浅析小电流接地选线现状研究
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【摘 要】通过对目前国内小电流接地选线原理的分类和选线装置的使用现状研究，阐述了单相接地后系统中零序电流的流向特征，小电流接地选线中存在地问题和今后的研究方向。
【关键词】小电流接地；选线；五次谐波法
1.引言
在我国低电压等级（6～66kV）电力系统中，配电系统的中性点一般采用不接地或经消弧线圈接地两种方式，统称为小电流接地系统.有关规程规定小电流接地系统发生单相接地故障时可以继续运行1～2 h.但由于发生故障时非故障相的电压上升至线电压，长时间运行会使单相接地变成多点短路，弧光接地还会引起全系统的过电压，损坏设备，破坏系统的安全运行。
如何快速准确地检测出故障线路是小电流接地保护系统的关键。
现有的选线原理可以分为：基于稳态分量的选线方法、基于暂态分量的选线方法和外施影响法的三大类.
国内主要的小电流接地选线技术：对中性点不接地系统，采用基波零序电流方向判别法；对中性点经消弧线圈直接接地系统，采用5次谐波判别法；对中性点经自动跟踪消弧线圈及阻尼电阻接地系统，采用有功分量判别法。
1.1选线启动方案
配电网发生接地故障时，零序电压升高，故可采用零序电压幅值大于门槛值作为启动条件。
（1）
式中：U0（k）―当前的零序电压幅值；Uzd1―零序电压整定值，取绝缘监视电压，根据系统不对称度等参数来选取，一般为12～15V。
也可采用零序电压突变量作为启动元件。
（2）
式中 Uzd2―――零序电压突变量整定值，一般可取Udz2=3V。在选线装置中，可同时采用上述2种方案，即同时满足式（1）、式（2）时，开放选线装置的正电源。
1.2故障相的确定
在其它两相电压超过设定的高门槛值的同时，自身电压低于设定的低门槛值的相即为故障相.由于单相接地时，接地相电压为零，而其它两相的对地电压抬升至√3倍，故容易确定用于接地选相的2个电压门槛值。
2.选线方法
2.1零序电流比幅比相法
在中性点不接地系统中，故障线路零序电流的大小等于所有非故障线路的零序电流之和，方向与非故障线路的零序电流方向相反.比幅比相法就是依据这个特点检测故障线路.零序电流比幅比相法是目前应用最为广泛的一种方法，在不接地系统中，这种方法的应用效果较好，但是在消弧线圈接地系统中会失效。
单相接地故障大多发生在相电压接近峰值时刻，会产生强烈的暂态过程.此时，暂态零序电流幅值与未补偿的工频零序电流之比近似等于暂态信号主频率与工频之比.即使在相电压过零时故障，暂态零序电流的幅值也接近未补偿的工频零序电流.单相接地故障暂态过程等效为整个网络在故障点突然加入的虚拟电源激励下，各线路自身或多条线路之间的谐振过程.考虑到系统阻尼，暂态零序电流应该由若干个指数函数或按指数衰减的正弦信号组成.由故障线路从故障点到母线区段和所有健全线路之间串联谐振产生的零序电流（称为主频信号）、在故障线路和所有健全线路的暂态零序电流中均占主要成分.可以证明，对于任何系统主频信号频率均小于X′且大于XL′.因此，SFB频带内包含了暂态零序电流的主要能量，可保证检测可靠性和灵敏度.间歇性接地故障的电弧不稳定，将持续产生高频暂态过程，直到故障消失。
2.2五次谐波法
电力系统由于变压器、线路设备等的非线性影响，线路电流中存在着谐波分量，其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度增加。由于谐波电流方向原理所使用的高次谐波分量较小，易受干扰，实际运行中较多地使用五次谐波分量法.从过渡电阻的非线性可知故障点本身就是一个谐波源（金属性接地是经电阻接地发展而来的），且以基波和奇次谐波为主，根据谐波在整个系统内分布和保护的要求，使用五次谐波分量为宜.NES中的消弧线圈是按照基波整定的，即有ωL≈1/ωC和5ωLμ1/5ωC，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，零序电流五次谐波分量在NES中有着与NUS中零序电流基波相同的特点，再利用前述原理（如群体比幅、比相法等），即可解决NES的选线问题。
2.3基于小波变换模极大值的选线方法
中性点经消弧线圈接地系统的母线上一般接有多条馈线.这些馈线不仅存在电磁耦合，而且在A，B，C各相间也存在电磁耦合.故障线的故障相会出现故障行波分量，同时在非故障相由于相间电磁耦合亦会引起电流行波分量.故障线路的故障电流行波能量大于非故障线路，这是由于其他非故障线路上出现的电流行波分量都是由故障线路透射过去的，是故障线路行波分量的分流.由此，结合小波变换模极大值理论，给出基于非故障相暂态电流的模极大值比值的选线方法.实现方法如下：
使用ATP（AlternativeTransientsProgram）来模拟小电流接地系统单相接地故障，仿真所采用的系统结构模型如图1所示.线路参数为：
正序电阻为0.125/km，正序感抗为0.302H/m，正序容抗为0.266nS/m，零序电阻为0.97/km，零序感抗为5.062H/m，零序容抗为0.266nS/m.4条10kV馈线长度分别为10km，15km，8km，12km.值K取为1.4时便能完全满足选线要求.假设线路1在距母线5km处A相发生接地故障，采样频率为200kHz.数据窗为故障前20ms至故障后60ms共80ms.ATP仿真后得到的4条出线的非故障相B相的暂态电流如图2所示。
故障后的暂态电流中包括暂态电流分量和负荷电流分量，为了准确地提取故障后的暂态分量，仿真中采用故障后的电流和故障前的电流之差作为选线的依据.理论证明，小电流接地系统单相接地故障绝大多数发生在相电压的峰值附近.对于架空线路其能量主要集中在300～1500Hz；对于电缆线路其能量主要集中在1500～3000Hz。
应用MATLAB中的小波工具箱，编制程序对线路1至线路4的B相暂态电流（故障后的电流减去故障前的电流）进行分析，得到在最高尺度上的分解结果。可以看出，线路1模极大值为8.5445，线路2模极大值为3.4768，线路3模极大值为3.5101，线路4模极大值为3.2117.显然线路1B相暂态电流的模极大值远远大于其他线路B相暂态电流的模极大值，并且满足M=M1/M31.4，因而能够准确选择故障线路。
对仿真结果的分析表明，各出线非故障相暂态电流具有以下明显特征，可用于选线。
线路发生单相接地故障时，故障线路非故障相的模极大值远大于非故障线路非故障相的模极大值，并且满足一定的比值关系。
母线发生单相接地故障时，母线所有出线的模极大值相差不大，如果线路参数和长度完全相同，各出线相与非故障相的模极大值均相等。
3.结论
综上所述，得到以下几点结论：
小电流接地选线技术是保护中的难点，迄今为止，接地选线的课题并未解决.目前，小电流接地的准确动作率比较低，尤其是对中性点经消弧线圈接地系统，其准确动作率一般不超过75%。
目前，国内的选线装置多采用零序电流及其高次谐波原理实现故障选线，首半波法、有功分量法等其他方法均有采用.但是基于谐波原理的装置在实际运行中易造成误判。
单相接地时接地电容电流的暂态分量利用能对突变的、微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论，可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征，所以小波理论必将被越来越多地应用于故障选线。
小电流接地选线装置，仅仅依靠一种原理实现百分之百正确故障选线是不可能的。只有根据系统的运行工作情况有机地将各种理论完美地结合起来，扬长避短，才能达到满意的效果。