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
4.1 综合选线算法
由于3种选线方法适应性、可靠性等检测性能各异，同时，监测系统实际运行中面临的情况比较复杂（如传感器极性、变比不统一），如果单独运用某一种方法结果均不可靠。为增强系统的鲁棒性，需要在3种选线方法的基础上制定综合选线算法。其基本原则是，以幅值比较为基础，根据每次故障时各线路暂态零序电压电流的幅值大小，分别选用极性比较或无功功率方向选线算法。
4.2 特征频段的实用化确定方法
对于消弧线圈接地电网来说，特征频段的下限可选为150Hz，而对于中性点不接地电网，下限就是直流分量。
由于可以证明故障暂态过程的主谐振频率包含在特征频段内，故障后可先计算零序暂态电流的主谐振频率。特征频段的上限可确定为在主谐振频率基础上加一预设阈值。实际应用中也可以根据网络结构直接将其设为固定值，一般在2000～3000Hz范围内。
4.3 暂态电压电流信号特征分量获取
根据特征频段临界频率构造IIR或FIR数字滤波器，并对暂态零序电压电流采样值进行滤波以提取其特征分量。
IIR滤波器幅频特性较好，但会带来非线性相移，使暂态信号产生失真，影响检测效果。
因此，在用IIR滤波器对暂态信号进行正向滤波后，须再从末尾到首端进行反向滤波，使最终滤波后的信号在各个频率下的相移为零。
FIR滤波器幅频特性较差，为达到同样效果，需要的滤波器窗口较长。但其带来的相移是线性的，暂态信号不失真，不需要反向滤波。
4.4 相电压过零故障
传统观点认为，利用暂态信号选线的一个主要困难是过零故障时不产生暂态信号。
根据分析，非外力作用下的绝缘损坏故障，故障点击穿时两端需要一定电势差，因此绝大多数将发生在相电压接近峰值时刻。
同时，根据理论分析和仿真证明，即使在相电压过零时刻发生接地故障，其暂态零序电流的峰值也接近未经补偿的工频稳态零序电流。因此，传统对过零故障的担心是没有必要的。
4.5 高速数据采集与存储技术
由于故障暂态信号频率较高、同一前置机需要监测的信号最多达40路，对信号的高速采集、实时存贮和CPU的处理能力提出较高的要求。
XJ-100前置机设计了专用的高速数据采集单元，与CPU管理单元相互独立。采集单元负责40路信号监视、采集及循环存储，故障后由CPU单元读出故障数据并离线处理。
4.6 故障类型的识别
故障类型是指该次故障是永久接地故障还是瞬时性接地故障。永久故障和瞬时性故障均可以得到选线结果，均可将数据存贮、显示、统计等。但只有永久接地故障才将选线结果上报。
由于不同的用户对如何区分永久接地故障和瞬时接地故障认识不同，特别是在间歇性接地故障时。所以，该系统将故障持续时间当作区分的标准，持续时间阈值可现场整定。
4.7 特征频段内含有暂态零序电流绝大部分能量
在外界干扰一定的条件下，一种检测方法的可靠性与其利用的信息量（信号强度）直接相关。利用的信息量越大，检测越可靠。
尽管前人已经证明了小电流接地故障产生的暂态电流幅值远远大于稳态电流，但根据分析，对于这种选线方法，暂态零序电流中只有特征频段内的分量可用作选线依据，其他分量对选线起干扰作用必须滤除。因此，特征频段内暂态电流的含量大小就与对应检测方法的可靠性息息相关。根据文献［2］的分析，证明了特征频段内保留了暂态零序电流中的大部分能量，保证了选线结果的可靠性和灵敏度。
4.8 瞬时性接地故障与永久接地故障定性关系
接地故障一般是由于电网绝缘薄弱点在电网瞬间或长期过电压作用下击穿造成的。由于故障电流很小，故障点可能在接地电流过零时自动熄弧，形成瞬时性接地故障。
