摘要：架空线路单相接地类型故障较多，这种故障不形成回路，电网保护装置不启动保护动作，人工查找接地故障非常困难，一般采用人工拉闸的方法确定接地故障位置，查找故障效率低、时间长。经研究，对单相接地故障情况下的暂态、稳态电流电压特性均已取得较明确的认识，接地故障检测技术也取得了一些突破，但实际的现场应用受现场环境和检测技术局限性的影响，应用效果还有待提高。
关键词：配电网；接地故障；定位技术
1 单相接地故障特征
1.1 单相接地后的稳态信号特征
（1）零序电流特征。中性点不接地系统发生接地故障以后，故障线路的零序电流是所有非故障线路对地电容电流之和，其方向从线路指向母线。非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路本身对地电容电流方向从母线指向线路。
（2）零序电压特征。中性点不接地系统发生接地故障以后，接地相的相电压降低，非接地相的相电压和零序电压抬高。相电压和零序电压随接地电阻的大小变化，相电压在零电位到线电压之间变化，零序电压在零电位到相电压之间变化。
（3）零序电流与零序电压的相位关系。中性点不接地系统发生接地故障以后，由于线路杂散电容电流占主要成分，零序电流超前零序电压接近90°，零序电压与零序电流分别对时间求导的导数相位相反。
1.2 单相接地后的暂态信号特征
（1）暂态零序电流的方向特征。非故障线路与故障线路的暂态零序电流方向相反（消弧线圈影响可以忽略），母线接地故障时，所有线路的暂态零序电流的方向都相同；故障线路的暂态零序电流与暂态零序电压的突变方向相反。
（2）暂态零序电流的幅值特征。暂态零序电流的幅值较稳态零序电流的幅值大很多（一般为十几倍），且持续时间短，约为0.5～1个周波；故障线路故障点前（靠近电源点）的暂态零序电流幅值较大；暂态接地电流值与接地瞬间相电压相位、接地点的过渡电阻有关。
一般接地故障发生在相电压对地正峰或负峰值附近，如果发生在相电压过零附近，则特征不明显。研究表明：接地故障暂态分量受接地电阻影响较大，高阻接地时暂态分量很小。长线路末端接地时，在线路始端监测到的暂态电流波形与故障点附近有很大变化。
2 配电网常用的接地故障检测方法
2.1 基于稳态信号特征的检测方法
（1）信号注入法（中电阻智能投切法）。在变电站内母线上或附近架空出线上安装1台信号源，在线路发生接地故障以后，信号源监测到零序电压抬高，超过报警设定值，延时一段时间以后（主要是躲过瞬时性接地故障或暂态燃弧过程），有规律地投切信号源中的中电阻，发出50 A以下带特殊编码的纯阻性电流信号。该电流信号主要流过故障出线的故障相，经接地故障点和大地流回信号源，而非故障出线、非故障相和故障点后面的线路信号较小。信号注入法适用于检测中低阻永久性接地故障的检测，对高阻接地、瞬时性和间歇性接地不适合。
（2）零序电流幅值法。直接比较零序电流的大小，理论上接地故障点处于零序电流较大的线路上。该法原理简单，实施方便，但因没有监测零序电压，不能判断零序电流方向，当非故障线路和故障点后面线路的零序电流偏大时，容易引起误报警。
（3）零序无功方向法。同时监测零序电流和零序电压，增加零序电流方向判断。当中性点采用不接地时，零序电流容性电流偏大，采用零序无功方向法更准确；当中性点采用经消弧线圈接地时，零序电流容性电流偏小，采用零序无功方向法不准确。另外，需要监测零序电压，现场实施困难。
（4）零序有功方向法。中性点不接地系统零序电流也包括有功分量，采用有功法也可以判断零序电流方向，但中性点不接地系统零序电流有功分量偏小，较少使用。该方法适用于中性点经消弧线圈接地系统，因为消弧线圈抵消大部分零序电流的无功分量；用于中性点经小电阻接地系统时，因零序电流有功分量大，该方法最有效。但是一般零序电流中的有功分量偏小，难以识别。另外，需要监测零序电压，现场实施困难。
