配电网高阻接地故障检测技术综述
福州大学电气工程与自动化学院、国网福建省电力有限公司的研究人员詹启帆、李天友、蔡金锭，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，配电网发生高阻接地故障（HIF）时其电流变化量较小，因此故障检测起来较为困难。
文章中阐述了高阻接地故障时线路的暂态和稳态特性，介绍了小电阻接地系统、中性点不接地系统以及消弧线圈接地系统的故障选线和定位技术以及各自的优缺点。采用多种方式协同的方法可以提高故障检测的可靠性、灵敏性以及经济性。
新中国成立初期我国配网普遍为中性点不接地方式，随着电网不断发展，我国逐渐采用中性点经消弧线圈接地方式。由于近年来电缆线路的大量投入使用，中性点经小电阻接地方式的使用逐渐增加。
目前我国配网主要采取中性点不接地、经消弧线圈接地与经小电阻接地这三种接地方式，其中中性点不接地与经消弧线圈接地方式又可称作为小电流接地方式[1]。
在配网中，高达80%的故障类型是单相接地故障，当架空线路与树枝、水泥、沙土、动物等物质接触，其接地电阻高达几百Ω或者上千Ω，成为高阻接地故障（HIF）[2]，占故障总数5%左右。HIF过渡电阻较大，电流变化量较小，三相线电压保持对称，并且故障现象不稳定。
若对地电容电流小于11.4A时，接地电流可在过零点时熄灭；若对地电容电流大于11.4A时，则电弧会在过零点时熄灭，在峰值附近重新产生，造成间歇性电弧故障[3]。因此HIF检测极度依赖于就地测试，由于测试成本较高并且受到故障点附近噪声等不可预测因素的影响使得HIF的研究受到了很大的限制[4]。
若无法确定故障点，线路长时间带故障运行可能使故障点温度过高，从而引发火灾，造成电气设备的永久损坏，并且接地点周围跨步电压可达到几千伏，对接地点周围人身安全造成威胁[5]。
因此，当配电网发生接地故障的时候，必须及时选出故障线路，确定故障所在区段，迅速排除故障，以免对人生安全方面造成危害。本文主要介绍了几种HIF情况下的故障选线和定位方法。
1 单相接地短路分析（略）
由电路基本理论分析可知，发生单相接地故障后，电压、电流包含随时间逐渐衰弱的暂态分量和不随时间变化的稳态分量。
图1 高阻接地故障稳态等效电路
图2 单相接地故障序网图
图3 中性点电压偏移轨迹图
图4 高阻接地故障暂态等效电路
2 国外关于配电网高阻接地保护研究
美国的德克萨斯农机大学最早开始了HIF的研究，在11年内一共进行了200次的HIF试验[7]，只有35次能被常规线路保护所排除，可以看出常规保护无法有效地对HIF进行辨别。
由于不同接地介质等效电阻不一样，所以故障电流也就不一样。波兰在12.5kV网络上对不同接地介质进行短路测试，得到故障电流大小在0~75A间，其结果如表1所示[8]。
表1 12.5 kV高阻接地故障典型电流值
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介质 |
故障电流/A |
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干燥的沥青、水泥、沙地 |
0 |
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潮湿沙地 |
15 |
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干燥草皮 |
20 |
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干燥草地 |
25 |
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潮湿草皮 |
40 |
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潮湿草地 |
50 |
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钢筋混泥土 |
75 |
从上述实验能看出HIF时故障电流较小，通过传统线路保护很难对HIF进行辨识。基于单相接地的故障相放电生成了高次谐波，相应地在Rf上生成分压，故障相的相电压上也相应产生了高次谐波这一基本原理，国外学者提出了以下谐波算法。
