·本刊特约撰稿 专题讲座·
供 用 电
第２９卷第５期
２０１２年１０月
智能配电网建设中的继电保护问题
徐丙垠１，李天友２，薛永端３
（山东淄博 ２福建福州 ３１．山东理工大学，５５０３１；２．福建省电力公司，５０００３；
，）华东）山东青岛 ２３．中国石油大学（６６５５５
讲座五 小电流接地保护新技术
摘 要：对现有中性点非有效接地系统单相（小电流）接地保护（选线与定位）方法进行了综述，分
序）电流、电压信号的选线与定位新技析了其优缺点与适用场合。重点介绍了其中利用暂态零模（
术。暂态零序电流幅值大，暂态保护方法的灵敏度高，且不需要安装专门的一次设备，安全性好，
易于实现，具有广阔的应用前景。最后，介绍了用于自动分界开关的接地故障检测技术原理与新应用。
关键词：智能配电网；接地保护；暂态保护
（）中图分类号：ＴＭ７６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－６３５７２０１２０５－００１６－１１
ＲｅｌａＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩｓｓｕｅｓｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＳｍａｒｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ ｙ
５ＮｅｗＤｅｖｅｌｏｍｅｎｔｓｏｎＥａｒｔｈＦａｕｌｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓＬｅｃｔｕｒｅ ｐ
１２３
，，Ｘｕ ＢｉｎｉｎＬｉＴｉａｎｏｕＸｕｅＹｏｎｄｕａｎ ｇｙｙｇ（，；１．ＳｈａｎｄｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＺｉｂｏ２５５０３１，ＳｈａｎｄｏｎＣｈｉｎａ ｇｙｇｙｇ ，；２．ＦｕｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅＰｏｗｅｒＳｕｌＣｏｍａｎＦｕｚｈｏｕ３５０００３，ＦｕｉａｎＣｈｉｎａ ｊｐｐｙｐｙｊ ）３．ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｄａｏ２６６５５５，ＳｈａｎｄｏｎＣｈｉｎａ ｙｇｇ
：ｒｏｔｅｃｔｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｅｘｉｓｔｉｎｅａｒｔｈｆａｕｌｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｎｏｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｅａｒｔｈｅｄｓｓｔｅｍｓａｒｅ － ｐｇｙｙ ａｄｖａｎｔａｅｓａｎｄｒｏｂｌｅｍｓａｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｔｈｅｒｏｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｕｓｉｎｔｒａｎｓｉｅｎｔｚｅｒｏｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｉｒ ｇｐｙｐｇ ）ｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｓａｎｄｚｅｒｏｓｅｕｅｎｃｅｖｏｌｔａｅｓａｒｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｏｆｅａｒｔｈｍｏｄｅ（ ｐｑｑｇｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｆａｕｌｔｓｈａｓｍｕｃｈｈｉｈｅｒｍａｎｉｔｕｄｅａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｈａｖｅｂｅｔｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ． ｐｇｇｙ，ｒｉｍａｒｄｏｎｏｔｎｅｅｄｔｏｉｎｓｔａｌｌａｄｄｉｔｉｏｎａｌｅｕｉｍｅｎｔｓａｎｄａｒｅｓａｆｅｒａｎｄｃｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．ＴｈｅＴｈｅ ｐｙｑｐｙ ｅａｒｔｈｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒａｕｔｏｍａｔｉｃｂｏｕｎｄａｒｓｗｉｔｃｈｅｓａｒｅａｌｓｏｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． ｙ ：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｓｍａｒｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｅａｒｔｈｆａｕｌｔｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｎｓｉｅｎｔｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｐｙ
