1  引言

电力系统按接地处理方式可分为大电流接地系统和小电流接地系统。我国3~66kV电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统^[1]。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见故障^[2]。配电线路在实际运行中，经常发生单相接地故障，特别是在雨季、大风和雪等恶劣天气条件下，更是频繁发生。短时间的单相接地故障不影响对用户的连续供电，但若发生单相接地故障后电网长时间运行，则可能使线路上的绝缘子绝缘击穿，造成严重的短路事故。同时，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。因此，研究配电电路单相接地故障定位方法，对保证供电可靠性和电力系统的稳定运行有着重要的意义。

2 现阶段的实际应用

2.1  现阶段的技术方案

单相接地故障定位主要解决两部分问题：当母线上有很多出线时，首先需要进行故障选线；其次，故障选线后，需要判断故障区段（分支）和确定故障距离^[3]，目前国内外对故障定位的研究多集中在故障选线，但就如何判断故障区段和确定故障距离却缺乏成熟的研究成果。国内研究的故障定位方法按原理可分为阻抗法、S注入法、区段查找法、行波法和智能法^[4]。按电气量在线路上的采集位置可以分为两种：单端定位法和双端定位法；按在线与否可分为在线定位和离线定位。在国外，单相接地故障定位方法主要有两种：（1）通过分段开关判断故障区段；（2）利用暂态信号计算故障距离^[5]。

2.2  现阶段存在的问题

配电线路发生单相接地故障时，传统的定位方法依靠人工巡线，由操作人员沿线路巡视查找故障点，这不仅耗费了大量人力物力，而且延长了停电时间，降低了供电可靠性。鉴于我国配电网结构复杂、节点和分支多的特点，精确故障定位困难，对于配电线路单相接地故障快速定位方法的理想选取，基本上还处于理论研究阶段^[6]。

3  单相接地故障定位方法

该单相接地故障定位方法包括两大方面：电路故障源定位方法和电路接地故障切除方法。电路故障源定位方法可对输电线路的故障性质进行快速判断，并可识别出故障发生的具体线路，以提供工作人员快速发现故障并得到及时解决，避免故障范围进一步扩大，进而保证了输电线路的可靠性；电路接地故障切除方法通过故障采集单元、故障检测装置和故障隔离装置可以将故障点从电网中切除，保证在输电线路正常供电的情况下进行故障维修，从而解决了停电检修作业影响正常供电的技术问题。

3.1  电路故障源定位方法

电网电路的系统线路图如图1所示，在三相线路的中性点上设置有电信号采集单元；原三相线路和备用三相线路上的同一节点处设置有一个故障采集单元，从而将故障采集单元等间距间隔设置在三相线路上，其中，故障采集单元由三对单相断路器组成，分别串联在原三相线路的三个相线上；两路三相线路的输入端并联线上设置有电信号采集单元，两路三相线路的输出端并联线上设置有电信号采集单元；设置三个故障检测装置，用于采集两个三相线路上同一节点处每一相之间的电流信号，设置故障分析单元，故障分析单元可测量出采集到的两个最大的电流信号之间的差压信号，最后依据差压信号确定故障源的具体位置。

图1 电网电路的系统线路图

3.1.1 判断单相接地故障是否发生

在三相线路的中性点上设置电信号采集单元，电信号采集单元用于采集电网系统中三相供电线路的中性点电压，电网系统正常运行时，中性点电压为零，当三相线路上发生单相接地故障后，中性点电压为上升为相电压，通过电信号采集单元采集到的中性点电压即可判断出三相线路中发生的单相接地故障。

3.1.2 定位单相接地故障的线路位置

在首、尾端三相断路器之间的三相线路上等间隔开断有若干节点，从每个节点上引出三对电连接端，每一对电连接端连接两路三相线路的同名相。具体的，根据三相线路首尾两端之间线路的长度，对三相线路上等间距划分若干个节点，原三相线路和备用三相线路上的同一节点处设置有一个故障采集单元，每个故障采集单元由三对单相断路器组成，分别串联在原三相线路或备用三相线路的三个相线上，每个单相断路器输出端引出一个电连接端，正常运行时，各个单相断路器处于闭合状态，从而通过检测各个单相断路器的运行状态即可定位出单相接地故障发生的具体位置。

