统接地故障时选线问题

中性点经消弧线圈接地系统发生单相故障时选线不准问题分析小电流接地系统，包括中性点不接地系统，中性点经高阻接地、中性点经消弧线圈接地系统。

对于中性点不接地系统，由于不够成短路回路，我国规程规定可以继续运行1～2个小时。

但随着线路长度增加，电容电流增大，弧光接地过电压倍数增高，长时间运行还容易造成相间短路，尤其是在中性点接地系统中，发生永久接地时，故而更有必要分开故障线路，进行检修。

但是由于中性点经消弧线圈系统具有接地故障电流小、不易燃起电弧等特点，其作用原理是补偿发生接地故障时流过中性点的容性电流，这就造成了故障电流变小的特点，给选线装置提出了技术难题，为深入剖析经消弧线圈接地系统选线不准的原因，有必要对小电流接地系统发生接地时的故障特点进行陈述。

对于中性点不直接接地系统，当发生单相接地故障时电路图如下图所示：从图中可以看出：1.电力系统发生单相接地时，故障线路故障相电压近于零，非故障相电压升高为线电压。

2.非故障相线路电容电流值为原来的3倍，相位超前该相对地电压近90度。

3.故障相零序电流最大，为非故障相零序电流之和。

对于中性点经消弧线圈接地系统，当发生单相接地故障时电路图如下图所示：EaEbEcC C CI LI c0Σ(a)图2 中性点经消弧线圈接地示意图从图中可以看出，当中性点经消弧线圈接地系统，通过接地的电容电流与消弧线圈电感电流相互补偿，在发生单相接地故障时，使流过接地点的电流较小，小电流接地系统一般采用过补偿运行方式，在此种运行情况下，将与中性点不直接接地系统规律不同，故障线路与非故障线路的电流方向大致相同，幅值上也比较接近。

在以上接地故障特征的基础上，对于小电流接地系统故障选线装置，现在通用的单相接地选线方法原则上可以说就是通过故障发生时的故障特征来判断哪条线路发生了故障，这些故障特征一方面是稳态信号，一方面是暂态信号，总的来说稳态故障特征指的就是零序电流、零序电压，相位等，暂态特征指的是高次谐波，因为在发生故障时，高次谐波在故障线路与非故障线路时是不相同的，但总的来说故障电流较小，故障特征不明显是选线理论所要解决的核心问题。

目前，消弧线圈接地系统的单相接地选线方法归纳起来主要有两类，一类是通过改变消弧线圈回路参数来获取接地故障特征的方法；另一类方法不通过改变消弧线圈回路参数，只依据单相接地时的自身接地故障特征。

第一类方法应用得最多的是单相接地时在消弧线圈旁并接电阻，以改变接地故障线路的零序电流，通过检测各线路零序电流的改变实现接地故障线路的选择。

虽然这种单相接地选线方法具有相对较高的选线正确率，但也存在如下的不足1）需要增加电阻及相应的开关控制设备，加大了设备成本，且电阻的开关控制设备是系统运行的薄弱环节2）消弧线圈并接电阻后，其故障线路接地点电流将大幅增加，影响系统的运行安全；3）消弧线圈并接电阻是在判断系统稳定单相接地后进行的，其接地选线时间一般大于5 s，对小于 5 s 的瞬时单相接地，通常不能反应。

第二类方法不存在以上第一类方法的不足，但由于选线原理和实现手段的缺陷，其大多数单相接地选线方法的选线正确率是较低的，具体的常用的选线原理和算法有如下几种：1.零序保护原理──该原理是利用故障线路的零序电流大于非故障相线路的零序电流，即非故障相的零序电流等于本线路的电容电流,故障线路零序电流等于所有非故障线路的零序电流之和。

通常故障线路的零序电流比非故障线路零序电流大得多,利用这一原则区分出故障和非故障线路,从而构成有选择性的接地保护。

为保证选择性,保护装置的动作电流应按躲过本线路的零序电容电流进行整定。

对于中性点经消弧线圈接地系统,由于消弧线圈提供的电感电流补偿了电网的对地电容电流,使流过故障线路的零序电流大大减小,此时很难获得保护的选择性。

另外一个影响可靠性的因素是故障点电弧不稳定现象没有稳定的接地电流，可能造成选线失败2.零序功率方向原理──零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压90°,非故障线路零序电流超前零序电压90°,故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位相差180°。

根据这一特点来实现选择性接地保护。

对于中性点经消弧线圈接地系统,一般情况下,消弧线圈均工作于过补偿方式中,此时故障线路的电容电流被流经消弧线圈的电感电流所补偿,故障线路零序电流超前零序电压90° , 方向与非故障线路相同，故无法进行保护。

对间歇性接地故障来说，零序电流畸变严重，难以计算其相位，方向法比零序电流幅值比较法更容易出现误判断3.谐波电流方向保护原理──由于电力电子传动装置在供电网中的推广应用,以及电源变压器铁芯非线性的影响,电网中除存在基波成分外,必然还包含一系列谐波成分。

故可利用5次或7次谐波电流的大小或方向构成选择性接地保护。

对于中性点经消弧线圈接地系统,因消弧线圈的作用是对基波而言的,5 次或7 次谐波电流的分布规律与中性点不接地电网一样,故该原理仍然可行。

但由于5次或7次谐波含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一,故以此原理构成的保护其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低,在接地点存在一定过渡电阻的情况下将出现拒动现象。

