快速排除10kv线路接地故障（基于故障指示器的10kV系统单相接地故障选线及实验）

快速排除10kv线路接地故障（基于故障指示器的10kV系统单相接地故障选线及实验）1 故障指示器的基本结构及工作原理为提高接地故障定位准确率、尽量减小二次故障可能性及检验接地故障的准确度，本次实验借助科大智能电气技术有限公司生产的基于不对称电流源的新型故障指示器于2014年11月在濉溪县南坪镇10kV任集线上进行了四次人工接地实验。实验结果验证了基于不对称工频电流注入法的故障指示器在选线与定位故障点时的准确度和可靠性，为进一步改进单相接地故障检测与定位方法积累了丰富的现场经验。据电力部门统计，接地故障约占10kV配电网总故障的60%以上，甚至一些相间短路故障也是由接地故障间接引起[4]。单相接地故障中，高阻接地是最常见的接地方式。高阻接地具有抑制弧光、谐振和断线过电压及无需立即清除等优点[5]，因此在保证持续供电的情况下给检修人员提供了充足的故障查找时间。随着国内城乡电网建设和改造步伐的加大，架空线路和电缆线路不断增加，故障指示器凭借其快速、准确、可靠、可带点装卸、自动

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国网濉溪县供电公司、科大智能电气技术有限公司的研究人员李刚、周洁琼、代征、陈雷刚，在2015年第11期《电气技术》杂志上撰文，为克服现有故障指示器在单相接地故障选线和定位时灵敏度低、容易误判等不足，采用基于不对称工频电流注入的新型故障指示器。首先在介绍故障指示器基本结构的基础上，阐述了单相接地故障判断的工作原理。最后，在10kV配电网上对高阻接地与金属性接地进行了详细的实验和对比分析。结果表明，本实验采用的故障指示器能有效选线并定位故障区间，大幅缩短了故障点查找和排除时间。

作为《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》的总目标之一，智能配用电技术已得到广泛的重视和研究。在10kV配电网小电流接地系统中，单相接地故障的检测与定位一直是困扰配电网正常运行的技术难点[1-2]。准确查找单相接地故障的区段，可有效避免对非故障区域的不必要倒闸操作，保持供电连续性[3]。

据电力部门统计，接地故障约占10kV配电网总故障的60%以上，甚至一些相间短路故障也是由接地故障间接引起[4]。单相接地故障中，高阻接地是最常见的接地方式。高阻接地具有抑制弧光、谐振和断线过电压及无需立即清除等优点[5]，因此在保证持续供电的情况下给检修人员提供了充足的故障查找时间。

随着国内城乡电网建设和改造步伐的加大，架空线路和电缆线路不断增加，故障指示器凭借其快速、准确、可靠、可带点装卸、自动复位、免维护及大幅缩短故障查找、排除及供电恢复时间等一系列优点[6]，已在配电网中得到了广泛的应用。但现有的故障指示器尚且存在定位成功率偏低、易受现场环境变化影响及不能囊括所有不确定性因素等不足，且常规的高阻故障检测技术主要依赖电网参数的变化[7]。

但由于小电流接地系统的自身特点，单相接地故障发生时，接地电阻变化范围大且故障信号较弱，极易受到电磁干扰和谐波污染。这不仅导致获得的信号失真，还直接影响单相接地故障检测时的选择性、可靠性和准确性，因此对高阻接地的成功定位对智能配网系统的安全运行具有至关重要的意义。

为提高接地故障定位准确率、尽量减小二次故障可能性及检验接地故障的准确度，本次实验借助科大智能电气技术有限公司生产的基于不对称电流源的新型故障指示器于2014年11月在濉溪县南坪镇10kV任集线上进行了四次人工接地实验。实验结果验证了基于不对称工频电流注入法的故障指示器在选线与定位故障点时的准确度和可靠性，为进一步改进单相接地故障检测与定位方法积累了丰富的现场经验。

1 故障指示器的基本结构及工作原理

1.1 故障指示器的基本结构

故障指示器主要由指示单元、监测单元和不对称电流源组成。其中，指示单元包含采样电路、CPU、翻牌和闪灯电路，在故障发生时进行翻牌和闪灯以提供给检修人员报警信息，并且能主动上报故障遥信；监测单元主要用于桥接指示单元与主站，实现参数设置与读取、通讯中转等功能；不对称电流源内含采样电路、控制电路和两个真空接触器，采样电路和控制电路用于实时检测线路电压变化并计算零序电压。两个真空接触器上端分别接在10kV线路的A、C两相，接触器下端并联经限流电阻接地。不对称电流源安装在变电站出口处。