中性点非有效接地系统中的故障绝大部分是１］
。单相接地故障，习惯上称为小电流接地故障［由于小电流接地故障的故障电流小，而且往往因接地电弧不稳定和间歇性拉弧使电流波形出现严小电流接地保护（包括选线与定位）问重的畸变，
题一直没有得到有效的解决。在我国，已建成的配电网自动化系统基本上没有小电流接地故障定位功能，这就大大削弱了其提高供电可靠性的作用。因为对小电流接地故障缺少可靠的选线与定
运行人员不得不靠人工拉路选择故障线位手段，
路与故障区段，使非故障线路与非故障区段用户遭受不必要的短时停电。进入２随着１世纪以来，对小电流接地故障的重视以及微机数据采集与处小电流接地保护技术的研发与应理技术的发展，用有了突破性的发展。
本讲座在综述现有小电流接地保护技术的基介绍利用暂态信号的小电流接地保护新技础上，
术。这种暂态保护技术不需要安装专门的一次设
徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术１７
备，安全性好，易于实现，而且不受故障电弧不稳定的影响，可靠性高，是小电流接地保护技术的发一种用于隔离用户侧故障的自展方向。近年来，
动分界开关在我国获得了越来越多的应用，本讲介绍用于这种自动分界开关的接座的最后一节，地故障检测技术。
性点不需要其他线路的信息，利用这种方法的选。线装置具有自具性（本身具有达到目标的能力）
一般来说，中性点不接地系统发生小电流接地故障时，故障线路零序电流的幅值不会小于在零序电流互感器选择得当的前提下，二次５Ａ，
电流输出具有足够的幅值，能够保证保护的灵敏以上方法都是基于工频零序电压、工频度。但是，
零序电流分量的，而相当一部分小电流接地故障电弧不稳定，有的是间歇性接地故障，会导致零序，电流、零序电压出现严重的畸变（见图１）影响工频零序电流、工频电压的测量精度，有可能导致故障选线失败。
１ 小电流接地保护技术综述２－３
［］
现场应用的中性点非有效接地系统主要有中谐振）接地系统这２性点不接地系统与消弧线圈（
类。这２种接地系统的小电流接地（以下简称接地）故障电流的分布与特征有着很大的区别，其适用的选线与定位技术也有很大的不同。１．１ 中性点不接地系统小电流接地保护技术１．１．１ 中性点不接地系统小电流接地选线技术
现有的中性点不接地系统小电流接地选线（简称选线）技术主要有以下几种。
）零序电流法。利用故障线路零序电流幅１
值大于一预设定值的特点选择故障线路。由于发非故障线路的电流幅值等生小电流接地故障时，
于其正常运行时本身的电容电流，因此，选线定值要躲过本线路正常运行时的最大电容电流，这也会导致保护的检测灵敏度降低。
）零序电流群体比幅法。比较同一母线上２
所有出线的零序电流幅值，选择零序电流幅值最大的线路为故障线路。由于比较的是出线零序电流的相对幅值关系，因此提高了选线灵敏度。该方法的问题是，在母线接地时也会把零序电流幅值最大的线路误选为故障线路。
）零序电流群体比相法。比较同一母线上３
选择零序电流相位与所有出线零序电流的极性，
其他线路电流相位相反的线路为故障线路。为避在实际应用该方法时，仅选择零序电流免误选择，
幅值大于预门槛值的线路参与比相，并且要求至少有３条线路的零序电流幅值符合要求。由于母线接地时，所有出线的零序电流的相位均相同，因而零序电流群体比相法不会出现误选择故障线路的情况。
）零序电流方向法。利用故障线路零序功４
、率（指容性无功功率）流向母线（超前于电压）与非故障线路相反的特点来选择故障线路。该方法可靠性高，且可以用于闭环运行的线路。由于中
图１ 一个典型的不稳定接地电流波形
１．１．２ 中性点不接地系统小电流接地定位技术
以下讨论的定位技术，是指在配电网自动化利用分段开关处馈线终端的故障信息检系统中，
测接地故障所在的线路区段。
与常规的短路故障定位方法类似，通过比较故障线路分段开关处零序电流幅值，可以选择出故障点前开关的零序电故障区段来。一般来说，
流幅值远大于故障点后的开关的零序电流幅值。
如果可以获取分段开关处的零序电压，则可以采用本文１．所介绍的零序电流方向１．１中４）法实现故障定位，从而提高检测灵敏度。根据故故障点前后分段开关处的零序功障分析的知识，率方向是相反的。
１．２ 消弧线圈接地系统小电流接地保护技术对于消弧线圈接地系统来说，由于消弧线圈补偿电流的影响，使得故障线路工频零序电流往往小于非故障线路。如果采用过补偿方式（消弧，线圈补偿电流大于系统电容电流）故障线路的零序电流方向也会与非故障线路一致。显然，中性点不接地系统小电流接地的选线和定位方法不再需要寻找其他解决问题的措施。有效，
