图1 小电流接地故障零序网络等效电路图
根据电路理论，零序网络中健全线路是一个末端开路的传输线，由母线看进去的输入阻抗随频率交替呈现容性和感性变化。在频率小于其第一次串联谐振频率时，馈线阻抗角接近负90°，呈容性，因此可以用一电容来等效。
另外要考虑的因素是消弧线圈的影响。消弧线圈电流与电容电流相抵消，影响故障线路零序电流的特征。电网一般采用过补偿方式，且调谐于工频附近。在频率小于调谐频率时，感性电流大于容性电流，导致故障线路零序电流与非故障线路方向一致。详细的分析表明［2］，实际电网中，一般在暂态分量频率大于三次谐波（150Hz）时，故障线路零序电流大于非故障线路且呈反极性，可以忽略消弧线圈的影响。由于各健全线路参数和长度不同，根据分析[2]，只在从直流分量（中性点不接地系统）或3次谐波（经消弧线圈系统）到所有线路首次串联谐振频率间这一特定的频带范围———特征频段（Selected Fre-quency Band，SFB）内图1所示的电路模型才成立，即只在特征频段内，所有线路检测阻抗才均呈容性，可等效为集中参数电容。相应的，只在特征频段内，故障线路的暂态零序电流幅值最大、极性和流向与健全线路相反，可用作选线依据。而在特征频段外，由于会出现健全线路之间的电流交换，暂态零序电流不再具有统一分布规律，不支持选线依据，必须滤除。
2 选线方法
根据特征频段内暂态零序电流的分布规律，可以提出基于幅值比较、极性比较、无功功率方向3种选线原理。
2.1 基于暂态零序电流特征分量的幅值比较法
选择所有出线中幅值最大的线路为故障线路。本方法简单易于实现，但在母线或未监测线路发生接地故障时将发生误判，且不能适用两出线系统。
2.2 基于暂态零序电流特征分量的极性比较法
选择所有出线中与其他线路极性均相反的线路为故障线路，如果所有出线极性相同则为母线接地。在母线或未监测线路发生接地故障时能正确选择故障线路。但也不能适用两出线系统。
2.3 基于暂态零序信号特征分量的无功功率方向法
特征频段内，在母线处检测到的功率主要是由健全线路等效电容吸收的无功功率。因此，可以选择输出暂态无功功率和瞬时无功功率的线路为故障线路。对于暂态信号，定义无功功率为电压信号Hilbert变换与电流信号共同作用产生的平均功率，瞬时无功功率为电压Hilbert变换与电流无功分量瞬时值的乘积，具体计算方法参阅文献［2］。图2为基于暂态无功功率流向的选线算法示意图。
图2 暂态无功功率流向选线算法示意图
本方法物理意义明确。由于只需要被检测线路自身的零序电压电流信号即可判断是否故障线路，而不需要其他线路信息，因此本方法有自具性。在母线或未监测线路发生接地故障时能正确选择故障线路。同时也能适用两出线系统。
3 XJ-100小电流接地故障选线及监测系统
根据小电流接地故障的暂态特征和选线原理，并在解决了若干关键技术的基础上，研制了XJ-100小电流接地故障选线及监测系统（简称XJ-100）。
3.1 XJ-100系统结构
XJ-100采用一后台分析主机（后台机）加多台前置数据采集装置（前置机），配合以串行口、网卡、Modem、继电器接点等多种通信设备的总体结构[3]。结合变电站综合自动化系统或远动装置、通信系统及远方主站构成整个监测系统，XJ-100小电流接地故障选线及监测系统见图3。
图3 XJ-100小电流接地故障选线及监测系统
前置机接入母线三相电压、母线零序电压和各出线零序电流信号并对其进行监视。发生接地故障时，采集、记录并向后台机上传各路故障数据。此外，可通过面板进行人机交流完成门槛值、时间等参数整定，并可接受GPS对时。
其中，每台前置机可监测两段母线共32路出线。系统根据电站母线、出线数量可采用1台或多台前置机。远程通信根据实际条件可选用多种方式。 后台机运行XJ-100小电流接地故障分析系统软件，主要完成故障数据的读取、存储、远传、故障选线、选相、结果显示、永久接地故障选线结果上报、故障查询、统计分析、线路绝缘报警等功能。同时提供密码管理和定值输入等功能。前置机与后台机之间通过串行口连接。
故障数据远传支持的通信方式可以是Modem拨号、串行口、局域网或互联网方式，选线结果除上述方式外还可通过RTU远动通道以开关量变位的方式送至调度或控制中心。
为增加数据上报时与其他自动化系统的互联能力，本系统远程通信规约采用标准规约。
通信规约库支持DL.T667（103）规约和DNP3.0规约。
通过通信系统，XJ-100可作为电站综自系统的一部分，将故障选线的实时结果、装置运行状态和故障的实时录波数据上传，可实现故障远程诊断。
3.2 XJ-100主要功能
（1）小电流接地故障选线。这是XJ-100最主要、最基本的功能。
（2）小电流接地故障选相。根据故障母线三相电压的变化确定故障相。
（3）利用瞬时性故障对线路绝缘状况提出预警。XJ-100可记录延时时间在1ms内的瞬时接地故障，对瞬时故障进行分析统计，根据瞬时故障出现频率和间隔时间提出线路绝缘预警。
（4）历史故障数据统计。对于永久、瞬时性故障可分别按照出线、母线、时间等标准进行统计，使运行人员对系统故障整体掌握。
此外，XJ-100还具有以下功能:可永久保存故障波形、相应配置、选线结果等故障数据;通过多种方式上报永久故障选线结果和系统异常信息给调度或控制中心;可通过多种方式被动式上传历史故障数据;可实现远程故障诊断等。
3.3 系统主要技术特点
（1）利用故障产生的暂态信息，暂态信号幅值大（过零故障仍有明显的暂态过程），检测可靠性及灵敏度高。
（2）剔除了暂态信号中不支持选线要求的分量，原理更先进。
（3）利用多种方法综合选线，互为补充，结果更可靠。
（4）不受消弧线圈影响，可适用于不接地、消弧线圈接地、高阻接地系统;不受不稳定电弧影响，且弧光接地或间歇性接地时检测更可靠;不受系统规模和线路结构变化影响，可满足配网自动化需求。
（5）可适用于电缆线路和架空线路。
（6）采用专用高速数据采集单元，对暂态信号准确、可靠采样。
（7）采用普通电压、电流互感器，不需要安装专用耦合设备和其他高压设备。
（8）装置配置灵活，对于TA、TV幅值和极性错误可通过软件补偿。
（9）可永久保留故障数据、故障初始和延时时间及处理结果等信息;数据可远传，可提供故障远程诊断;可当地显示故障波形和处理结果。
（10）选线结果可以多种方式上报调度或控制中心，可对瞬时性故障分析统计，利用其对线路绝缘状况监测提供有益信息并提前给出报警。
4 XJ-100的关键技术
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