罗雪莲，陈成功，刘志豪，曾欢悦
(国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南 株洲 412000)
10 kV电压等级的配电网常采用中性点不接地和中性点经消弧线圈接地两种中性点接地方式。随着供电质量要求的提升，越来越多10 kV配电网采用经消弧线圈的中性点接地方式，这种接地方式虽然能够有效提高供电可靠性，同时也带来了故障量难以辨识的问题[1-5]。因此，当城市配网发生单相接地故障时，现有接地选线装置普遍存在接地选线不准的问题，而接地辅助判断手段有限，仅靠人工拉线会延误接地故障隔离和处置，进而导致其他不相关用户短时停电，降低供电稳定性的同时还会影响供电服务质量。
为减少接地故障对供电服务质量带来的影响，应避免采用人工手段进行拉路，提高接地选线装置的选线成功率被提上议程。目前常见的几种接地选线方法中，稳态零序电流相位比较法[6-8]是通过比较不同线路的零序电流方向进行故障判断；
比幅比相法[9-11]是根据故障电流与非故障电流之间幅值与相位的区别进行选线；
负序电流法[12-13]是采用负序分量作为参数进行选线保护；
注入信号跟踪法[14-16]是通过向系统注入并跟踪高频信号进行故障判断。但上述选线方法存在可靠性低、电流互感器精度要求高、安装成本高、采样困难等问题，实际应用效果不佳。
因此，本文的研究重点是在现有条件下，寻求一种切实可行的接地故障辅助研判手段，提升接地拉路准确率和快速性，提高供电服务质量，提升配网“两降两控”指标。
图1为某中性点不接地系统，正常情况下三相对称，对地电容电流之和为0。以图1中线路1发生A相接地故障为例进行分析。
图1 中性点不接地系统全接地零序电流示意图
1)无接地故障的线路的三相对地电容电流分别为:
式中，C0i为i线路的对地电容；
UBG、UCG分别为B、C相对地电压。
可以看出，无接地故障的线路的零序电流为:
式中，U0为零序电压；
ωC0i U0为正常运行状态下A相对地电容电流之和。
根据式(2)，无接地故障线路的零序电流由接地零序电压和该线路对地电容决定。
2)对于接地线路，流过接地相故障点的电流为所有无接地故障线路对地电容电流的叠加，即:
式中，IBS、ICS分别为变压器B、C相等效对地电流；
C0Y为系统单相对地电容的总和，C0S；
C0S为变压器等效对地电容。
综上分析，当中性点不接地配网发生单相接地时，接地线路的零序电流为所有无接地故障线路对地电容电流的叠加，而无接地故障线路的零序电流为正常运行状态下该线路的电容电流。通常情况下接地线路的零序电流值远大于任一无接地故障线路的零序电流值，可根据零序电流幅值大小进行选线。但实际应用时存在以下问题:
1)经消弧线圈接地的10 kV系统，接地线路的电容电流被消弧线圈补偿，补偿度接近全补偿时，接地线路的零序电流较小，通过零序电流大小进行接地故障判别的方法辨识度较低；
而补偿度为过补偿时，接地线路的零序电流方向与无接地故障线路的零序电流方向相同，接地现象同样不明显。
2)通常配网线路负荷存在三相不一致问题，如果配网线路三相不平衡度高，可能出现接地告警信号误动的情况。
3)配网线路情况复杂，架空与电缆线路混合，线径、长度不一，且运行方式种类繁多，对电容电流的计算造成一定的困难，因此无法依据运行方式变化调整接地告警定值。
因此，有必要研究一种适用于配网线路的接地选线方法，能够在调度主站端可靠判别接地相。
单一的选线判据具有其独立的适用范围，受现场实际影响，选线判断具有一定的局限性。为了保证接地选线的可靠性和冗余度，提出一种基于零序阻抗与历史数据比较的综合选线方法，该方法只需要采集10 kV系统零序分量进行判断，简化输入量。采用的是零序分量的稳态值而非暂态值，对数据的采样频率没有特别要求，能适用上传到调度主站系统进行统一判断。同时通过统计历史接地数据，计算配网线路发生接地故障的概率，可考虑结合配网线路投运年限，对故障概率进行修正，最终实现接地故障最小范围的快速隔离。
2.1 基于零序阻抗比较的辅助判断方法
假设中性点不接地系统正常运行时，三相电压对称，有UA=UB=UC=UN。
当系统发生全接地时(以C相全接地为例)，中性点电压由零电位偏移为-UC，A、B、C三相对地电压分别为UA-UC、UB-UC、UC-UA，如图2所示。
图2 中性点不接地系统全接地电压示意图
则母线零序电压为:
同理，当A、B相全接地时，同样有母线零序电压U0=UN。
无接地故障线路的零序阻抗不受系统其他线路发生单相接地故障的影响。故通过比较配网线路前后两次接地故障发生时的零序阻抗，可以判断该线路是否为接地线路。如果配网线路零序阻抗出现明显变化，基本可以确定该线路为接地线路。
对于不完全接地故障，设中性点电压偏移量(即母线零序电压)为U0，对系统中第k条无接地故障的线路而言，其他线路发生单相接地故障时，本线路零序阻抗不变，如式(6)所示:
则不完全接地故障时，第k条无接地故障的线路的零序电流I0k为:
对于线路发生不完全接地故障的情况，通过零序电压U0、非本线路全接地时零序电流ICk，可由式(7)计算得到零序电流I0k。通过计算得到零序电流I0k与配电自动化终端上送的零序电流值进行比较，即可判断系统的接地故障情况。