2.1 三次谐波算法
由仿真可知，在发生HIF时三次谐波的向量值的变化是唯一的并且可预测的，因此使得三次谐波可作为检测HIF的可靠参数。文献[9]中基于对谐波向量的变化进行测量，而不仅仅是对谐波幅值和相对位置进行测量，其中谐波的相位角的测量是相对于系统电压，这是由于故障电流谐波是系统电压的函数，而不是系统负载电流的函数。
环境等引起的三次谐波变化可能大于HIF引起的三次谐波故障，因此在三次算法判定法中考虑到其它原因产生的谐波和故障产生的谐波差异，大大提高了故障选线的准确度。
2.2 偶次谐波算法
电网中发生HIF时，大多会产生间歇性电弧现象，并且该电弧产生的故障电流波形在每个周期中均会产生不对称的形状。根据这一现象，基于故障电流归一化偶次谐波功率变换的原理，可以根据偶次幂、偶次数比和偶次阶增量方差准则进行故障检测。
文献[10]中，对这三种方法在HIF和正常开关事件时进行了比较，发现了偶数阶增量方差标准较其余两个标准可靠性较高。所以利用偶次阶增量方差标准，将高阻抗故障与其余正常开关事件区分开。然而，不能由此指出偶次阶增量方差准则较其他两种方法较好，因为故障的性质和特性在不同系统中是广泛地变换的。
2.3 基于卡尔曼滤波的方法
卡尔曼滤波算法基于将故障信号中基频分量当做有效成分，将故障中低次谐波、高次谐波及逐渐衰减的非周期分量当做噪声进行处理，对信号不断“预测-修正-运算”，从而估算出最优的50Hz电流和电压相量[11]。HIF由于故障电弧的原因，基波和谐波分量的变化是不固定的，文献[12]中利用该特征，采用卡尔曼滤波算法获得基波变量和谐波变量随时间变化的估计值，能够有效地检测出HIF。
上述基于谐波的线路故障检测方法主要利用频域故障特征，准确性受系统中的各次谐波含量的影响，HIF系统中的电压电流谐波由于故障类型繁多相差甚大，较难给出一固定的阈值。
3 国内关于配电网高阻接地保护研究
3.1 小电阻接地系统高阻接地保护研究现状
小电阻接地系统的单相接地故障保护，我国配电网一般采用阶段式零序过流保护和零序功率方向保护，中性点一般通过小于60Ω的电阻接地，使得接地电流在100~1000A[5]。对于10kV的配电系统，按零序电流的整定值为60A计算[13]，此时系统能检测出的最大接地故障电阻为86.2Ω，即故障电阻超过86.2Ω时，保护将会拒动，若发生在线路末端故障时，能检测出的故障电阻将更小。
针对小电阻接地系统能检测到的故障电阻较低，文献[14]提出了采用高精度的零序电流互感器；参考我国现阶段小电流接地方式下采用线路暂态量信息进行选线的技术；利用变电站各种模拟量和开关信息量等方法来提高小电阻接地系统的耐高阻能力。
文献[15]根据线路零序电压与零序电流、接地故障电阻Rf成正比这一基本原理，提出了电压制动型零序电流保护装置，保证了1000Ω左右的HIF可靠性动作。但对更高的故障电阻却很难达到理想的效果
3.2 中性点不接地系统高阻接地保护研究现状
1）希尔伯特-黄变换
希尔伯特-黄变换主要分为经验模态分解和Hilbert谱分析这两部分。经验模态分解（EMD）是基于傅立叶变换的分解法，将其分解成为有限个本征模函数（IMF），它在处理一些非线性信号上具有很高的信噪比，并且具有较强自适应性。
文献[16]通过构造中性点不接地系统仿真模型，得到不同故障点的零序电流数据样本，利用EMD对采集到的电流分解得到不同的IMF，采用区分度最大的IMF作为特征量，再与故障定位装置计算得到的故障点IMF分量进行相关性分析从而得出故障点。该方法较直接使用零序电流作为特征量的定位结果进行了比较，定位精度在100m以内，有着较高的定位精度。
文献[17]通过EMD分解得到代表高次谐波的固有模态函数，从而得到具有单调变换特性的“残差”。通过残差计算出接地故障的接地阻抗，从而计算出故障距离。文献[18]考虑了电网中分布式电源的接入，基于故障相电流和非故障相电流总和大小相等这一基本特性，利用希尔伯特-黄变换提取出线路上的非工频零序分量，再根据数字陷波器提取出的各电流的五次谐波分量。
通过求取出的能量权重系数，选择权重系数最大的线路，若其五次谐波分量极性与其他线路相反时，则判定该线路为HIF，可实现最高500Ω的高阻故障选线。采用经验模态分解法的的特征量暂态零序电流较易获取，成本较低，有着很好的使用价值。