１．２．１ 消弧线圈接地系统的小电流接地选线技术
用于消弧线圈接地系统的小电流接地选线主要有以下方法。
）谐波法。利用接地电流中高次谐波分量１
的幅值和极性关系选择故障线路。受负荷、变压
１８徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术
器、消弧线圈的非线性，特别是故障电弧不稳定的影响，接地电流中存在着谐波信号，其中以５次谐波分量为主。由于消弧线圈对５次谐波的补偿作／用仅相当于工频分量的１可以忽略其影响，２５，因此，故障线路的５次谐波零序电流比非故障线路的都大且方向相反，据此可以选择出故障线路，称为５次谐波法。为提高该方法的灵敏度，可综合利用５、７等多次谐波分量实现选线。由于接地电流中的谐波含量较小（一般小于１且不稳０％）定，谐波法的实际应用效果不理想，已被逐步放弃。
）有功功率法。利用故障线路的有功功率２
与非故障线路的有功功率反方向的特点选择故障对地电导及消弧线圈线路。由于线路自身电阻、
故障电流含有有功分量。非故障线路存在损耗，
和消弧线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回，因此故障线路的有功分量比非故障线路的可利用线路的零序有功功大且方向相反。据此，
率值或零序电压与零序电流的相位关系选出故障接地电流中的有功分量是比较线路来。事实上，
，小于１有功分量选线的灵敏度没有保小的（０％）障。为解决该问题，欧洲一些国家（如法国）采取约２的有在消弧线圈上并联电阻增大电流（０Ａ）功分量的措施，但这样会影响接地电弧的熄灭。）投切电阻法。在检测小电流接地故障发３
生并持续一段预定的时间后（认为发生了不能自，在中性点和大地之间接入一愈的永久接地故障）
，个阻值适当的电阻（可产生约４０Ａ的接地电流）然后利用零序电流的幅值、有功功率选择故障线路，选线结束后立即切除电阻，通流时间一般从数百毫秒到数秒。为便于检测，亦可采用周期性投切电阻（如间隔１ｓ的时间）的方法，产生变化的零序电流。这种方法需要安装电阻投切设备，投资比较大。
）残流增量法。利用消弧线圈补偿度改变４（或阻尼电阻投切）前后各出线的零序电流的变化来选择故障线路，其中故障线路零序电流变化量而非故障线路电流基本没有变化。由于消最大，
弧线圈带负荷调谐的制约及对系统安全的考虑，故障点残流的改变量较小，一般在数安培到十几安培之间。而根据消弧线圈调谐方式的不同，残流改变的时间一般在数秒到数分钟不等。由于会
增大接地电流，将影响熄弧效果。与之类似的，还有一种称为小扰动法的方法。它利用电力电子开关动作速度快的特点实现持续时间很短的残流变，化（一般为数个工频周波）以尽量减小残流增大对系统的影响。小扰动法可以利用特殊的动态配合和多次校核（重复选线）等措施提高选线可靠性。
４］
）信号注入法［。利用故障相电压互感器５（或消弧线圈二次绕组，向一次系统反向耦合ＴＶ）
一特定电流信号。注入信号的能量较小，其电流
幅值一般在数百毫安培到数安培之间。注入信号沿母线和故障线路的接地相流动，经故障点和大根据信号寻迹原理即可确定故障线路。地返回，
根据注入信号自身特征可分为注入工频电流和注入异频电流。注入的异频电流与故障自身电流主要通过频率差异进行区分，注入信号的频率可取在各次谐波之间、保证不被工频及各次谐波分量。信号注入法是我国如注入２干扰（２０Ｈｚ电流）科研工作者开发并获得成功应用的方法，原理简不足之处是其可靠性受接地电阻与电弧不稳单，
定的影响大。
以上介绍的投切电阻法、残余增量法与信号注入法在我国都有一定的应用。在装置质量过关以及管理维护工作到位的情况下，其实际选线成功率。这些方法的特点都是需也比较高（８０％～９５％）
要在中性点或母线电压互感器处采取措施，人为地属使故障线路零序电流发生变化或注入寻迹信号，于主动检测方法，其优点是原理简单，易于进行信号检测。但其中投切电阻法与信号注入法分别存在需要安装电阻投切与信号注入设备，成本高，维护工作量大的问题；投切电阻法与残流增量法会人为增大接地电流，背离了减少接地电流的初衷，加大对故障点的破坏，存在安全性问题。１．２．２ 消弧线圈接地系统的小电流接地定位技术
以上介绍的有功功率、投切电阻、残流增量与信号注入的选线方法，均可用于消弧线圈接地系与选线应用的区别在于比较故障前统故障定位，
后馈线分段开关处检测到的零序有功、零序电流或注入的寻迹信号。目前，这些方法在实际的配电网自动化系统中应用还很少，缺少实际的运行经验。
徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术１９
２ 小电流接地暂态信号的特征
小电流接地暂态电流幅值大、频率高，利用其构成接地保护，能够解决保护灵敏度低的问题，并且可以消除消弧线圈的影响。早期开发的利用暂态信号的接地保护装置受当时技术条件的限制，实际应用效果不理想。现代计算机技术的发展，为开发性能完善的暂态接地保护创造了条件。近年来，利用暂态信号的小电流接地保护技术的研究取得了重要突破，保护的灵敏度及可靠性显著提高，装置现场运行效果良好。