1.2 故障指示器的工作原理

10kV配电网正常运行时，不对称电流源根据实时采样得到的三相电路电压计算零序电流并与零序电压设定值相比较后，决定是否输出不对称工频电流；监测单元GPRS一直处于上线状态，定时向主站上报心跳报文，并时刻准备主站对指示单元的参数下载与读取、总召唤及故障遥信转发与记录等工作；指示单元在线路上电且负荷电流达到有流定值后开始充电，9.06s后充电完成并转为400Hz连续采样，实时进行接地故障和短路故障逻辑判断。

判断接地故障时，每连续采样32个周波(即640ms)电流有效值进行一次离散傅立叶变换(DFT)，将DFT结果换算为电流后与接地故障电流设定值进行比较。由于采用一次性电池供电且电池不可更换，指示单元采用低功耗设计，CPU绝大部分时间处于休眠状态，只有中断才能将其唤醒并根据需要确定是否在中断结束后继续唤醒CPU。

10kV配电网发生单相接地故障时(以A相为例)，为保持线电压一致，中性点将产生偏移电压，导致A相电压降低，B、C两相电压升高，进而产生零序电压。不对称电流源检测到零序电压并与设定值比较后判断满足动作条件，控制与10kV线路C相连接的真空接触器动作，连续输出周期640ms、占空比50%的8个高低工频电流信号；同时启动录波功能，以给检修人员分析故障提供数据参考。此时，由于C-A两相间(A相相当于地)线电压保持不变，不对称电流信号从C相到大地再到A相后，通过变压器中性点再到C相形成通路。

A相线路上的指示单元检测到不对称电流工频信号后与接地电流设定值(10A，可配置)比较，判断连续8次DFT结果中是否至少有6次大于接地电流设定值。条件满足后即判断为接地故障，翻牌、闪灯并将故障遥信经监测单元上传到主站。指示单元从检测到故障时刻开始计时，到达复归时间后自动复归。

在复归时间内，检修人员可根据需要决定是否对指示单元进行手动复归。而在B、C两相非故障线路上，由于没有不对称工频电流信号流过，指示单元不动作且不上报任何告警信息。

2 现场接地实验

2.1 实验前准备工作

首先，施工人员对10kV任集线进行停电操作，在施工区域采取安全隔离措施后安装不对称电流源；其次，在不对称电流源安装点的下游，将故障指示器分作四组(每组包含3只指示单元和1台监测单元)，分别安装在四个位置(依次记作1号点、2号点、3号点和4号点)，如图1所示。

其中，1号点安装在不对称电流源处，2号点安装在大负荷支线处，3号点安装在接地点前主干线处，4号点安装在接地点后主干线处。根据故障指示器工作原理可知，在E处模拟单相接地时(以A相为例)，1号点和4号点所在的A相为故障线路分支，相应线路上的指示单元应翻牌闪灯，其它非故障线路分支上的指示单元应不动作。

用每组的监测单元分别与其配套的指示单元通信，下载参数并观察是否下载成功；下载手动遥控命令并观察指示器是否经过翻牌-归位-翻牌-归位等两次连续动作。

分别对四个安装点分派人员，以实时观察并记录人工接地时不对称电流源及各个指示单元的状态变化，将结果与其它安装点及不对称电流源的状态变化进行对比，分析结果是否满足预期。

图1 故障指示器安装位置

为方便对比分析，分别进行金属性接地、高阻接地等四次试验。其中，A相金属性接地一次，A、B、C三相高阻接地各一次。不对称电流源参数设置如下：零序电压设定值U0为25V，接触器动作周期640ms占空比50%，每次故障时接触器动作一次(即连续输出8对高低电平的不对称工频电流)，接地限流电阻200Ω，接地电流CT变比100/5。

图2为10kV线路正常运行时的遥测数据，电压单位为0.1kV。其中，第一路电压为电子式PT采样值，第二路电压为电磁式PT采样值，本实验采用电子式PT，U0Cal为零序电压计算值。

图2 10kV线路正常运行时的遥测数据

2.2 A相金属性接地

为给高阻接地实验提供参考，先对A相进行一次金属性接地实验。故障点E处发生A相金属性接地时，不对称电流源检测到零序电压后控制C相真空接触器动作。图3为A相金属性接地时的不对称电流。图3表明，由于金属性接地时的接地电阻稳定且近似为零，不对称电流源输出电流的波形较为稳定。

