GB∕T 41135.2-2021 故障路径指示用电流和电压传感器或探测器 第2部分：系统应用

ICS29.180CCSK41

中华人民共和国国家标准

GB/T41135.2—2021

故障路径指示用电流和电压传感器或

探测器第2部分：系统应用

Currentandvoltagesensorsordetectors,tobeusedforfaultpassage

indicationpurposes—Part2:Systemaspects

(IEC62689-2:2016,MOD)

2021-12-31发布

2022-07-01实施

隱蠢惠霞O霊籌餐2H

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GB/T41135.2—2021

目次

tuW n

弓IW w

1翻 1

2规范性引用文件 1

3术语和定义 1

4根据电网运行方式和故障类型进行故障探测的FPI/DSU选型要求 2

5基于电网和故障类型的故障探测原理 6

附录A（资料性）环网中FPI或DSU的故障探测示例 30

附录B（资料性）FPI/DSU与中压馈线继电保护之间的故障探测配合技术的示例 35

鈴城 39

图1FPI的一般结构 V

图2中性点不接地系统中接地故障的三相图 6

图3直接接地系统中接地故障的三相图 7

图4中性点不接地系统——故障（故障位于FPI/DSU的下游）上游的FPI/DSU接地故障电流方向

翻 9

图5中性点不接地系统——故障（故障位于FPI/DSU的上游）下游的FPI/DSU接地故障电流方向

翻 9

图6关于图4和图5中性点不接地系统的矢量图 10

图7非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系（故障位于FPI/DSUA4-2

白勺W） 11

图8非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系（故障位于FPI/DSUA4-1

的下游和FPI/DSUA4-2的上游） 12

图9非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系（故障在中压母线上并位于

任何FPI/DSU的上游） 13

图10纯谐振接地系统——由故障点上游的FPI/DSU进行接地故障电流方向的探测（故障位于

FPI/DSU的下游） 15

图11纯谐振接地系统——由故障点下游的FPI/DSU进行接地故障电流方向的探测（故障位于

FPI/DSU的上游） 15

图12关于图10和图11纯谐振接地系统的矢量图 16

图13电感永久并联电阻的谐振接地——由故障上游的FPI/DSU进行相对地故障电流方向的探测

（故障位于FPI/DSU的下游） 18

图14电感短时并联电阻的谐振接地系统——由故障下游的FPI/DSU进行相对地故障电流方向的

探测（故障位于FPI/DSU的上游） 18

图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图 19

图16电阻接地系统——由故障上游的FPI/DSU对相对地故障电流方向的探测（故障位于

FPI/DSU的下游） 22

I

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图17电阻接地系统——由故障下游的FPI/DSU对相对地故障电流方向的探测（故障位于

FPI/DSU的上游） 23

图18 关于图16和图17电阻接地系统的矢量图 23

图19无分布式电源存在的辐射状电网中的过电流——利用非定向FPI/DSU进行正确的电流

探测（相对于过电流探测有非常好的灵敏度） 26

图20分布式电源可忽略的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU进行正确的故障探测

（相对于过电流探测有非常好的灵敏度） 27

图21存在大量分布式电源的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU探测故障不可靠

（探测结果不正确或极低的灵敏度） 28

图A.1 二端口 30

图A.2 二端口级联 31

图A.3 闭环二端口 33

图A.4 发生故障时的等效模型 33

图B.l FPI/DSU与继电保护之间正确配合故障选择 36

图B.2 FPI/DSU与继电保护之间错误配合故障选择（案例1） 37

图B.3 FPI/DSU与继电保护之间错误配合故障选择（案例2） 38

表1根据电网运行模式和故障类型对故障探测FPI/DSU的要求汇总 4

本文件按照GB/T1.1—2020（（标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

本文件为GB/T41135（（故障路径指示用电流和电压传感器或探测器》的第2部分。GB/T41135已经发布了以下部分：

——第1部分：通用原理和要求；

第2部分：系统应用。

本文件使用重新起草法修改采用IEC62689-2：2016«故障路径指示用电流和电压传感器或探测器第2部分:系统应用》。

本文件与IEC62689-2：2016的技术性差异及其原因如下：

一为适应我国国情，第2章规范性引用文件中用修改采用国际标准的GB/T41135.1代替了IEC62689-1。

本文件还做了下列编辑性修改：

一对范围进行了改写；

为适应我国国情，删除了3.1.1中的注2内容；

—更正了IEC标准中的错误，在（本文件为5.2.5）的第1段中，将“见5.2.4”修改为“见图3”；在（本文件为）的第1段中，删除了“图21”；在图A.4和式（A.13）中，用“La”替代了IEC标准中的 在B.1的第9段中，用“A2CFPI/DSU2）”和“A3（FPI/