为了解利用暂态信号的小电流接地保护技本节简单介绍小电流接地暂态信号的特征。术，
２．１ 小电流接地暂态过程
中性点非有效接地系统发生单相接地故障时，故障相电压下降、电容放电，非故障相电压升高、电容充电。在不同的系统情况下，会产生主频、持续时间约１～２个周波、自率在３００～２０００Ｈｚ 由衰减的暂态接地电流分量。小电流接地暂态分产生的电容电流幅值比较大，而量的频率比较高，
因此暂态且消弧线圈电流对其的影响可以忽略，接地电流的幅值远大于工频分量（可能数倍于工。本系列讲座的讲座二（配电网故障频电容电流）
分析计算）介绍了暂态接地电流的计算方法，该讲中的图８给出了小电流接地故障暂态零模（序）电流示意图，从图中可以看出，暂态接地电流的幅值利用暂态电远大于其两周波后的稳态值。因此，流实现保护，具有很高的灵敏度。
实际小电流接地故障中的相当一部分是非稳定性接地故障，如弧光接地或间歇性接地故障。根据福建省某供电公司的不完全统计，非稳定性接地故障约占故障总数的４０％。对于非稳定性接地故障，将频繁出现连续或间歇性的暂态过程，电流、电压信号严重畸变，往往导致基于稳态信号的保护方法出现误判断，而对于暂态保护来说，这种丰富的暂态信号反而有利于提高其动作的可靠性。
小电流接地故障的持续时间在数毫秒到两个小时的时间范围内随机分布。根据统计，绝大多，数故障的持续时间均小于１即为瞬时性接地０ｓ故障。对于稳定性接地故障，不论故障持续时间其暂态过程都是不变的。长短，
有人认为，如果小电流接地故障发生在相电压过零的时刻，将不会产生暂态信号，暂态保护法如本专题讲座的讲座一将因此而失效。事实上，
中所介绍的，实际发生在电压过零（相角以内）１０°的接地故障比例不到１％，绝大部分小电流接地故障都会产生幅值较大的暂态信号。理论分析表即便是发生电压过零时的小电流接地故障，其明，
暂态电流的幅值也与正常运行时系统电容电流的幅值相当，能够保证暂态保护方法检测的灵敏度。２．２ 接地暂态电流分布特征
现有暂态保护方法一般都是测量接地故障产生的零序电流与零序电压信号。暂态零序电流（简称暂态电流）可以看成是零序虚拟电源（故障点零序电压故障分量）作用于零序网络产生的。小电流接地暂态电流分布规律示意图如图２所示。由于消弧线圈对暂态电流的影响可以忽略，消弧线圈接地与中性点不接地系统的暂态电流分而且与中性点不接系统的工频布规律是一致的，
零序电流分布规律相似。对于具有多条出线的配其暂态电流的分布主要有以下特点。电网来说，
）故障线路（出线处）暂态电流是所有非故１
障线路和母线分布电容（电流之和，而非故障Ｃｂ）线路暂态电流是本线路上分布电容电流之和。因此，故障线路暂态零序电流的幅值远大于非故障线路的，其方向从线路流向母线，与非故障线路相反。
）故障线路中故障上游的检测点暂态电流２
等于故障出线处电流与该点至母线部分线路的分其方向从出线流向母线，其幅值布电容电流之和，
随着到故障点距离的减少而逐渐增大。
）故障线路中故障下游检测点的暂态电流３
是其下游线路分布电容电流之和，其方向由母线流向线路，主频频率远大于故障上游暂态电流，幅值随着离开故障点距离的增加而减少。线路末端的暂态电流为零。
）故障点两侧线路暂态电流的主频频率、幅４值、极性有很大的差异，相似性低。）故障上游或下游部分线路中两个相邻检５
，测点（不含故障点）其暂态电流之差为其间线路的分布电容电流、变化不大，即二者的暂态电流幅值接近、相似程度高。
现有暂态保护方法都是根据上述暂态电流的
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暂态电压与暂态电流的初始极性关系成立的时间，可能非常短（首半波法并未获得成功１ｍｓ以内）应用。
］４６－。下面介绍几种新的暂态选线方法［
３．１ 暂态电流幅值比较法
由上面的介绍可知，故障线路暂态电流幅值因此，可以比较同母线上所大于所有非故障线路，
有出线暂态电流的幅值，选择幅值最大的线路为故障线路。
图２ 小电流接地暂态电流分布规律示意图
）第ｋ条出线暂态零序电流ｉ的幅值Ｉｔ０，ｋ（０，ｋ计算公式为
１Ｔ２（）
ｉｔ０，ｋｔｄＴ０
分布特征提出的。需要说明，得出上述暂态电流分布规律的前提，是忽略线路电感与消弧线圈的影响、假定线路呈容性并且可以用分布电容来近似等效。事实上，在暂态信号的频率比较大时，线路电感的影响不能忽略，线路的等效阻抗可能呈上面介绍的暂态电流分布规律可能就不再感性，
有效。暂态电流中也含有一定的低频分量（低于），消弧线圈对低频分量的影响不能忽略，１５０Ｈｚ故障线路暂态电流中的低频分量可能会小于非故障线路。为使暂态保护利用的信号服从上述暂态电流分布规律，从而保证保护动作的可靠性，一般是使用带通滤波器选出一特征频带（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ，内的信号来实现保护。ＦｒｅｕｅｎｃＢａｎｄＳＦＢ）ｑｙ
