利用暫態(tài)功率方向?qū)崿F(xiàn)小電流接地故障檢測(cè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。電容分壓式、電阻分壓式等電壓傳感器在分段開(kāi)關(guān)上的推廣應(yīng)用，為利用暫態(tài)功率方向的小電流接地故障分段定位及隔離等處理技術(shù)鋪平了道路。分析了小電流接地故障暫態(tài)零序電壓、電流以及對(duì)應(yīng)的暫態(tài)（無(wú)功）功率在故障線路上的分布規(guī)律；針對(duì)輻射型線路，提出了基于暫態(tài)功率方向與延時(shí)配合的小電流接地故障保護(hù)方案；針對(duì)手拉手型線路，為滿足已有帶通信條件的集中式、分布式與無(wú)通信條件的就地型等不同模式饋線自動(dòng)化的需求，分別給出基于暫態(tài)功率方向的小電流接地故障定位、隔離與恢復(fù)方案。該技術(shù)能夠適應(yīng)不同模式配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)與配電線路保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)小電流接地故障的快速、準(zhǔn)確處理。通過(guò)靜態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

對(duì)于沒(méi)有通信條件、無(wú)備用電源的輻射型線路，可以借鑒短路故障多級(jí)保護(hù)思路，利用出線保護(hù)、線路分段保護(hù)、分支線保護(hù)以及配電變壓器（簡(jiǎn)稱配變）保護(hù)間的配合實(shí)現(xiàn)接地故障的切除。

短路故障多采用過(guò)電流保護(hù)方法，由于配電線路較短、分支線路多，僅利用電流定值無(wú)法實(shí)現(xiàn)出線保護(hù)與分支線保護(hù)、配變保護(hù)之間的配合，各級(jí)保護(hù)間多通過(guò)延時(shí)來(lái)配合，為保證快速性，級(jí)數(shù)一般控制在三級(jí)以內(nèi)。對(duì)于單相小電流接地故障，故障點(diǎn)上下游都存在電容電流；特別是消弧線圈系統(tǒng)中，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障點(diǎn)上下游電流差異較小，無(wú)法用過(guò)電流原理實(shí)現(xiàn)保護(hù)。利用暫態(tài)功率方向可實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)，并利用不同延時(shí)實(shí)現(xiàn)各級(jí)保護(hù)配合。同時(shí)，由于接地故障電流小，對(duì)切除時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格要求，相比于短路故障，保護(hù)級(jí)數(shù)可以增多，兩級(jí)保護(hù)間的級(jí)差也可以增大。

針對(duì)如圖2所示輻射型線路，選擇檢測(cè)點(diǎn)最多的線路為主干線路，暫態(tài)功率方向特征如下：①當(dāng)主干線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)上游主干線路檢測(cè)點(diǎn)Q_k＜0，其余檢測(cè)點(diǎn)均有Q_k＞0；②當(dāng)分支線路發(fā)生故障時(shí)，分支線中故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)及該分支線上游的主干線路檢測(cè)點(diǎn)（統(tǒng)稱為故障點(diǎn)上游檢測(cè)點(diǎn)）Q_k＜0，其余檢測(cè)點(diǎn)均有Q_k＞0。

對(duì)于輻射型線路，只需使故障點(diǎn)緊鄰的上游開(kāi)關(guān)跳閘即可，利用暫態(tài)功率方向和延時(shí)時(shí)間配合控制故障區(qū)段電源側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘。具體思路為：無(wú)論主干線路開(kāi)關(guān)，還是分支線開(kāi)關(guān)，都在滿足Q_k＜0且到達(dá)延時(shí)時(shí)間后跳閘。

具體原理結(jié)合圖2進(jìn)行說(shuō)明。為確保緊鄰故障點(diǎn)的上游開(kāi)關(guān)跳閘，主干線路各開(kāi)關(guān)（QF1-QL41），延時(shí)時(shí)間從負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)依次遞增，分別為t、2t、3t、4t、5t、6t、7t、8t；分支線開(kāi)關(guān)需要與主干線路開(kāi)關(guān)配合，也遵循上述規(guī)律，由t開(kāi)始從負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)依次遞增。由于主干線路開(kāi)關(guān)數(shù)最多，采用該方法可使分支線開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間小于其上游主干線路開(kāi)關(guān)。無(wú)論主干線路故障或分支線故障，都能確保故障點(diǎn)緊鄰的上游開(kāi)關(guān)先跳閘。