DSU3）”分别替代了IEC标准中的“A3（FPI/DSU3）”和“A4CFPI/DSU4），在B.1的最后一段中，用“FPI/DSU（A2或A3）”替代了IEC标准中的“FPI/DSU（A1或A2）”；

一将IEC标准的和分别调整为5.2.4和5.2.5,其他条款号依次顺延；一对部分电气图形的符号及说明进行了完善；

——对附录A的公式进行了统一编号；

对参考文献进行了调整。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电器工业协会提出。

本文件由全国互感器标准化技术委员会（SAC/TC222）归口。

本文件起草单位：国网四川省电力公司电力科学研究院、沈阳变压器研究院股份有限公司、四川巨棠科技有限公司、哈尔滨工业大学、云南电网有限责任公司电力科学研究院、大连第一互感器有限责任公司、云南电力试验研究院（集团）有限公司、江苏靖江互感器股份有限公司、浙江天际互感器有限公司、大连北方互感器集团有限公司、重庆山城电器厂有限公司、国网陕西省电力公司电力科学研究院、国网吉林省电力有限公司电力科学研究院。

本文件主要起草人：李福超、严平、章忠国、张显忠、唐勇、李金嵩、艾兵、何大可、于文斌、刘红文、沙玉洲、田庆生、熊江咏、唐福新、赵日东、徐文、陈一惊、张志华、赵世祥。

GB/T41135.2—2021

0.1概述

GB/T41135是一套有关故障路径指示用电流和电压传感器或探测器的系列标准。故障路径指示可通过适当的设备或功能实现，根据其性能的不同可以分为两类：一类是故障路径指示器（FPI）.另一类是配电单元（DSU）。

世界上不同地区对故障路径指示器有不同的命名，同时也取决于其对不同种类故障的探测能力。例如：

故障探测器；

智能传感器；

故障电路指亦器（FCI）；

短路指亦器（SCI）；

一接地故障指示器（EFI）；

试验点故障电路指亦器；

一综合型故障指示器。

仅用就地信息/信号和/或就地通信来实现故障路径指示的简易的版本被称为FPI，更高级的版本被称为DSU。后者是基于IEC60870-5和IEC61850通信协议，专为智能电网设计的。相较于互感器而言，数字化通信技术将随未来发展需求的变化而持续变化。

由于这类设备还未在行业中广泛应用，因此关于电子设备与互感器深度集成的深人经验尚待在更广的基础上积累。

DSU除具有FPI的基本功能之外，还可以选择性地集成其他辅助功能，例如：

一中压网络自动化的电压有/无探测功能，无论是否存在分布式能源［不用于故障确认（根据所采用的故障探测方法，故障确认可以作为基本的FPI功能），也不用于IEC61243-5所涵盖的安全相关方面］;

一在各种实际应用（例如：中压电网自动化、监测电力潮流等）中，测量电压、电流、有功功率、无功功率等；

一借助于就地分布式电源，以合适的接口对智能电网进行管理（例如：电压控制和不期望发生的孤岛运行）；

通过合适的接口就地输出采集到的信息；

一采集信息的远端传输；

一其他。

一般的FPI原理图如图1所示。DSU通常具有更为复杂的结构。

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标引序号说明：

A——电流传感器（必要时还存在电压传感器），监测单相或三相；

B——传感器与电子单元之间的信号传输；

C 就地指不器（指不灯、LED、标记等）；

D——模拟、数字和/或通信的输人/输出，用于遥信/遥控（硬有线和/或无线）；

E——与现场装置连接；

F——信号调理和指示单元；

G 电源。

电流传感器可以在不与各相有任何电路连接的情况下探测故障电流路径（例如：穿心电流传感器、磁场传感器）。FPI并非必须具备上述所有功能，这取决于它自身的复杂性和技术。但是至少要有C或D中的一项功能。