而下限的选择ＳＦＢ的上限一般在２０００Ｈｚ左右， 与系统的接地形式有关。消弧线圈接地系统的下；限一般选为１中性点不接地系统不存在消５０Ｈｚ。下限可选为０Ｈ弧线圈的影响问题，ｚ
Ｉ０，ｋ＝
∫槡（）１
式中：一般选为半个工频Ｔ为暂态过程持续时间，周波的时间。
与前述利用稳态工频量的零序电流群体比幅法的特点类似，暂态电流幅值比较法原理简单，易于实现，不足之处是无法区分母线与出线上的故障。
３．２ 暂态电流极性比较法
故障线路暂态电流的极性与各非故障线路相反，因此可以比较同母线上所有出线暂态电流的极性，如果某一条线路暂态电流的极性和其他线路相反则选择该线路为故障线路；如果所有线路暂态电流的极性都相同，则判断为发生了母线接地故障。
实际应用中，首先需要选出幅值超过门槛值的线路暂态电流，然后比较这些暂态电流的极性关系。为提高暂态电流极性比较法的可靠性，可根据积分值将２个暂态电流相乘后取其积分值，
的正负判断二者的极性关系。对于第ｋ、ｍ条出）、）线的暂态零序电流ｉ来说，其乘积的ｔｉｔ０，ｋ（０，ｍ（积分值Ｐｋｍ为
１Ｔ（）（）
ｉｔ０，ｋｔｉ０，ｍｔｄＴ０
３ 小电流接地故障暂态选线技术
暂态选线方法是一种利用故障产生的暂态电流、电压信号的被动检测方法，具有与主动法相当或者更高的选线正确率。由于不需要安装一次附加设备也不会人为增大接地电流，因此具有成本安全性好的优点。低、
德国提出了利用故障线路２０世纪５０年代，
暂态电压与电流初始极性相反、而非故障线路初由于该方法利用的始极性相同特点的选线原理，
／是故障暂态信号的第一个半波（内的信１２周期）息，被称为首半波法。我国在２０世纪７０年代推出过基于这种原理的晶体管式接地选线装置。但受系统结构、参数以及故障条件等因素影响，使得
Ｐｋｍ＝
∫（）２
））如果Ｐ表明ｉ和ｉ同极性；０，ｔｔｋｍ＞０，ｋ（０，ｍ（则反极性。Ｐ０，ｋｍ＜３．３ 暂态电流方向法
故障线路暂态电流由线路流向母线，而非故障线路暂态电流由母线流向线路（两者流向相，反）因此可以通过比较暂态电流的方向选择故障线路。由于暂态电流方向法仅利用本线路的暂态
徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术２１
电压和电流信号，不需要其他线路信息，具有自具性。现场得到的故障线路暂态电压及其导数与暂态电流波形图如图３所示。
））定义各出线暂态零序电流ｉ和零序电压ｕｔｔ０（０（方向系数Ｄ为
１Ｔ（）（）（）Ｄ＝ｉｕ５０ｔｄ０ｔＴ０
如果Ｄ＞０，则暂态电流从母线流向线路，为
∫非故障线路；如果Ｄ＜０，则暂态电流从线路流向母线，为故障线路。３．４ 其他选线方法
德国开发出一种利用暂态电压与暂态电流信号的选线装置，并在欧洲电网获得成功应用。该
图３ 现场得到故障线路暂态电压及其导数与暂态电流波形图
６］
，装置采用一种称为库伦（的暂态算法［通过ｕ）ｑ
计算暂态电流的积分值与暂态电压的变化轨迹选择故障线路，其实质与上面介绍的暂态方向算法一致。
我国学者提出了一种行波选线装置，在现场也获得了较为成功应用。该装置通过比较同母线行波波头）信号的幅上接地故障产生的电流浪涌（
值与极性选择故障线路，其原理与上面介绍的暂态电流幅值与极性比较法类似。它利用了暂态信号初始部分，因此可以说是暂态选线法的一种特，微秒级）殊形式。由于行波波头持续时间很短（行波选线法对装置的数据采集频率要求较高（数。此外，兆赫兹）我国还开发出应用小波变换的暂态选线方法，其工作原理与上述利用ＳＦＢ信号的暂态方法类似，不再详述。３．５ 暂态选线方法的应用
对于采集到一条母线上所有出线暂态电流的集中式装置，优先考虑使用暂态电流幅值比较法与暂态电流极性比较法选线。为提高可靠性，可将二者结合，首先选出信号幅值最大的线路，然后将其暂态电流极性与其他线路比较；如果极性相反，说明该线路是故障线路，否则判断为发生了母线接地故障。暂态电流方向算法不需要其他线路的信息，适用于面向单条馈线安装的选线或综合性保护测控装置。
国内从２１世纪初开始研究和应用暂态选线技术。目前已开发出多种形式的暂态选线装置，现场应用超过一千多个变电站，取得了良好的效果，综合选线成功率达９０％以上。
几个现场记录的实际故障波形见图４～图６。在图４～图６中，第一组波形为三相电压，第二组其余各组波形为各出线的零序波形为零序电压，
暂态电流的方向可以通过比较暂态电流、暂态电压的极性来识别。由理论分析可知，接地初始的暂态电压、暂态电流信号在故障线路中极性而在非故障线路中是相同的（如图３是相反的，
（）。早期的首半波选线法依据的就是这一所示）ａ
系统参数的不同，实际的暂现象。而视故障相角、
态电流与暂态电压信号在故障发生后一段时间（如数个毫秒）后，其极性关系可能发生变化，影响故障线路的识别。这是造成首半波法实际应用效果不理想的主要原因。
根据图２的零序电流等效网络，对于ＳＦＢ信线路能够用电容来等效并且可以忽略消弧线号，
）圈的影响。故障线路ｉ的暂态零序电压ｕ０（和ｔ）暂态零序电流ｉ满足以下关系：ｔ０，ｉ（
）ｄｕｔ０（）（）ｉｔ＝－Ｃ３０，ｉ（０∑
ｄｔ式中：Ｃ０∑为所有非故障线路电容与电源分布电容之和。