实验后，只有1号点和4号点的A相翻牌并闪灯并成功上报故障遥信，成功实现了接地故障选线与定位，满足了实验设计的预想结果。

图3 A相金属性接地时的不对称电流

2.3 A相高阻接地

故障点E处发生A相高阻接地时，满足不对称电流源判断逻辑(U0Cal=45.2V>U0=25V)，不对称电流源控制C相接触器动作。

图4 A相高阻接地时的电压数据

图5 A相高阻接地时的不对称电流

图4为A相高阻接地时的电压数据，图5为A相高阻接地时的不对称电流。图4表明，A相电压降低幅度较大，零序电压上升到45.2V，B、C相电压上升，C相电压几乎上升到线电压值，同时线电压不变。图5表明，由于高阻接地时的接地电阻较高且不稳定，因此输出电流的波形出现不稳定现象。

2.4 C相高阻接地

故障点E处发生C相高阻接地时，满足不对称电流源判断逻辑(U0Cal=36.2V>U0=25V)，不对称电流源控制A相真空接触器动作。图6为C相高阻接地时的电压数据，图7为C相高阻接地时的不对称电流。图6表明，C相电压降低幅度较大，零序电压上升到36.2V，A、B相电压上升，相序角度也发生了变化，B相几乎上升到线电压值，同时线电压不变。图7表明，由于高阻接地时的接地电阻较高且不稳定，因此输出电流的波形出现不稳定现象。

实验后，只有1号点和4号点的C相翻牌并闪灯并成功上报故障遥信，成功实现了接地故障选线与定位，满足了实验设计的预想结果。

图6C相高阻接地时的电压数据

图7C相高阻接地时的不对称电流

2.5 B相高阻接地

故障点E处发生B相高阻接地后，满足不对称电流源判断逻辑(U0Cal=46.3V>U0=25V)，不对称电流源控制A相(或C相，可配置)真空接触器动作。图8为B相高阻接地时的电压数据，图9为B相高阻接地时的不对称电流。

图8表明，B相电压降低幅度较大，零序电压上升到46.3V，A、C相电压上升，相序角度也发生了变化，A相电压上升到线电压值，同时线电压不变。图9表明，由于高阻接地时的接地电阻较高且不稳定，因此输出电流的波形出现不稳定现象。

实验后，只有1号点和4号点的B相翻牌并闪灯并成功上报故障遥信，成功实现了接地故障选线与定位，满足了实验设计的预想结果。

图8B相高阻接地时的电压数据

图9B相高阻接地时的不对称电流

3 实验结果分析

四次单相接地实验时，不对称电流源都正常动作，且指示单元状态变化均符合实验设计的预期结果。以A相金属性和高阻接地为例，各个故障指示器的状态分别如图10所示。其中故障指示器的红色表示翻牌并闪灯，白色表示未翻牌且未闪灯；红色箭头表示不对称电流信号流向。从图10可以看出，在E点接地时，不对称电流源检测到零序电流后由C相经不对称电流源接地电阻后向线路注入不对称电流。

由于接地点的存在，不对称电流在大地、E接地点、A相故障线路、变压器中性点和不对称电流源接地点之间形成回路，1号和4号点的A相故障指示器检测到不对称电流信号后翻牌、闪灯并上报遥信；2号和3号点所在线路中没有不对称电流信号流过，相应故障指示器不动作、不闪灯且不上报任何信息。实验结果满足预想功能。

图10 A相发生金属性及高阻接地故障

高阻接地实验时，由于接地电阻变化范围较大且不稳定，不对称电流波动较大，但结合图5、图7和图9可知，总可以选择一个固定的接地电流设定值，用以判断接地故障发生。从理论上讲，未发生单相接地故障且负荷电流稳定时，指示器采样的连续32个周波DFT后的值应该为零。尽管线路运行时负荷波动难免，但采用连续6次DFT结果为判断条件足以避免负荷波动的影响。

4 结论

现场人工单相接地实验结果表明，四次实验结果均满足实验设计的预期效果。与金属性接地不同，高阻接地时接地电阻变化范围较大，导致输出的不对称工频电流波形波动较大，这也是限制高阻接地检测和定位技术发展的瓶颈。尽管不对称电流波动范围较大，但假如给指示单元设定合适的接地故障电流值，再结合接地故障逻辑判断条件，可以避免高阻接地电阻不稳定造成的影响。

因此，不对称工频电流注入法能有效避免故障指示器对负荷波动、合闸涌流的误判，使故障指示器系统在发生金属性或高阻接地故障时，均能准确选线和故障定位指示，为检修人员迅速排查故障及隔离故障提供了可能。

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