图1FPI的一般结构

0.2本文件与IEC61850系列的关系

IEC61850是一套用于支撑电力自动化的通信和系统的系列国际标准。

GB/T41135系列标准同样介绍了一套专用命名空间，用于支撑FPI/DSU与电力自动化的集成。此外，该系列标准还定义了适当的数据模型和不同的通信接口配置文件，以支撑FPI/DSU的不同应用场景。

对于最复杂版本的FPI（例如：通常应用于智能电网的DSU），一些应用场景依赖于延伸变电站的概念，这种延伸变电站的概念用于实现分布于中压馈线上的智能电子设备（IED）与位于主变电站内的智能电子设备（IED）之间，采用IEC61850进行通信。这种配置模式不会受限于FPI/DSU设备，但会包含主变电站延伸到其中压出线上的子变电站所需的特性。

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故障路径指示用电流和电压传感器或

探测器第2部分：系统应用

1范围

本文件根据应用最广泛的配电系统架构和故障拓扑，描述了故障期间的电气现象和电力系统反应，以此定义了故障路径指示器（FPI）和配电单元（DSU）（包括FPI.DSU的电流和/或电压传感器）的功能性要求。FPI和DSU是单一设备或多种设备/功能的合体，能够用于探测故障并且指示故障所在位置。本文件用于指导用户根据所采用的方案和运行规则（该规则依照惯例，和/或取决于国家法令对供电连续性和电源质量的约束），在同吋考虑所采用装置的复杂程度和相应成本的情况下，选择合适的FPI/DSU及恰当的运行方案。

注1：故障定位是指相对于电网中FPI/DSU安装点的位置（FPI/DSU位置的上游或下游）或故障电流通过FPI/DSU的方向。考虑到装有FPI/DSU的电力系统特点和工作条件，故障位置可以：一直接來源于FPI/DSU.或；

——来源于使用更多FH或DSU信息的集中系统。

注2:本文件主要关注故障期间的系统反应，该反应是GB/T41135.1所述的FP1/DSU故障探测能力等级划分的“核心依据”，在GB/T41135.1中所有的要求都有详细规定。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T41135.1故障路径指示用电流和电压传感器或探测器第1部分：通用原理和要求（GB/T41135.1—2021.IEC62689-1：2016.MOD）3术语和定义

GB/T41135.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1与中性点接地方式有关的术语和定义

3.1.1

消弧线圈arc-suppressioncoil

接到电力系统中性点与地之间，用以补偿单相接地故障（谐振-接地系统）时的相对地电容电流的电抗器。

注：为了让接地故障探测和/或故障切除更简单，通常使用呈阻性-抗性的阻抗取代高品质因数Q的纯电抗器。[来源:GB/T2900.95—2015,3.4.10]

3.2缩略语和符号

GB/T41135.1界定的缩略语和符号适用于本文件。

GB/T41135.#—2021

4根据电网运行方式和故障类型进行故障探测的FPI/DSU选型要求

4.1概述

本章主要关注应用最广泛的运行方式——辐射状配电网，该类电网上的故障（或故障电流路径）探测十分依赖于中压侧中性点的接地方式。

而对于环形配电网，则需要有不同的考虑。

基于电压电流的矢量关系，用于接地故障和过电流故障的定向型故障探测，会受到馈线阻抗的影响，应根据实际案例评估，可能要求FPI具备互相之间通信的能力。

一种简易的解决方案为：打开环形配电网使其变回辐射状配电网，和/或采用具备互相之间通信能力的FPI。

一个可行方案的示例见附录A。

4.2用于中性点不接地系统的FPI/DSU

4.2.1接地故障探测

电网结构、拓扑和故障电阻同时对接地故障电流产生影响。

通常，来自中压电网馈线健全区段的容性接地故障电流分量在总接地故障电流中占有相当比例。注：中压地下电缆引起的接地故障电流是同等长度架空线路的50倍左右。

因此，如果故障发生在未配备带故障电流方向探测功能的FPI/DSU上游时，则FPI/DSU的电流定值设定应大于来自FPI/DSU下游正常馈线上的最大故障电流分量，以避免错误指示故障位置。FPI/DSU的非定向探测可以通过故障电阻以较低的灵敏度获取故障电流。

