[科普中国]-单相故障

在我国3～66kV配电网中，广泛采用小电流接地系统，而此系统发生最多的是单相接地故障，所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题。

概念单相故障在我国3～66kV配电网中发生频率较高，所以如何快速准确地检测出故障线路一直是电力系统继电保护的重要研究课题。研究结合重-同步发电机定子单相接地故障暂态仿真及其保护措施，研究单相故障的判定中低压电网。由于其中性点接地方式的灵活性，在发生单相故障以后，往往不跳闸，对于运行人员来说，如何根据电压来判断故障成为一个焦点问题。为充分利用单相接地故障的互补信息提高选线保护的可靠性，提出中性点非有效接地电网信息融合选线方法。该方法采用D—S证据理论，针对故障选线问题的具体特点，合理构造了选线识别框架和信度分配函数，将故障选线问题转化为证据理论模型。

小电流接地系统单相故障的 Matlab 仿真小电流接地系统又称为中性点非直接接地系统，包括三种接地类型：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地。我国110 kV以下的电网多采用该系统。其优点是，当系统发生单相接地故障时不形成短路回路，只是经线路对地电容形成回路，接地点的电流很小，三相线电压仍然保持对称关系，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行1～2 h，从而提高了系统运行的可靠性。但是小电流接地系统发生单相接地故障时，其它两相对地电压升高，有可能进一步扩大成两点或多点接地甚至是相间短路。所以，一旦发生了单相接地故障，希望能尽快找到故障点以便运行人员及时排除故障。

中性点不接地系统以中性点不接地系统为例，对小电流接地系统单相接地故障作理论分析。假定馈线2的A相经过渡电阻接地，接地电阻为50Ψ。当馈线2的A相接地后，如果忽略负荷电流和电容电流在阻抗上的压降，则故障线路各相对地电
压为

式中，EA、EB、EC是发电机三相电动势。可知全系统A相对地的电压等于零，因此各元件A相对地电容电流也等于零；而故障线路的非故障相的电压升高到原来的3倍，其对地电容电流也随之升高3倍。如考虑负荷电流和电容电流在阻抗上的压降，故障相电压电流不会降低到0，但较故障前依然会降低。非故障相的电压电流不会升高3倍，但较故障前依然会升高。

系统仿真Matlab的电力系统工具箱PSB(power system block)含有丰富的电力系统元件模型，包括电源、电机、电力电子、控制和测量以及三相元件库等，再借助于其他模块库或工具箱，在Simulink环境下，可以进行电力系统的仿真，尤其可以实现复杂的控制方法仿真。

分析小电流接地系统接地故障，最重要的目标是获得零序电流或零序电压的数据；应用对于Matlab分析，就是得到各出线的零序电流或零序电压的波形，对其故障期间的波形进行分析，从而判断故障相与故障线路。

为测得各线路的零序电流和零序电压，首先在各线路首段串联三相电流电压测量模块Three phase V-I measurement，此模块有两个输出端，输出矢量信号，分别输出线路的三相电流和三相电压；然后用分路器模块Demux将矢量信号分解成三个单一信号，分别是A相、B相和C相的电流或电压；最后用加法器将三个单一信号合成一个信号，即 3 倍的零序电流或零序电压，再经过数值为 1/3 的增益模块 Gain，将零序电流或零序电压在示波器Scope中输出。 如果需要对信号进行其它处理，可在示波器中将信号存为 mat 的数据文件，保存在Matlab的工作空间Workspace，然后就可以利用 Matlab 的各种信号及图形处理工具对其进行处理。

故障选线及选相运行 Simulink，运行完后，在各个示波器中就可以参看线路的零序电流波形。仿真得到的各线路的零序电流波形如图1所示。通过对图1(a) (b) (c)比较，可以发现：0 s～0.045 s各线路完好，三相电流对称，因此零序电流等于0。而 0.045 s系统发生单相接地故障，三相电流不再对称，且直到仿真结束时刻 0.2 s，系统单相接地故障仍未排除；因此0.045 s～0.2 s各线路存在较大的零序电流。 线路 3 零序电流的方向与线路1、2 零序电流的方向相反，并且数值比它们大；在同样时刻对 3 个图形进行采样，会发现线路 3 零序电流等于线路1、2零序电流和，且极性相反。

中性点不接地系统发生单相接地故障，可以通过比较各线路零序电流的大小和方向，由故障线路零序电流与非故障线路零序电流在大小和方向上的差异性，从而做出选线判断，也就是基波零序电流比幅比相法。再确定故障相，可用故障线路的电流电压的波形作为判据，如图2所示。比较图2中电流电压波形：故障发生后，A相电压降低，同时A相电流升高。由此可以判断出A相就是故障相。1