以開(kāi)關(guān)QL12、QL21之間發(fā)生單相接地故障為例，分段開(kāi)關(guān)QF1、QL11和QL12均檢測(cè)到本地暫態(tài)功率Q_k＜0，分別啟動(dòng)計(jì)時(shí)。6t后開(kāi)關(guān)QL12跳閘切除故障，QF1、QL11開(kāi)關(guān)返回，上游健全區(qū)段恢復(fù)正常運(yùn)行。

與短路故障不同，接地故障電流非常小。因此在小電流接地故障保護(hù)中，除斷路器外，配置保護(hù)裝置的負(fù)荷開(kāi)關(guān)也可以切除故障。

 圖2  適應(yīng)輻射型線路的保護(hù)方案

根據(jù)是否具有通信條件，可分別采用不同方案實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化。

通過(guò)第一節(jié)分析，可得到一組基于暫態(tài)功率方向的小電流接地故障定位判據(jù)。

健全區(qū)段：至少存在一個(gè)子節(jié)點(diǎn)與其根節(jié)點(diǎn)暫態(tài)功率方向相同。

發(fā)生小電流接地故障時(shí)，終端根據(jù)零序電壓變化啟動(dòng)，根據(jù)式（3）計(jì)算暫態(tài)功率方向，將暫態(tài)功率方向上報(bào)主站，主站根據(jù)選線裝置的選線結(jié)果，按照下述流程進(jìn)行故障定位：

1）從故障線路出口首個(gè)區(qū)段開(kāi)始，依次比較各區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)功率方向。

2）若該區(qū)段所有子節(jié)點(diǎn)均與其根節(jié)點(diǎn)暫態(tài)功率方向相反，判定為故障區(qū)段；否則，判定為健全區(qū)段。

3）若所有區(qū)段均為健全區(qū)段，則判定Q_k＜0的最末端節(jié)點(diǎn)下游區(qū)段為故障區(qū)段。

4）確定故障區(qū)段后，根據(jù)需要向故障區(qū)段兩側(cè)開(kāi)關(guān)所在FTU發(fā)送跳閘命令，隔離故障區(qū)段。

分布控制模式下，發(fā)生小電流接地故障時(shí)，F(xiàn)TU根據(jù)零序電壓變化啟動(dòng)，根據(jù)下述流程進(jìn)行故障定位：

1）作為主控FTU，向其子節(jié)點(diǎn)FTU發(fā)送故障信號(hào)，子節(jié)點(diǎn)FTU將暫態(tài)功率方向上報(bào)該主控FTU，該主控FTU比較區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)功率方向。

2）若所有子節(jié)點(diǎn)均與其根節(jié)點(diǎn)暫態(tài)功率方向相反，判定為故障區(qū)段；否則，判定為健全區(qū)段。

3）對(duì)于最末端檢測(cè)點(diǎn)：若其Q_k＜0，則其下游區(qū)段為故障區(qū)段；否則，判定為健全區(qū)段。

4）主控FTU確定故障區(qū)段后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的流程處理，必要時(shí)控制本地開(kāi)關(guān)跳閘，并向其子開(kāi)關(guān)所在FTU發(fā)送跳閘命令，隔離故障區(qū)段。

圖3  小電流接地故障饋線自動(dòng)化方案

傳統(tǒng)采用重合器和電壓–時(shí)間型分段器配合的技術(shù)，電源開(kāi)關(guān)需要進(jìn)行兩次重合，故障點(diǎn)上游健全區(qū)段需經(jīng)歷兩次停電。本方案結(jié)合暫態(tài)功率方向特征與延時(shí)配合實(shí)現(xiàn)故障處理，不依賴通信，且不影響故障點(diǎn)上游健全區(qū)段的正常供電。

方案如下：①控制故障區(qū)段電源側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，即滿足Q_k＜0并達(dá)到延時(shí)時(shí)間的開(kāi)關(guān)跳閘；②聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到一側(cè)有壓、一側(cè)無(wú)壓進(jìn)行合閘，下游健全線路切換至備用電源；③備用電源側(cè)合到故障點(diǎn)后，控制故障區(qū)段備用電源側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，即滿足Q_k＜0并達(dá)到延時(shí)時(shí)間的開(kāi)關(guān)跳閘。至此，故障區(qū)段隔離，健全區(qū)段恢復(fù)正常運(yùn)行。