3.1.3 定位三相线路中单相接地故障相

通过电信号采集单元判断出电网电路发生接地故障和故障发生的具体位置后，根据两路三相线路的输入端并联线上和输出端并联线上的电信号判断发生单相接地故障的三相线路和故障相。

通过设置两个电信号采集单元采集原三相线路和备用三相线路上每相的电压大小、电流大小和流向，当电网电路正常供电运行时，两个电信号采集单元采集到的电流流向是一致的，当三相线路中某一相发生接地故障时，通过原三相线路中电信号采集单元采集的三相电信号即可判断出发生故障的对应相及该故障相正常时的电压正负，具体的，没有发生接地故障两相各自的相电压上升为线电压，故障相电压变为0，根据非故障两相的电流大小和流向即可推算出故障相正常时的电压正负。

3.1.4 定位故障源的具体位置

当单相接地故障发生时，通过扫描设备连续采集各个节点上故障相和另一三相线路对应相上电连接端之间的电流信号，取出连续的两个最大电流信号，即判断出故障源发生在该两个相邻节点之间的故障相上。

如图2所示，设置三个故障检测装置，用于采集两个三相线路上同一节点处每一相之间的电流信号，故障检测装置包括若干绝缘设置的电接触端，各个电接触端分布在故障检测装置的外周形成一周圈，电接触端内侧空间至少设置有一角位移球栅尺，角位移球栅尺两端分别转动设置有一选择检测单元，选择检测单元限制转动在角位移球栅尺上，每个选择检测单元底部设置有一转动套设在角位移球栅尺上的读数头，选择检测单元的输入、输出端与相邻的两个电接触端选择性接触，从而将同一节点处原三相线路和备用三相线路上同一相之间电流信号采集到一个选择检测单元中。将上述两个最大的电流信号输入至一个故障分析单元中，通过故障分析单元测量出上述两个最大的电流信号之间的差压信号。根据上述差压信号确定故障源的具体位置。其中，故障分析单元中设置有差动电流-电压变换器用于得到差压信号，差动电流-电压变换器的增益值计算公式如下：

其中：RS为检测电阻；RX为检测电阻上并联的匹配电阻。

图2 故障检测装置的俯视图

如图3所示，选择检测单元中包括一依次串联设置的电阻R1、提示灯、电流采集单元和电阻R2，电阻R1和电阻R2为大电阻，使得当发生接地故障时，通过电阻R1和电阻R2形成大电阻接地系统，电流采集单元采集到的电流即为通过电阻R1和电阻R2的接地电流。电阻连接导电柱，也就是通过选择检测单元将两个三相线路某一相之间导通，通过电流采集单元采集两个三相线路某一相之间的电流，一旦有电流通过，提示灯点亮，发出提示，正常运行时，两个三相线路任一相之间不会产生电流，当发生接地故障后，两个三相线路上的故障相之间会产生电流。

图3 选择检测单元内部电路结构示意图

3.2  电路接地故障切除方法

3.2.1  故障三相线路与非故障三相线路的切除

在原三相线路上并联一路备用三相线路，将每个三相线路输入端并联后与三相电源端连接，将每个三相线路的输出端并联设置作为三相线路的输出端与用电设备连接，两路三相供电线路并联设置，互不影响，在原三相线路首、尾端和备用三相线路首、尾两端分别设置有一个三相断路器，将首端三相断路器设置在两路三相线路的输入并联端下游，将尾端三相断路器设置在两路三相线路的输出并联端上游。