对于非故障线路ｊ，暂态零序电压、暂态零序）、）满足以下关系：电流ｕｔｉｔ０（０，ｊ（
）ｄｕｔ０（）＝Ｃｉｔ０，０，ｊ（ｊｄｔ式中：Ｃ０，ｊ为非故障线路电容。
（）４
）、）由式（式（可知，暂态电压的导数将始终３４）与暂态电流反极性如图３（所示，而非故障线路ｂ暂态电压的导数将始终与暂态电流同极性。通过比较暂态电压的导数与电流的极性关系选线，可以克服首半波法存在的问题，提高保护的可靠性。
为提高暂态电压的导数与暂态电流极性比较的可靠性，可采用与式（类似的做法，通过比较２）二者乘积的积分值的正负判断其极性是否相似。
２２徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术
电流。图４为稳定性接地故障，图５为间歇性接地故障，图６为弧光接地故障。可见，受到弧光接故障稳态将频繁被破坏，地和间歇性接地的影响，
这给包括各种主动式方法在内的所有基于稳态量而暂态选线方法可的选线方法带来了不利影响，
利用的信息量增加反而会提高可靠性。
利用前面介绍的暂态电流方向法，则可以克服首半波原理存在的问题。目前，已有使用这种暂态电流方向法的原理研制的故障指示器与配电网自动化终端投入运行。
暂态电流方向法需要测量零序电压信号，而受安装空间、成本等因素的限制，配电网线路分段开关处往往不安装零序电压互感器或三个相对地电压互感器，因此无法应用该方法。下面介绍的比较暂态电流波形相似性的故障定位方法，则能够用于无法获取零序电压信号的场合。
如本文图２所示，故障线路中故障点上游和幅值与下游分段开关处暂态电流的主谐振频率、形状有明显的差别。故障点两侧开关处暂态零序电流的相似程度低，而非故障区段两侧开关处暂据此可以确定故障区段。态零序电流相似程度高，
、两个相邻检测点暂态零序电流ｉｔ）０，ｋ（）之间相似系数ρｉｔ０，ｋ＋１（ｋ，ｋ＋１的计算公式：
ｋ，ｋ１＋ρ图４ 现场记录的稳定性接地故障电压、电流波形
式中：Ｔ为暂态信号持续时间。
）（ｉ（ｔｉｔ＋τ）ｄｔ∫＝
））ｉ（ｔｄｔｉｔｄｔ槡∫∫（
０
０，ｋ０，ｋ１＋
ＴＴ０
２
ｋ０，
Ｔ（）６
０
２
ｋ１０，＋
比较故障线路上各个相邻配电自动化测控终端（之间的暂态电流相似系数，可以确定故ＦＴＵ）
图５ 现场记录的间歇性接地故障电压、电流波形
障区段。考虑到故障点下游ＦＴＵ可能因为暂态电流过小而不能启动，故障区段判据如下。）两侧暂态电流之间的相似系数最小且小１
则该区段为故障区段。于设定的门槛值，
）所有区段两侧暂态电流相似系数均大于２
设定门槛值，则最末一个ＦＴＵ下游区段为故障区段。
暂态电流相似系数的预设门槛为经验值，一般可设在０．５～０．８。
目前，具有暂态定位功能的配电网自动化系统已在某铁路电力线路投入试运行，其中一次接
图６ 现场记录的弧光接地故障电压、电流波形
地故障时非故障区段两侧和故障区段两侧的暂态电流波形如图７所示。在图７中，故障点两侧开而非故障区关Ｍ与Ｎ处暂态电流差异比较大，
段两侧开关Ｎ和Ｐ处暂态电流是相似的。
４ 小电流接地故障暂态定位技术
利用接地故障暂态电压与暂态电流间初始波形的极性关系，可以指示故障方向，实现故障定位。欧洲有基于首半波原理的故障指示器在现场应用，但由于故障初始暂态电压与暂态电流间极性关系的持续时间不固定，实际效果不理想。而
５ 利用暂态选线与定位技术实现线路绝
缘的在线监测
中性点非有效接地系统中存在大量的接地
徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术２３
随着故障点绝缘的恢复，零序电压幅值逐渐８中，
减少，在约１０个周波后消失。
图８ 瞬时性接地故障的三相电压和零序电压波形图
对于发生过瞬时性接地故障的绝缘薄弱点，在过电压等条件具备时还会再次击穿，直至造成永久接地故障。如果利用暂态选线与定位方法可以找到一段时间瞬时性故障多发的线路与区段，及时安排巡线，采取措施排除故障隐患，可以避免出现永久接地故障。因此，暂态选线与定位技术能够提供线路绝缘在线监测的手段，实现对接地故障的提前预警。
６ 小电流接地故障分界技术
实际故障统计结果表明，相当一部分故障（可能高达３是发生在用户线路或设备上０％）
图７ 非故障区段与故障区段两侧暂态电流对比图
的。近年来，一种俗称为“看门狗”的自动分界开关获得大量的应用。它安装在中压配电线路上供电企业与用户管辖范围的分界点，能够检测并自动隔离用户侧的故障，从而避免引起其他非故障用户停电。除了安装在供电企业与用户管辖范围的分界点外，这种分界开关同样适用于架空线路分支、电缆环网柜出线与开关站出线故障的检测与隔离。６．１ 小电流接地故障分界原理
下面介绍用于分界开关的用户侧小电流接地故障检测原理。
６．１．１ 工频零序电流分界法８
［］
故障，其中一部分是线路（包括线路上设备）绝缘破坏引起的。由于故障电流很小，在绝缘破坏的初始阶段，故障点可能在接地电流过零时电网将恢复正常运行，形成瞬时性接自行熄弧，
地故障。而一段时间后，在一定的外部条件下（，如过电压、空气湿度大等）绝缘薄弱点将再次恢复的过程。周而复始，线路绝经历一次击穿、