延時(shí)時(shí)間的設(shè)定。開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間仍由負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)依次遞增。具體結(jié)合圖3進(jìn)行說(shuō)明，由電源1供電時(shí)（稱為第1套定值），各開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間如圖3實(shí)線框內(nèi)數(shù)據(jù)。由電源2供電時(shí)（稱為第2套定值），各開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間如圖3虛線框內(nèi)數(shù)據(jù)。

若開(kāi)關(guān)QL12、QL21之間發(fā)生單相接地故障，開(kāi)關(guān)QF1、QL11、QL12均檢測(cè)到本地負(fù)荷功率方向由電源1指向電源2（使用第1套定值）、暫態(tài)功率Q_k＜0，分別啟動(dòng)單相接地故障計(jì)時(shí)，6t后開(kāi)關(guān)QL12跳閘，隔離故障。故障隔離成功后，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)QL22檢測(cè)到一側(cè)有壓一側(cè)無(wú)壓，進(jìn)行合閘，恢復(fù)開(kāi)關(guān)QL22至開(kāi)關(guān)QL21/QL23/QL24區(qū)段供電。備用電源側(cè)合至故障點(diǎn)，開(kāi)關(guān)QF2、QL32、QL31、QL22、QL21均檢測(cè)到本地負(fù)荷功率方向由電源2指向電源1（使用第2套定值）、暫態(tài)功率Q_k＜0，分別啟動(dòng)單相接地故障計(jì)時(shí)，4t后開(kāi)關(guān)QL21跳閘，隔離故障。

短路故障時(shí)故障電流很大，要求跳閘迅速，因此短路故障保護(hù)分級(jí)少，延時(shí)級(jí)差小，目前國(guó)內(nèi)分段式保護(hù)的時(shí)間級(jí)差一般為0.3～0.7?s。小電流接地故障時(shí)，故障電流較小，系統(tǒng)允許帶故障運(yùn)行1～2?h，給故障處理留出充裕時(shí)間；另外，短路故障多以故障電流作為保護(hù)判據(jù)，開(kāi)關(guān)切斷后線路恢復(fù)正常運(yùn)行，故障特征即刻消失，而本文所提暫態(tài)功率特征與故障電壓有關(guān)，故障切除以后，電壓恢復(fù)需要一定的時(shí)間，故障特征不會(huì)即刻消失。因此，在小電流接地故障處理時(shí)，分級(jí)可更多，延時(shí)級(jí)差可更大，故障定位更精確。

另一方面，縮短級(jí)差能防止單點(diǎn)故障轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c(diǎn)故障、造成多點(diǎn)跳閘停電，最大限度地減小對(duì)用戶的影響。近年出臺(tái)的DL/T 584—2007《繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》也規(guī)定：“在滿足選擇性的條件下，應(yīng)盡量加快動(dòng)作時(shí)間和縮短時(shí)間級(jí)差”。

針對(duì)本文所提出的暫態(tài)功率方向保護(hù)法，對(duì)相鄰開(kāi)關(guān)之間的時(shí)間級(jí)差進(jìn)行整定，如考慮保護(hù)1與保護(hù)2的時(shí)間配合時(shí)，可按下式整定（略）。

對(duì)于穩(wěn)定性故障，到達(dá)事先整定的延時(shí)時(shí)間后，都可直接跳閘隔離故障區(qū)段。圖4為一個(gè)間歇性弧光接地故障電流波形圖。

對(duì)于間歇性弧光接地故障，目前尚無(wú)延時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確定義，本文定義T₀為累計(jì)燃弧時(shí)間；T₁為熄弧時(shí)間門(mén)檻值，根據(jù)兩次燃弧之間的熄弧時(shí)間T₂的長(zhǎng)短，可分為2種情況：

1）當(dāng)T₂＜T₁時(shí)，2次燃弧時(shí)間均計(jì)入T₀。

2）當(dāng)T₂＞T₁時(shí)，認(rèn)為線路發(fā)生2次單相接地故障，并將T₀清零，從第2次燃弧重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)T₀累計(jì)到事先整定的延時(shí)時(shí)間后跳閘。