瞬时性故障可发生在架空线路，也可发生在电缆线路。架空线路中，由于雷击、树枝等外物短时碰撞、绝缘子污损击穿等原因，发生可能性较大。而对于电缆线路，长期以来习惯认为其绝缘击穿是不可恢复的。而根据实际观察，电缆在永久接地故障前， 也可能会出现多次瞬时性故障现象。
瞬时性故障的持续时间一般从几个毫秒到数秒不等。对于持续时间较短的瞬时性故障，运行部门和传统的故障检测装置均未予以重视。但发生过瞬时性接地故障的绝缘薄弱点，在过电压等条件具备时还会再次击穿，直至造成永久接地故障。如果能够捕捉、记录到瞬时性接地故障并给出报警信息，及早采取处理措施，就可防止由此造成的突然停电等恶性事故发生。进一步来说，可为线路和设备由定期检修转变到状态检修提供有益信息，减少定期高压预防性试验的次数，减少停电时间和预防试验对电缆的损坏等。
对于电缆线路，相对于测量局部放电量、绝缘层损耗角、直流电阻等其他在线检测方法，瞬时接地后的绝缘状态更接近于永久故障。利用瞬时性故障预报线路绝缘状态抗噪声干扰能力更强，能更准确地用来估计线路的绝缘状态。
5 现场运行
从2002年初起，共有多套XJ-100小电流接地故障选线及监测系统在现场投入运行。被监测系统均为消弧线圈接地（其中多台为自动调协消弧线圈），出线一般为电缆架空线混合线路，各段母线接地电流在40～60A范围内。
经过2年多运行，共捕获数十次永久接地故障和数百次瞬时性接地故障，未发现选线算法原理性错误。同时，监测系统经过逐步完善业已成熟，达到实用要求。
图4为现场记录的一个典型故障波形，包含了母线三相对地电压、零序电压及各出线零序电流信号。根据暂态信号特征及选线原理能可靠确定919久瑞I线接地。从图4中还可以看出，该故障为间歇性接地型，稳态零序电流远小于暂态零序电流，健全线路（935大树I线）工频零序电流大于故障线路且极性相同，因此传统基于工频零序电流无功分量的检测方法将不能正确选择故障线路。
根据对现场记录的故障数据分析、统计还发现:故障零序电流中谐波分量和有功分量含量很小，虽然可以工作但对原始信号的利用率较低，可靠性不高;绝大部分故障为瞬时性接地故障;间歇性接地故障、弧光接地故障也较为普遍;有多次永久故障前出现了次数不等的瞬时性接地故障，验证了利用瞬时性接地故障信息对线路绝缘预警思路的正确性。
6 结论
小电流接地故障检测的主要困难在于故障电流微弱、电弧不稳定。故障电流中暂态分量远大于稳态分量，即使在相电压过零时故障也有明显的暂态过程，因此基于暂态信号的检测方法可靠性、灵敏度均较高。但对文中所提的选线方法，暂态信号中只有特征频段（SFB）内的分量可以用来选择故障线路，其他分量不支持判据必须予以滤除。
基于暂态信号特征分量的零序电流幅值、极性比较法和无功功率方向法可以实现小电流接地故障 选线。保留了可靠性、灵敏度高的特点，且不受消弧线圈、不稳定电弧影响。对间歇性接地和弧光接地过程检测效果更好。
XJ-100小电流接地故障选线及监测系统结构合理、功能完善，能适用于配网自动化系统和电站综合自动化系统，并能实现远程故障诊断。在现场进行了长时间运行，效果良好。
7 参考文献
［1］ 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理.北京:中国电力出版社，2001.
［2］ 薛永端.基于暂态特征信息的配电网单相接地故障检测研究［D］.西安:西安交通大学，2003.
［3］ 陈羽.利用暂态信息的小电流接地电网接地故障选线系统的研制［M］.北京:清华大学，2003.
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