FPI/DSU的定向接地故障探测，是一种通过故障电阻以较高的灵敏度来辨别故障电流的方法。如果FPI/DSU下游电网引起的容性接地故障电流分量可忽略不计，则可使用非定向接地故障探测，且不会明显削弱FPI/DSU的性能。

可能存在的分布式电源不会对故障电流的方向造成影响。

4.2.2多相故障探测

本文件中术语“多相”包含下列故障：

三相故障;

——相间故障；

一跨线故障。

上述三者主要涉及过电流。

对于多相故障，如果电网中没有分布式电源（或数量不显著），则故障电流来自高压/中压变压器。通常，在分布式电源对多相故障电流造成的影响不可忽略，或在采用环形配电网的情况下，需要采用定向型FPI/DSU。

4.3用于谐振接地系统（中性点经消弧线圈接地系统）中的FPI/DSU

4.3.1接地故障探测

概述

影响故障电流的因素有：电网结构、消弧线圈设计（纯感性、带有阻性的感性或带有短时阻性的感性等）、中压中性点接地方式、谐振线圈的调谐、零序损耗和故障电阻。

2

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两种主流解决方案是可行的：一是采用“纯”消弧线圈（一个仅有内部损耗且电阻分量可忽略的固定或可调的电感器），二是将一个电阻器与电感并联，以增加由线圈产生的阻性电流分量。

“纯”消弧线圈

对于“纯”消弧线圈，将线圈调谐到电网容性电流和电网元件固有损耗值接近100%补偿时，中压电网中引起的容性接地故障电流被消弧线圈的感性分量所补偿，故其接地故障电流极小，且主要呈阻性。此吋，当接地故障发生在同一个高压/中压变电站母线电网中的任一位置时，接地故障电流的大小接近于0。

此外，通过所有FPI/DSU的接地故障电流，无论他们在电网中的位置如何（故障位置的上游或下游），都主要是无功分量（任何FPI/DSU中的剩余电流和剩余电压的矢量关系都是相同的，剩余电流超前剩余电压90°），有功分量可忽略不计（该分量是唯一可以修改故障馈线上关于正常馈线的剩余电流和剩余电压间的矢量关系的分量）。

因此，为探测相对地故障，中性点经“纯”消弧线圈接地系统中的FPI/DSU应为定向型。注：不采用阻性-感性消弧线圈（见）.用非定向型FP1/DSU配合临时改变电网架构來探测一个接地故障是可能的。例如：用一个与线圈并联的电容和以不同形式投退该电容造成消弧线圈的失谐。

阻性-感性消弧线圈

如果一个高阻值电阻与消弧线圈并联，将中性点暂时或永久性接地，则此时：

一如果有功分量可忽略不计，那么安装在正常馈线或故障下游FPI/DSU上通过的接地故障电流主要是无功电流分量（矢量关系约为剩余电流超前剩余电压90°）;

一如果有功分量不可忽略不计，那么安装在故障馈线故障上游FPI/DSU上通过的接地故障电流为阻性-无功电流（矢量关系通常为剩余电流超前剩余电压90°〜180°）。

当接地故障发生在同一变电站母线电网中任一位置时，接地故障电流的值接近接地电阻的有功电流。

因此，中性点经阻性-感性消弧线圈接地系统中的FPI/DSU应有定向或非定向接地故障探测能力，以实现相对地故障探测。

即使电网中存在分布式电源，也不会对故障电流的方向造成影响。

注：可能会需要FPI/DSU探测间歇性接地故障。

4.3.2多相故障探测

见4.2.2。

4.4中性点直接接地系统（中性点经小电阻接地系统）中的FPI/DSU

过电流探测既能用来探测接地故障，又能用来探测多相故障。

如果电网中没有分布式电源（或分布式电源数量不显著），则故障电流来自高压/中压变压器。如果电网存在显著数量的分布式电源，则需要采用定向型FPI/DSU。

此外，根据分布式电源中性点和分布式电源变压器组的情况，要求采用接地定向型FPI/DSU探测来自分布式电源的相对地电流。

4.5中性点阻抗接地系统（中性点经电阻接地系统）中的FPI/DSU

4.5.1接地故障探测

在高压/中压变电站中，如果中压系统中性点经电阻接地，则可假设为故障电流来自高压/中压变压器。

3

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选择定向型或非定向型FPI/DSU,取决于中性点接地电阻的阻值（阻值越低，则中性点电流越大，因此在一些情况中，不需要定向探测）、电网结构、电网容性电流和探测故障阻抗值所需的灵敏度。