2）阻抗测距算法
阻抗测距算法目前普遍采用解微分方程算法，传统解微分算法假设保护安装处零序电流和故障处零序电流没有相角差，从而将误差放大了3Rf倍。当输电线路发生低阻接地故障时Rf≈0，传统的解微分算法误差较小，可以满足测距要求，并且该方法使用简单，实时性好，受电网频率的波动影响较小。HIF时Rf较大，测距算法产生的误差较大。
文献[19]基于传统解微分算法，提出一种中性点不接地系统的改进测距新算法，消除了传统的解微分算法中Rf对测距结果所造成的影响，大大地提高了测距精度，发生HIF时也有着较高的精确度。但该方法在求解过程中较为复杂，需要求解复杂的非线性方程组，并且较难消除伪根的影响。
文献[20]基于参数识别的阻抗测距算法，采用电感代替故障点后的线路，通过对故障测距方程的准确推导，提出了一种具有三个未知数的解方程测距算法。该算法在线路末端故障时测距尤其准确，并且不存在超越问题，但该方法仅适用于中、短距离的输电系统。
文献[21]中采用正序和零序网络阻抗两种解微分方程算法进行同时测距，达到了消除伪根的办法，为阻抗测距定位算法提供一种新思路。文献[22]通过零序网络构建了分布参数模型，将带有零序特征量和故障点距离的双曲函数Taylor展开为低阶的方程。
使用最小二乘法消除线路分布参数的影响，得到的测距结果有着较高的精度，并且消除了过渡电阻的影响。但由于HIF时系统稳态电流微弱，并且故障电弧不稳定，较难采集到稳定的信号，故阻抗测距法在实际应用中较为困难。
3）小波变换法
小波变换是窗口大小不变但形状可以更改的时域局部变换，能对不同频率成分采用精细的采样步长，针对信号任意细节，能够检测出奇异点[23]。文献[24]根据小波变换，利用故障相电流和零序电流经过小波变换后得到的模极大值的极性、位置以及个数的比较形成判定的第一种依据。再采用最小二乘法提取故障后首个周期的暂态谐波分量，计算各谐波之和同基波的比值从而能够实现HIF选线。
文献[25]基于故障线路和非故障线路暂态零序电流幅值之和相同这一基本原理，通过滤波器获取信号的低频分量和高频分量，计算各线路的小波能量，从而放大故障特性。设定合理的阈值，将高频分量的的能量和阈值进行比较，若高频能量大于阈值则判定为故障时刻发生在电压过峰值附近，则采用高频能量进行判定；若高频能量小于阈值则判定为故障时刻为电压过零点附近，则应当采用低频能量进行判定。
选取小波能量最大的线路和其余线路进行比较，若该线路能量大于其余所有线路能量和，则判定为该线路故障，反之则为母线故障。该方法在EMTP仿真软件下可以对不同故障时刻、消弧线圈不同补偿度、低阻、HIF下能够准确选线。由于小波变换的特性，智能选取固定小波基和分解尺度，只能达到局部的效果，不具备自适应信号分析能力，并且目前对小波基的选取尚无确切的准则。
4）行波法
行波法主要包括单端法和双端法，如今配网中分支点较多，所以双端法在实际中较少应用。单端注入法就是在中性点不接地系统线路初始端注入检测信号，文献[26]基于故障发生点距离和行波传递时间成线性关系这一理论依据，通过三相同时注入脉冲信号来检测行波的突变量，消除配网正常运行时由于三相不平衡而造成的定位误差，再通过使用高频分量返回首端的时间进行故障点定位。
其中行波到达的时间和波速度的选取是一一对应的关系，采用小波变换法或者阈值法进行行波的判别，在接地电阻小于10kΩ的情况下有着较高的定位精度。行波法在使用过程中受系统参数、线路不对称性以及系统运行方式等因素影响较小，并且无需巡线，有着较快的定位速度[27]。
但在实际线路中，由于电缆与架空线路的混合使用，电缆区段的线路参数随着频率的变化较架空线路大使得行波的波头产生了较大的畸变以及电缆与架空线路连接处的波阻抗不连续所造成的行波在传输过程中发生了反射[28]，导线阻抗引起损耗、导线对地电导造成的损耗、电晕造成的损耗等原因会导致行波在线路传播过程中造成损耗和变形，上述众多因素导致了行波波头识别困难。
此外，由于注入脉冲信号宽度存造成一定的近区定位死区，并且噪声的存在会影响到高频返回信号到达时刻的判别，从而影响测距精度。所以使用行波法进行HIF的定位还有较多问题尚待解决。
3.3 谐振接地系统高阻接地保护研究现状