2.2 基于历史数据的接地辅助判断方法
对两变电站历史接地数据进行统计分析，同一变电站配网线路发生接地故障的次数并不相同，呈现明显的正态分布特点，2016年9月至2022年2月配网线路发生接地故障次数汇总，如图3所示。
图3 变电站配网线路接地故障次数汇总图
从图3中可知，同一变电站配网线路发生接地故障的概率并不相同，且数据量越大，这种差别越明显，配网线路接地概率与接地次数一样，呈现明显的正态分布特点。
因此可以通过统计历史接地数据，计算配网线路发生接地故障的概率，辅助调度员进行接地拉路。
2.3 接地选线综合判据权值计算方法
为保证接地选线的可靠性和冗余度，提出一种综合判断方法进行接地选线判别，其中权值的选取需要通过科学的算法得出。熵权法作为一种客观的赋权方法，能够利用归一化处理对各个评价指标进行熵值计算，从而客观决定各项指标权重[17-18]。
每次接地有n条线路，共有历史故障量、重要程度标志量和零序电流3个特性指标，接地后各条线路特性指标值可记为:
式中，H0为各条线路历史故障量矩阵；
S0为各线路重要程度标志量矩阵；
I0为接地后各条线路零序电流矩阵。
对R中值进行归一化处理，可得第i条线路在第x个指标中的贡献度fxi为:
式中，rxi∈R；
i=1，2，…，n；
x=1，2，…，m；
m为特性指标总数。
第x个指标的熵值wx可通过式(10)求得。
最终通过式(8)—(10)，得到3种选线判据指标对应的熵值wx，计算接地概率Pi并以此进行选线。
2.4 新型配电网单相接地故障辅助研判方法
结合前面提出的接地选线方法和综合权值计算方法，提出的新型配电网单相接地故障辅助研判方法流程如图4所示。
图4 零序阻抗接地故障选线原理流程
1)当配网系统发生单相接地故障时，配电自动化系统采集并存储故障时刻无接地故障线路的零序电流ICk。
2)当配网系统再次发生接地故障时，单相接地故障辅助研判模块首先判断本次接地故障的性质是否符合全接地故障。
若符合全接地故障，研判模块对本次故障采集的零序电流I0与系统存储的历史零序电流ICk进行比较，如果比较结果(X为允许偏差设定值)，则判断此次接地本线路为无接地故障的线路；
如果则判断本线路为疑似接地线路。
如果接地故障为非全接地故障，配电自动化系统采集本次接地故障零序电压U0，则由式(12)可得零序电流限值:
通过比较本次故障采集的零序电流I0与计算得到的零序电流I0k，如果(X为允许偏差设定值)，则判断此次接地本线路为无接地故障的线路；
若，则判断本线路为疑似接地线路。
3)优先按照故障选线识别结果排序。对于根据前述故障选线方法识别为故障线路的情况，可按照对应零序电流超过限值的比重进行排序；
对于未识别为故障线路的情况，则通过赋权法对历史故障概率、线路重合闸动作因素等运行工况进行权值计算，由此实现拉路排序，研判流程如图5所示。
图5 新型配电网单相接地故障辅助研判流程
2022年3月14日04∶00∶45，某变电站10 kVⅠ母发生B相接地(UA=8.84 kV，UB=1.61 kV，UC=9.75 kV，U0=4.64 kV)。
依据零序阻抗比较法、历史接地线路的概率、跳闸重合线路以及重要(敏感)用户线路等因素，采用熵权法得出每条线路接地概率，根据接地概率大小形成拉路顺序。
依据接地故障辅助判研模块拉路顺序进行拉路，4∶15将其中312线路转热备用后，变电站10 kVⅠ母接地复归。经查，某施工单位将312线路29号杆避雷线拉线挖断，拉线弹射触碰在B相引起接地，接地故障辅助判研模块选线正确。
统计2022年1月21日至2022年3月30日某市区发生的永久性故障接地，共41起，均利用配网单相接地故障辅助研判模块进行研判，其中选线成功的有35起。选线失败的6起事件中有2起为新投运线路，无历史信息，剩余4起线路均为重要用户线路，拉路优先级较低。
针对配电网单相接地故障选线装置造价高、选线效率低、选线成功率不高等问题，提出了配电网单相接地零序阻抗比较原理选线方法；
并根据电网运行情况，结合历史数据，得出配电网接地趋势，利用配电自动化系统开发一种基于零序阻抗比较和历史数据参考的接地故障辅助研判模块。该模块优点如下:
1)接地故障辅助判研模块采用了稳态建立于配电自动化主站系统，可真实反映故障稳态信号，且无需加装其他电气设备，相较于其他接地辅助研判装置投资更小。
2)随着城市的发展，分布式电源在配电网中的占比逐渐增大。接地故障辅助研判方法基于零序阻抗不变原理，通过比较配网线路前后两次故障发生时的零序阻抗进行接地拉路研判，适用于无源线路及有源线路。
3)接地辅助研判方法采用综合线路零序阻抗比较法与历史数据参考法，既可以有效排除一部分健全线路，减少运算量，又确保了较高的选线成功率。
4)该接地故障辅助研判模块已进行测试与运行，实践证明，基于配电自动化系统的配网单相接地故障辅助研判模块能准确研判接地故障线路，提高了接地拉路的快速性与准确率，具有一定的工程意义和实际价值。
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