带并联电抗器输电线路单相故障性质识别判据研究进展输电线路采用单相自动重合闸技术快速恢复供电是国内外广泛采用的一种有效措施。但是现有自动重合闸的动作具有一定的盲目性，存在重合于永久性故障给系统带来严重的二次冲击的危险。因此，研究自动识别永久性和瞬时性故障避免盲目重合的自适应重合闸具有重要意义。

自适应重合闸的核心就是区分瞬时性和永久性故障，按其利用的电气量可分为两类：基于电压量和基于电流量判别方法。电压量判别方法主要包括电容耦合电压幅值及相位特性2、拍频特性、一次二次电弧特征等。此类方法在电压信号获取精度高的前提下具有较好的适用性；但对于带并抗补偿的超/特高压电网由于断开相电压幅值较小，线路电压互感器的测量精度难以满足要求，会导致该类判别方法工程应用存在一定的局限性。而利用电流量包括正交性检测低频自由分量、断开相并抗电流和中性点小电抗电流幅值比、电流差动原理的方法；由于利用了测量精度高的并联电抗器电流量，且信号获取可靠性高，为带并联电抗器的线路的单相故障性质判别提供了新的可行思路。

研究结合带并抗补偿线路的自由分量拉普拉斯等值电路分析了系统阻抗及故障点位置变化对断开相并抗电流低频分量频率的影响，在低频分量频率准确计算的前提下，预设断开相并抗电流最小二乘拟合模型以求取低频分量和工频分量的幅值，由电流幅值特性实现瞬时性和永久性故障的判别。该方法判别原理简单，计算量较小，能够方便地应用于工程实际。

断开相电流低频自由分量特点超/特高压输电线路发生永久性故障时，由于故障点一直存在，线路电容对地可靠放电，断开相并抗电流主要以工频成分为主，不含低频振荡分量。在瞬时性故障时，故障点二次电弧熄灭以后断开相储存的能量经并联电抗器与线路电容构成的 LC 振荡回路释放，导致恢复阶段的电压电流量除了工频分量以外，还存在幅值接近或超过工频量的低频振荡分量，以致断开相并联电抗器电流存在明显拍频现象。

瞬时性故障时，在故障点电弧熄灭瞬间，由于潜供电流为电容性，可近似认为此时能量储存于故障相对地电容中。假定A相发生瞬时性故障，图3给出了前述线路系统的自由分量的拉普拉斯等值电路。

对于带固定补偿度并联电抗器的线路来说，电抗器电感器参数为常数，自由分量频率可离线准确计算；对于带可控并联电抗器线路来说，当并联电抗器补偿度变化时对应等值电感参数也随之变化，但等值电感可由故障前的电气量信息计算得到， 之后计算低频自由分量频率。另外，考虑到线路自阻抗只有几十欧， 远小于自由振荡回路的数千欧的容抗和感抗，因此线路自阻抗对自由分量频率的影响甚微，即低频振荡分量频率基本不受故障点位置的影响。

以上分析表明，不管是固定补偿度线路还是可控补偿线路，自由分量频率基本不受系统阻抗及故障点位置变化影响，计算自由分量频率具有较高的精度。因此，在准确计算自由分量频率的前提下，提出一种基于断开相并抗电流低频自由分量和工频分量幅值特性的单相自适应重合闸快速判别算法。该算法利用最小二乘拟合原理，可在一个工频周期内快速计算断开相并抗电流的低频自由分量和工频分量幅值，且基本不受直流分量和整次谐波影响。

基于电流幅值特征的新判据由前面的分析可知，低频自由分量的存在是导致瞬时性故障电流拍频现象的直接原因，而永久性故障时以工频分量和直流分量为主要形式。因此，据低频分量这一特点可实现单相故障瞬时性和永久性故障的区分。理论上，瞬时性故障时断开相并联电抗器电流量的低频自由分量的幅值 IL 接近或大于工频分量的幅值 I1 ；而永久性故障时，断开相并联电抗器电流量以工频分量和直流分量为主要形式，不存在低频分量，此时对应的低频电流分量幅值 IL 应接近0。

实际上，自由分量频率的计算误差会影响工频、自由分量幅值计算精度，但由于采用了具有稳定良好的最小二乘拟合方法，可在一定程度上减小自由分量频率误差带来的误差，因此在整定判据门槛时要考虑该因素影响。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学