将两路以上的输电三相线路采用并联方式设置，本文以两路三相线路并联设置而搭建的供电网络为例，两路输电三相线路在输入端和输出端处并联，其中一路三相线路发生故障后，可以及时切除，不会影响另一路电网系统的正常工作，从而提高了电网系统供电连续性，同时，故障发生后，可以在电网系统正常供电的情况下对发生故障的三相线路进行故障维修，从而避免对电网系统全部断电进行故障检修，提供了供电连续性和可靠性。如图1所示，原三相线路首端和尾端分别设置两个三相断路器K1和K3，备用三相线路首端和尾端分别设置两个三相断路器K2和K4，其中，K1和K2设置在两路三相线路的输入并联端下游，K3和K4设置在两路三相线路的输出并联端上游，当三相线路上发生故障后，即可通过K1和K3对原三相线路进行切除，通过K2和K4对备用三相线路进行切除，保证没有发生故障的三相线路正常供电运行。

3.2.2 故障三相线路中非故障相与故障相的切除

通过电信号采集单元可以判断出电网电路发生接地故障，并发出报警信号，且可以具体判断出发生接地故障的三相线路和相线，如果原三相线路发生接地故障，则控制K1和K3同时开断，如果备用三相线路发生接地故障，则控制K2和K4同时开断。

4  单相接地故障定位方法的工作原理

在原三相线路上并联一路备用三相线路，将三相线路输入端与电源端连接，将三相线路输出端与用电设备连接，在原三相线路首、尾端和备用三相线路首、尾两端分别设置有一个三相断路器，将首端三相断路器设置在两路三相线路的输入并联端下游，将尾端三相断路器设置在两路三相线路的输出并联端上游；在首、尾端三相断路器之间的三相线路上等间隔开断若干节点，从每个节点上引出三对电连接端，每一对电连接端连接两路三相线路的同名相；实时采集三相线路中性点上的电压信号、两路三相线路的输入端并联线上和输出端并联线上的电信号，根据中性点上的电压信号判断三相线路是否发生单相接地故障，随后根据两路三相线路的输入端并联线上和输出端并联线上的电信号判断发生单相接地故障的三相线路和故障相，将故障发生所在三相线路两端的三相断路器断开；当单相接地故障发生时，通过扫描设备连续采集各个节点上故障相和另一三相线路对应相上电连接端之间的电流信号，取出连续的两个最大电流信号，即判断出故障源发生在该两个相邻节点之间的故障相上；将上述两个最大的电流信号输入至一个故障分析单元中，通过故障分析单元测量出上述两个最大的电流信号之间的差压信号；最终根据上述差压信号确定故障源的具体位置。

5  结论

本文所提出的电路故障源定位系统，可以对输电线路的故障性质进行快速判断，并可识别出故障发生的具体线路，以提供工作人员快速发现故障并得到及时解决，避免故障范围进一步扩大，进而保证了输电线路的可靠性；当故障发生后，可以快速定位故障的发生地，从而提高了工作人员的解决故障的效率；保证在输电线路正常供电的情况下进行故障维修，不影响正常供电。

参考文献：

[1] 谯坤. 小电流接地系统单相接地故障的判断和处理[J]. 电力安全技术, 2006, 8(010):55-56.

[2] 田洪岩. 10kV配电线路单相接地故障[J]. 农村电气化, 2007(07):36-37.

[3] 徐汝俊. 10kV配电线路单相接地故障定位方法的研究[D]. 华北电力大学(保定), 2011.

[4] 戚宇林. 中压配电网单相接地故障定位的研究与实现[D]. 华北电力大学（河北）, 2008.

[5] 王旭. 配电网单相接地故障选线及定位方法研究[M]. 昆明理工大学, 2011.

[6] 邹海鹏. 中压及低压配电网单相接地故障精确定位方法的研究[J]. 百科论坛电子杂志, 2019, 000(003):429

作者简介：

朱翔，男，1979年6月出生，研究生学历，工程师，研究方向为配电技术。

严永林，男，1968年1月出生，大专学历，电气工程师，研究方向为配电自动化。

朱胜龙，男，1969年11月出生，本科学历，工程师，研究方向为配电技术。