直至出现不能自恢复的永久接地缘不断下降，
故障。这种现象说明，一些永久接地故障往往存在瞬时性故障的前兆。根据某出线以架空线路为主的变电站实际故障统计，在２３次永久接突然性外力破坏型故障为３次，在其地故障中，
有７次在故障前存在余２０次永久接地故障中，不同程度的瞬时性故障。
对于电缆线路，一般认为其绝缘破坏是不可逆转的，不存在瞬时性接地故障现象，而实际故障记录结果并不支持这一判断。根据国内某石化企业的记录，在某次电缆本体发生永久接地故障前发生了８次瞬时性接地故障，其中一次瞬７ｄ内，
时性接地故障的三相电压与零序电压波形。在图
当接地故障点位于分界开关上游（系统侧）时，无论系统为中性点不接地方式还是经消弧线圈接地方式，分界开关检测到的故障工频零序电流ＩＢ均为其下游线路的对地分布电容电流ＩＣＣ。由于用户侧线路长度有限，其对地电容电流ＩＣＣ的幅值一般不超过１Ａ。
当接地故障点位于分界开关下游（用户侧）时，如果系统为不接地方式，则分界开关检测到的工频零序电流ＩＢ为开关上游所有线路对地分布
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徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术
电容电流显然其幅值远大于开关上游接地时ＩＣＵ，
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检测到的零序电流ＩＣＣ。
如果系统为经消弧线圈接地方式，则ＩＢ为分界开关上游所有线路对地分布电容电流ＩＣＵ与消弧线圈补偿电流ＩＬ的幅值之差。由于采用消弧线圈补偿的系统电容电流较大，一般为数十安培，而消弧线圈又常采用过补偿方式，再考虑故障电流中的有功分量，ＩＢ的幅值一般仍然大于ＩＣＣ。
综上所述，由于分界开关特殊的安装位置，使得无论是不接地系统还是经消弧线圈接地系统，用户侧接地时其所检测到的故障工频零序电流一般大于系统侧接地时的故障工频零序电流。据此。位置）可判断接地故障的方向（
设故障电流的预设门槛ＩＩＩｋＳ为：Ｓ＝ｋＣＣ，为可靠系数。则接地故障方向的判据如下。）接地故障位于分界开关下游，１ＩＩＢ＞Ｓ时，即用户侧。
）接地故障位于分界开关上游，２ＩＩＢ＜Ｓ时，即系统侧。
如果用户线路比较长，其对地电容电流可能甚至大于用户侧接地时检测到的零序会比较大，
电流，在这种情况下，根据零序电流的幅值将无法检测用户侧接地故障。
电流相位差分界法６．１．２ 工频零序电压、工频零序电压、电流相位差分界法能同时获得零序电压和零序电流信号的分界开关，也可以利用故障工频零序电压和工频零序电流间的相位关系确定故障方向。分界开关处零序电压和零序电流相位关系示意图如图９所示。
）对于中性点不接地系统，系统侧故障时１
····
，相位超前工频零序电压考虑到ＩＵＢ，Ｂ＝ＩＣＣＩＢ
；电流中含有少量有功分量，超前相位略小于９０°而用户侧故障时Ｉ其相位滞后于ＵＢ，有Ｂ＝ＩＣＵ，
，（）功电流滞后相位略大于９如图９所示。０°ａ）对于经消弧线圈接地系统，系统侧故障时２
···
ＩＢ与ＵＢ相位关系保持不变，ＩＢ仍然超前ＵＢ约
···
；而负荷侧故障时，考虑到消弧９０°ＩＩＢ＝ＩＣＵ＋Ｌ，
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综合考虑工频零序电压、电流相位差分界法可同时适应中性点不接地和经消弧线圈接地系统以及电压、电流互感器的传变误差，接地故障方向判据可进行如下设置。
１）１００°＜∠Ｉ８０°或－１８０°＜Ｂ－∠ＵＢ≤１
··
接地故障位于用户侧。０°时，∠ＩＢ－∠ＵＢ≤－８）接地故障２０°＜∠Ｉ００°时，－８Ｂ－∠ＵＢ≤１
位于系统侧。
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图９ 分界开关处零序电压和零序电流相位关系示意图
６．１．３ 暂态分界法
由于接地故障产生暂态电流的幅值受各种因素影响，不易确定系统侧和用户侧故障时暂态电流的幅值关系。对于能同时获得零序电压和零序电流信号的分界开关，则可以利用暂态电流的流向判断故障方向，克服消弧线圈的影响。６．２ 分界开关零序电流与零序电压的测量问题
能够在分界开关处准确地测量零序电流与零序电压，是小电流接地分界方法能否成功的关键。事实上，对于前面介绍的用于分段开关的接地故障检测方法，也存在如何准确测量零序电流与零序电压的问题。
在欠补偿（消弧线线圈会增大故障点的有功电流，
圈电感电流小于系统电容电流）时ＩＢ滞后ＵＢ的，相位可显著大于９而在过补偿（消弧线圈电感０°电流大于系统电容电流）时ＩＢ超前ＵＢ的相位可，（）如图９所示。大于１２０°ｂ
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徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术２５