4.“S”注入法保护原理──该原理是通过运行中的电压互感器向电网注入信号。

利用信号寻踪原理, 实现故障探测。

由于故障选线是通过注入信号实现, 无需使用零序电流互感器,也与电流互感器的接线方式无关。

注入信号寻迹法其前提是故障点永久接地，信号比较稳定，对只装设两相的架空出线难于得到零序电流，可以采用以下方法，首先确定故障相别，然后通过母线，向接地线路的接地相注入信号电流，然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路和故障点，注入信号寻迹法中信号是通过单相接地时暂时处于闲置状态的接地相注入的，信号发生设备与一次强电系统之间通过电磁耦合没有直接电的联系，且不需要装设零序电流互感器，不受消弧线圈的影响，对于谐振接地电网来说，注入信号寻迹法选线正确率远高于前面介绍的几种方法，但该方法的缺点在于：需要增加信号注入设备注入信号强度受容量限制，对于高阻接地及间歇性故障检测效果不好。

5.首半波保护原理──利用稳态信号的选线方法应用效果不理想，一个主要的原因是稳态接地电流微弱，故障线路中零序电流仅有几个安培，远小于线路正常负荷电流检测起来比较困难，小电流接地故障暂态电流幅值是稳态对地电容电流的几倍到十几倍，数值在数十安培到数百安培之间，并且不受消弧线圈影响。

随着高速采集与信号处理技术的发展，基于暂态信号的检测方法已经成为一个研究的热点。

该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。

它利用故障线路中故障后暂态零序电流第1个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护。

对短线路而言,其稳态电容电流小,暂态电容电流大。

该原理比其它各类反映接地稳态量的原理灵敏度高,对单相接地反应迅速。

但该原理不能反映相电压较低时的接地故障,且受接地过渡电阻影响较大,同时也存在工作死区。

6.零序电流有功分量方向保护原理──为说明该原理, 先以中性点经电阻接地的系统为例进行说明。

当此系统发生接地故障时, 流过故障线路始端的零序电流可分两部分, 中性点电阻产生的有功电流, 相位滞后于零序电压180°; 故障线路的零序电流, 相位滞后零序电压90°。

流过非故障线路的零序电流只有由本支路对地电容产生的容性电流, 相位超前零序电压90°。

由于中性点电阻产生的有功电流只流过故障线路, 与非故障线路无关, 只要以零序电压作为参考向量, 将此有功电流取出, 送入后级处理电路, 即可十分方便地实现选择性接地保护。

这就是零序电流有功分量方向保护的基本原理。

对中性点经消弧线圈接地系统,目前主要采用消弧线圈并串电阻运行的派生接地方式,且消弧线圈本身的有功成分较大,实测单相接地时其有功电流达1～3A。

当此系统发生接地故障时,故障线路始端所反映的零序电流除增加一部分电感性电流外,其余两部分与电阻接地系统相同,因此上述原理仍然可行。

总之，选线不准问题没有得到很好的解决，究其原因，可总结为：第一：故障特征不明显，单相接地时故障稳态电流一般小于30A 甚至只有几安培谐波分量更小在发生单相接地故障时故障特征有时明显有时不明显故障暂态信号虽然幅值比稳态信号大但是由于其持续时间短有时很难检测到所以基于单一故障特征的选线方法很难实现对各种故障情况下的正确选线，第二：母线电压的变化负荷电流的变化故障点的接地电阻不确定等因素都会造成故障零序电流的不稳定此外选线方法还会受到不稳定故障电弧的影响。

小电流接地系统选线是一种弱信号识别技术，利用以往的幅值和相位是很难判断的，所以现在有人己经开始研究将现代信号处理技术与人工智能应用于这一研究当中，主要有以下两种方法：第一：小波变换技术；由于小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质和多分辨率特性,特别适用于分析奇异信号,可以在不同频域考察信号时域与频域特征。

基于小波变换的选线技术通过小波变换对接地故障信号进行分析,提取故障零序电流波形的幅值和相位信息。

一般都是利用小波分析接地故障暂态信号,根据暂态过程中谐波的相位相反和幅值最大等关系做出选线。

当然小波分析对奇异很敏感既是优点也是缺点,选线的结果容易受干扰信号的影响。

第二：基于人工智能的选线技术；神经网络和模糊控制理论是人工智能技术中比较成熟的技术,神经网络可以根据电气量与故障间的映射做出判断。

而模糊控制则根据输入信号、利用一些常规的判剧得到的选线结果,根据模糊理论得到隶属函数,最后对这些选线结果信息做出融合得到最后选线结果。

这些方法都充分利用现代人工智能方面的技术,但仅在信号处理层次上做出了努力，其实际应用效果还有待现场的检验。

在现在的选线装置中，应用比较多的是上面所述的1～6这六种原理，但尽管有许多种选线方法被提出，但任何单一选线方法很难完全适应各种电网结构与复杂的故障状况，通常单一选线方法所利用的故障特征有限，而且这些故障特征容易受到系统接线、接地方式、线路长短、互感器误差等诸多因素的影响，降低了选线的准确度和可靠性，在不同的现场运行情况下选择不同的选线判据不失为一种解决问题的方法，例如消弧线圈并联中阻的选线方式在很多低电压等级变电站应用，并联的中阻放大了故障特征信号，增加了选线的成功率，同时并没有过分放大接地电流，缩小了事故发生率，有资料显示在实际应用中确实提高了选线的准确率。

相反，利用单相接地故障在电网中表现出的多方面特征，构造多个选线判据，对多判据提供的故障信息进行融合，利用智能信息管理技术，实现各种选线方法的优势互补，得出一个正确的选线结论，也是解决问题的好办法，现在的选线装置有的就同时采用了几种判断方法在一起，例如有功分量法和谐波电流法，通过数字处理芯片，综合判断，并得出了正确的选线结果。