发生接地故障时，在中性点接地电阻流过少量或中等的中性点电流的情况下，推荐使用定向型FPI/DSU探测接地故障。这是为了在高阻接地故障时获得适当的灵敏度。由此得到的接地故障电流不会比纯电容式接地故障电流分量高许多。

发生接地故障时，在中性点接地电阻流过中等或大量的中性点电流的情况下，可使用非定向型FPI/DSU。采用此方法，接地故障电流大于电网容性电流。

4.5.2多相故障

见4.2.2。

4.6分布式电源数量显著系统中的FPI/DSU

当FPI/DSU安装位置上游（或在同一母线的另一条中压馈线上）发生故障，其下游的分布式电源提供的故障电流分量与FPI/DSU的过电流定值相当时，可以认为此时电网中的分布式电源是显著存在的。

此时，如果分布式电源对短路电流影响明显（见5.2.6和5.2.7）,贝I]FPI/DSU应有针对相故障的定向探测功能。有关相对地故障探测，见4.2.1,4.3.1,4.4和4.5.1。如果FPI/DSU有多相过电流定向探测功能，则也应有相对地电流探测功能。

注：该版本的FPI/DSU也可以：

——进行多项智能电网配置管理（如果智能电网是分布式电源渗透率高的配电网）；

一即使在分布式电源存在时提供附加功能（例如：包含自愈和自动电源恢复功能的先进电网自动化）；——支持便捷的电网重构，支持用于电压调节的分布式电源有功功率和无功功率控制。