６．２．１ 零序电流的测量
零序电流的测量有直接和间接这２种方式。直接测量方式通过安装零序电流互感器测量零序电流；而间接测量方式则是通过三相电流互感器的二次电流合成后获取。系统正常运行时一般不存在零序电流，直接测量方式获得的零序电流就由于是纯粹的故障电流。而在间接测量方式下，电流互感器误差、装置模拟电路处理及计算误差，即便是系统正常运行时，由３个相电流相加获得的工频零序电流值也不为零，这个电流称为不平衡电流。
对于基于工频零序电流的接地故障分界方实际故障时流过分界点的零序电流幅法来说，
值比较小，可能不到１Ａ，对零序电流测量灵敏只能是安装专门的零序电流互感度要求很高，
器。对于电缆线路，安装零序电流互感器比较容易做到。而用于架空线路的自动分界开关，均采用特殊设计，内置高灵敏度的零序电流互感器。
对于利用暂态信号的分界方法，由于信号可采用间接方式获取零序电流。幅值比较大，
通过提取故障突变量的方法克服不平衡电流的影响。
６．２．２ 零序电压的测量
基于稳态与暂态信号的故障电流方向检测方法，需要测量零序电压。常规的做法是安装３个通过开口三角形输出或３个相对地电压互感器，
相电压的合成获取零序电压。电磁型电压互感器安装不方便，且大量应用会带来铁磁谐振体积大，
的风险。而采用电压分压零序电压传感器则可解决这一问题。
电容分压零序电压传感器的构成如图１０所示，从三相导体上接出的３个电容器Ｃ１在低压端是连接在一起的，这就形成了一个星型接线的中性点，通过连接在中性点与大地之间的电容Ｃ２，获取与线路零序电压成正比的电压信号。通过改变Ｃ即可调整零序电压输出ｕ１与Ｃ２的比值，０的幅值。
这种电容分压式零序电压传感器具有体积小、成本低的优点，既可嵌入到开关设备里，亦可单独安装，比较适合用于线路上分段、分界开关测量零序电压。
图１０ 电容分压零序电压传感器构成图
７ 结语
长期以来，由于缺少成熟的小电流接地保护方法，供电企业主要依靠人工拉路选择小电流接地线路并通过全程巡线查找故障点，影响供电质量并造成大量人力物力的浪费。
近年来，小电流接地保护技术取得突破性的有多种成熟方法可供选用，为了解决小电流发展，
接地故障选线与定位问题提供了良好的技术手段。近年来开发成功的暂态保护方法具有投资安全性好、可靠性高的优点，具有广阔的发展少、前景。
尽管已有不少成功的案例，但总体来说，我国小电流接地选线技术的应用面还很不够，不少选故障定位技术的研发线装置的应用效果不理想；
相对滞后，更缺少成功的运行经验。这主要是因为没有像对待短路保护那样重视小电流接地保护保护装置的质量不过关、现场运行维护和管问题，
理水平有待提高。
从原理上讲，现有的投切电阻、暂态保护等技术，是能够保证９０％甚至９５％以上的选线与定位正确率的，通过改进保护装置的设计制造技术、加强装置的运行管理维护、积累应用经验，相信可以在不远的将来解决这一长期困扰供电企业的技术难题。
实际系统中存在一定比例的高阻（大于接地故障，其稳态工频与暂态电流的幅１０００Ω）
，值很小（小于１Ａ）现有保护方法都难以奏效，还需要做进一步的研究、探讨。
本讲的写作得到山东理工大学张新慧副教授与硕士研究生蒋娜的帮助，在此表示感谢！
２６徐丙垠，等：智能配电网建设中的继电保护问题 讲座五 小电流接地保护新技术
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收修改稿日期：２０１２年９月
，山东理工大学教授，科汇电力自动化公徐丙垠 （１９６１—）
司董事长
，李天友 （高级工程师，福建省电力公司副总工１９６３—）
程师
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（上接第１５页）
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３ 结语
）本文基于灰色关联度分析法、加速遗传层１
次分析法和加法－乘法加权综合方法的中压配电网接线模式综合评价方法，应用于中压配电网接线模式这样的复杂系统，构建了用于中压配电网接线模式选型的综合评估体系，有机整合了经济技术性和适应性等定量和定性指标，并采用加性、
法－乘法加权综合方法对各项指标值及其权重进能够更合理地从整体角度评价待选行综合分析，方案。
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用于某地区实际电网的接线模式选择，验证了该方法的合理性和有效性。
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型配置及电能质量分析
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统教学及人工智能技术在电力工程中的应用研究
，高级工程师，研究方向为配电网运行李天友 （１９６３—）
管理
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