2.2 基于暂态信号特征的检测方法
2.2.1 暂态特征法
架空线路发生单相接地时，会出现多种复杂的暂态过程，例如故障相接地时刻的电压突然下降、故障相接地时刻的电容放电电流突然增大、故障相稳态电压持续降低等。同时满足以下条件时，即可判断该位置后面有单相接地故障。
暂态特征法原理简单，实施方便，能检测各种不同性质的接地故障，准确度相对较高。其缺点是：受负荷波动的干扰；没有检测零序电流和零序电压，接地电流方向的判断还不够可靠；暂态电流电压信号容易受外部环境的干扰，特别是刮风、下雨、打雷、下雪天气下容易误启动接地故障判据。
2.2.2 暂态录波法
暂态录波法是在暂态特征法的基础上发展起来的，其目的是通过现场持续、同步采集三相电流信号，然后由主站合成零序电流波形，并对零序电流波形进行分析。配电网存在三相不平衡电流，采样有误差，合成后的零序电流波形还包含了负荷电流和三相不平衡电流，需要通过软件算法（例如求导）来滤除工频信号，提取波形中的高频成分。同时满足以下条件时，即可判断该位置后面有单相接地故障：线路正常运行（有电流或电压），超过一定时间；合成零序电流波形的暂态峰值和时间满足设定的参数，在现场条件允许时，主站需要判断变电站内零序电压是否抬高，减少误报；线路相对地电压降低，幅值和时间满足设定的参数；线路依然处于有效供电（有电流）状态，避免线路负荷投切和保护跳闸的干扰。
2.3 接地故障检测新方法
2.3.1 比较零序电流波形的相似性
通过计算波形函数的相关系数，比较线路各点暂态零序电流波形的相似性，可实现故障定位。波形相关系数计算公式如下
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式中：ρ为相关系数；i为波形函数；x、y为两个波形函数的标识；N为波形采样点数，（256点/20 ms）;k为采样序列号。
线路发生故障以后，主站系统接收和计算线路上相邻两点故障检测设备上报的暂态零序电流的相关系数ρ与两个波形的相似程度成正比，二者完全一致时ρ=1；ρ为负值时，说明故障点在两者之间；ρ为正数时，说明故障点不在两点之间。
该方法的优点是：适合各种中性点接地运行方式；不需要零序电压，改进了零序电流幅值法、零序电流极性法、暂态特征法和暂态录波法，提高了接地判断的准确性。其缺点是：需要GPS广域同步和传送大量录波数据，运行功耗大，当线路负荷电流偏小时CT供电困难，主站计算工作量大。
2.3.2 零序电压传导时域法
线路发生单相接地后，接地点变为零序电压源，以一定速度向周边传导，线路上不同地点的多个零序电压监测装置由于安装位置远近不同，接收到零序电压的时刻也不同。每台终端将零序电压数据上传主站，主站结合线路拓扑图，采用特定算法，快速确定接地故障所处位置。
该方法只适用于系统电压干净的线路，三相不平衡和谐波分量大时容易受干扰误报，或者各台装置GPS时钟不同步、零序电压启动不同步时也容易出现误报和漏报。
结束语
配电网接地故障检测方法都是根据线路各点采样到的电流电压数据进行稳态和暂态信号特征分析，结合不同方法的故障判据进行逻辑分析，首先就地判断是否发生了接地故障，同时将电流电压故障波形数据上传主站，由主站计算分析，最后确定故障位置。未来配网线路综合监测方式能够实现配网线路实时数据在线监测、波形的稳态及暂态分析，提高接地故障检测的准确性，并结合物联网、云主站、大数据、智能AI技术，逐步提高配电网供电可靠性，增强电力生产管理能力和运行水平。
参考文献
[1]张桂兰，范志远．浅谈配电网单相接地故障检测[J]．机电信息，2009（24）:1.