1）注入法
文献[29]基于注入信号法的控制与保护，系统运行时往消弧线圈互感器注入零序恒流信号，测量其谐振频率，计算线路对地电容电流。由于HIF中性点电压偏移较小，通过从零序电压互感器注入谐振信号，计算Rf，对HIF进行辨别。
若为HIF，则比较位移电压和故障相电压的大小。若位移电压小于故障相电压，则将谐振频率恒流信号通过消弧线圈电压互感器向系统注入；若位移电压大于故障相电压，则将谐振频率恒流信号通过故障相电压互感器注入，观察各出线的零序信号功角、阻尼率。
根据HIF线路阻尼率显著增大这一基本原理，从而达到选线的目的。但TV容量大小会对注入法影响较大，故障点发生间歇性电弧会导致注入的信号在线路中断断续续，对结果造成影响[30]。另外，采用注入法还需要额外注入信号以及专门的检测设备 [31]。
2）神经网络法
由于HIF特征较不明显，为提高选线正确率，也有部分方法引入人工智能的方法融合多种特征量进行选线，以人工神经网络方法最为成熟，该方法通过样本训练得到可区分高阻接地故障和正常运行状态的神经网络，达到HIF检测的目的。
文献[32]通过采样故障发生时刻后三个周波的三相电流以及零序电流，经过小波变换后计算各个频带的标准差（STD）作为神经网络输入样本，从而达到故障选线的目的。文献[33]在谐振接地系统中，通过采取故障前四分之一周期的暂态零序电流信号和故障后四分之三周期的暂态零序电流信号，经过EMD分解后得到的特征固有模态量作为输入样本进行神经网络训练，实现故障选线。
神经网络法缺点是，只有采用大量样本进行神经网络的训练时准确性才较高。然而在实际应用中，训练神经网络的样本的数目是十分有限的，且样本的选取没有确定标准。
3）暂态电流投影法
目前配电网自动化系统一般无法获取三相电压或零序电压，只能获取线路上监测点的电流信号，并且FTU的时间误差在10ms左右。基于上述故障区段定位的限制，文献[34]提出一种通过计算检测点暂态电流在母线暂态电压上投影的方法进行故障区段定位。基于同步测量单元将零序电压、零序电流带上时间标签，通过通信网络上报给主站，为接地故障定位提供了新思路。
根据母线电压和故障点下游检测点暂态电流正交与故障点上游检测点电流成正比这一基本原理，将故障线路上各检测点最大特征值的一半设为阈值。计算各检测点暂态电流在暂态电压上的投影分量特征值，当相邻检测点的投影分量特征值差大于阈值，判定故障区段为这两个检测点之间；若所有检测点投影分量特征值小于该阈值，判定为最末端检测点之后为故障区段。该方法能采集到丰富的故障信息资源，不受线路类型以及过渡电阻的影响，计算量小，能够在短时间内选出故障区段。
但由于电网关于TV/TA的极性安装方面没有明确的要求，使得实际配网中TV/TA出现大量极性反接的现象，因此在暂态电流极性特性的使用上还存在着一个关键性问题[35]。
4 结语
一些正常的电网操作例如负荷的变动会使得电流发生波动；并联电容器会使得电流中谐波含量发生很大的变化；整流器等电力电子元件会在线路上产生偶次谐波等。如何正确地辨别HIF和上述电网操作也是具有一定的难度。
同时，利用线路上的检测点对各线路进行监测的同时还应当考虑到线路上各检测点的设定以及相应的维修费用[36]。在实际HIF检测中，应当考虑到理论与实际应用的相结合，对HIF产生原因以及故障的发展趋势进行分析，特别是实际工程中弧光接地对暂态、稳态特性的影响。
上述提出的方法中，由于HIF信号微弱，并且受到HIF类型种类繁多、线路运行方式、线路周围环境等因素的影响，并没有一种方法可以100%准确地检测出故障。其次，对接地故障微弱信息的采集是故障检测准确的基础，通过引进一些现代信号处理新技术如S变换、希尔伯特—黄变换、卡尔曼滤波、Prony算法、小波分析等，可以提高对采集到的HIF信息提取能力[37]。最后，由于各种选线定位方法选用的特征量不同，故其都有各自的使用范围以及一定的定位死区[38]。
通过深入研究每种故障检测方法的优缺点，选择具有优缺点互补的几种方案，采用多判据融合技术可以提高HIF选线定位的准确率[39]。考虑到实际线路小电阻接地方式不断扩张、分布式电源不断接入、架空线路与电缆线路混合使用、线路中电流互感器TA极性接反等各方面问题，HIF检测应当综合考虑的问题越来越多，需对各个方面的影响展开研究。