                         圖4  小電流接地故障饋線自動(dòng)化方案

利用圖5所示靜態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證本文方法，測(cè)試系統(tǒng)主要由模擬顯示屏、保護(hù)控制屏、模擬設(shè)備安裝屏、主站系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成，接入最大容量為30?kW的分布式電源3個(gè)，能夠模擬2個(gè)110?kV變電站，1個(gè)電纜饋線環(huán)網(wǎng)和1個(gè)架空饋線環(huán)網(wǎng)（為清晰起見(jiàn)，只畫(huà)出本試驗(yàn)相關(guān)部分）。系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可從遠(yuǎn)程控制臺(tái)手動(dòng)設(shè)置，可任意改變線路中某開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)，每個(gè)站點(diǎn)配置一個(gè)支持以太網(wǎng)通信的FTU，采用光纖IP網(wǎng)絡(luò)作為對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)，將所有FTU接入同一局域網(wǎng)。

發(fā)生單相接地故障時(shí)，F(xiàn)TU根據(jù)零序電壓?jiǎn)?dòng)，并根據(jù)式（3）計(jì)算暫態(tài)無(wú)功功率，確定各開(kāi)關(guān)處的暫態(tài)功率方向。保護(hù)級(jí)差整定為2?s，各開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間如下文所述，為驗(yàn)證本文保護(hù)方案的效果，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

圖5  靜態(tài)模擬測(cè)試系統(tǒng)

分段開(kāi)關(guān)（QF13、QL14、QL15、QL16、QL17）延時(shí)時(shí)間分別整定為10、8、6、4、2?s；分支線開(kāi)關(guān)（QL18）延時(shí)時(shí)間整定為2?s。

給模擬系統(tǒng)上電，在F₁點(diǎn)設(shè)置單相接地故障，6?s后開(kāi)關(guān)QL15跳閘，隔離故障。

由電源2供電時(shí)（稱為第1套定值），各開(kāi)關(guān)（QF23、QL24、QL7/QL25、QL26、QL8/QL27、QL28、QL9/QL29、QF31）延時(shí)時(shí)間分別整定為16、14、12、10、8、6、4、2?s；由電源3供電時(shí)（稱為第2套定值），各開(kāi)關(guān)（QF23、QL24/QL7、QL25、QL26/QL8、QL27、QL28/QL9、QL29、QF31）延時(shí)時(shí)間分別整定為2、4、6、8、10、12、14、16?s。

給模擬系統(tǒng)上電，在F₂點(diǎn)設(shè)置單相接地故障，12?s后開(kāi)關(guān)QL28跳閘，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)QL25合閘，又8?s后開(kāi)關(guān)QL27跳閘。至此，故障區(qū)段隔離，健全區(qū)段恢復(fù)供電。

對(duì)于非穩(wěn)定性接地故障，每次暫態(tài)過(guò)程對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率流向也是恒定的。本文方案不受弧光接地、間歇性接地的影響，也不需要配電終端有很高的對(duì)時(shí)精度，檢測(cè)可靠性較高。

利用暫態(tài)功率方向?qū)崿F(xiàn)小電流接地故障檢測(cè)和故障處理，與傳統(tǒng)方法相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。電容分壓/電阻分壓式零序電壓傳感器在分段開(kāi)關(guān)上的推廣，為基于暫態(tài)功率方向的小電流接地故障檢測(cè)及處理技術(shù)提供了發(fā)展契機(jī)。

本文利用健全區(qū)段至少存在一個(gè)子節(jié)點(diǎn)與其根節(jié)點(diǎn)暫態(tài)功率方向相同、故障區(qū)段任一子節(jié)點(diǎn)與其根節(jié)點(diǎn)暫態(tài)功率方向相反的特征，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)集中式、分布式以及就地型的小電流接地故障饋線自動(dòng)化。算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)輻射狀線路和手拉手線路，利用暫態(tài)功率方向與各終端延時(shí)配合，分別實(shí)現(xiàn)了小電流接地故障的保護(hù)。所有上游健全區(qū)段無(wú)需停電便可切除故障，在手拉手網(wǎng)絡(luò)中，下游健全線路也可安全轉(zhuǎn)移至備用電源。

本文所提供技術(shù)能夠適應(yīng)不同模式配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小電流接地故障的快速、準(zhǔn)確處理，不受重合器或變電所出線斷路器的影響，大大提高了供電可靠性。