FPI/DSU也适用于除辐射状配电网之外的其他配电网结构（例如：中压馈线的闭环运行模式）。

4.7根据电网运行模式和故障类型对故障探测FPI/DSU的要求汇总

4.1〜4.6所描述的FPI/DSU要求汇总见表lo

表1只涉及是否在FPI上采用定向故障探测原理，例如：流过FPI自身故障电流的探测原理。故障电流方向可由多种不同的方法获取：

——通过测量剩余电压/相电压与剩余电流/相电流之间的夹角；

——通过对故障发生后首个毫秒的电流（和/或电压）进行暂态分析等。

完整的FPI/DSU分类见GB/T41135.1。

第4章内容的技术合理性在第5章中进行了证明。

表1根据电网运行模式和故障类型对故障探测FPI/DSU的要求汇总

故障类型

中压电网中性点运行模式

接地故障

中性点不接地系统中的FP1/DSU

谐振接地系统一中

性点经消弧线圈接地系统的FPI/DSU

谐振接地系统一中

性点经消弧线圈接地系统的FPI/DSU

直接接地系统

（低阻抗接地中

性点）的FPI/DSU

阻抗接地系统（阻性阻抗接地中性

点）的FPI/DSU

纯感性消弧线圈

纯阻性-感性消弧

线圈

表1根据电网运行模式和故障类型对故障探测FPI/DSU的要求汇总（续）

故障类型

中压电网中性点运行模式

接地故障

接地故障电流等于中压电网容性电流

与电网容性电流相比，接地故障电流

可忽略不计（如果可完美调谐）

接地故障电流等于电阻有功电流（通常远远小于电网容性电流，如果可完美调谐）

接地故障电流振幅与多相故障电

流相似

接地故障电流大于电网容性电流

FPI/DSU中的故

障电流：

值取决于电网中

FPI/DSU下游的

容性电流。

剩余电流相对于剩余电压的矢量

相位偏移：

在中压非故障馈线或故障下游的

FPI/DSU上超前

90°，在中压故

障馈线或故障上

游为滞后90°

FPI/DSU中的故障

电流：

值取决于电网中

FPI/DSU下游的容

性电流。

剩余电流相对于剩余电压的矢量相位

偏移：

在中压非故障馈线或故障下游与中压故障馈线或故障上

游的FPI/DSU上均为超前90°

FPI/DSU中的故障

电流：

值取决于电网中

FPI/DSU下游的容

性电流。

剩余电流相对于剩余电压的矢量相位

偏移：

在中压非故障馈线

或故障下游的

FPI/DSU上超前90°，在中压故障

馈线或故障上游为

超前90°〜180°

FPI/DSU中的故障电流：

值和剩余电流相对于剩余电压的矢量相位偏移均取决于电网中

R/X的比值

FPI/DSU中的故障

电流：

值取决于电网中

FPI/DSU下游的容

性电流和接地电阻

的阻性电流。

剩余电流相对于剩余电压的矢量相位偏移：在中压非故障馈线或故障下游的FPI/

DSU上超前90°，在中压故障馈线或故障上游为滞后90°~180°

FPI/DSU：倾向于定向（对故障电阻有更高的灵敏度）

也可能是非定向（灵敏度取决于

FPI位置下游的中压馈线部分引起的接地故障容性电流）

FPI/DSU：

定向

（鉴于电网运行结构的短暂变换，非定向也是可能的）

FPI/DSU：倾向于定向（对故障电阻有更高的灵

敏度）

也可能是非定向

（灵敏度取决于

FPI位置下游的中压馈线部分引起的接地故障容性电流和附加电阻阻性

电流）

FPI/DSU：

非定向

只有当中压非故障馈线或故障下游的接地故障电流在可接受范围内时，可能是

定向

FPI/DSU：

如果在接地电阻的值为中-低的情况下（接地故障电流的阻性分量与容性分量相当或大于容性分量），则为

非定向

只有在接地电阻值很大时（接地故障电流的阻性分量小于容性分

量），为定向

多相故障

多相故障探测不受中性系统运行影响

存在分布

式电源

只对多相故障

有影响

只对多相故障

有影响

只对多相故障

有影响

故障电流的幅值和方向取决于分布式电源特性和

位置

对接地故障和多相故障都有影响

只对多相故障有

影响

5基于电网和故障类型的故障探测原理

5.1概述

故障探测应独立于电网中性点接地方式，且在配电馈线上连接有大量分布式电源时能够正确地运行。如果不能，则需制造商在“应用领域”中清晰说明。

为保障故障探测的准确无误，FPI/DSU应集成在电网继电保护系统的故障定位中，至少能与继电保护系统配合。

无论故障定位是由现场人员还是自动化系统来执行,FPI/DSU需要与电网继电保护系统有相同的故障探测能力和灵敏度，是为了避免由于FPI/DSU的灵敏度低于中压馈线保护而导致故障定位中可能存在的问题。当需要探测和切除一个高阻值接地故障时可能会发生这些问题。

另一方面,FPI/DSU的灵敏度高于中压馈线保护时，可能发生不准确的接地故障探测，并对现场工作人员或自动化系统起到负面作用。如果FPI/DSU需进行故障存在的确认（例如：与FPI/DSU的同时性故障探测有关的中压馈线继电保护跳闸导致的电压或电流缺失），则后者可以避免。

附录B中描述了两种不同的探测、定位和切除故障的例子。二者都能解决故障，但是对终端用户造成的供电中断的次数和拓扑有不同的表现。

图2和图3展示了不同运行电网中不同种类故障的故障电流路径和矢量图。对于FPI/DSU制造商和用户来说，这是FPI/DSU设计和选型时最基本的原则。

注：图2、图3和5.2中所示的矢量图仅出于对上述描述的考虑。因此由于受编辑限制，矢量的比例可能是不对的。中压系统可分为两大类：中性点直接接地类型和其他类型（中性点不接地、经补偿接地等）。这两类系统的接地故障可能会有完全不同的表现（见中性点不接地系统的相关例子）。

a）电路图

17

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图2中性点不接地系统中接地故障的三相图

标引序号说明：

Cra,SA、TA=Crb.SB.TB=C 每条中压馈线上的相对地电容，电容量相等；

A ——故障中压馈线上探测接地故障剩余电流的穿心式电流互感器。更多细节和其他中

压中性点工作模式（除直接接地系统）见4.2；

B ——非故障中压馈线上探测接地故障剩余电流的穿心式电流互感器。在除直接接地系

统外的所有系统中，其运行状况相近；

EIsd ——标量值为一3X\E\的剩余电压，等于三相相对地电压的矢量和。£是平衡系统中的相

对地电压；

IRA~ICSA+ICTA=J+（2•-y-• •C•V3~•E=JC/3"•<l>•C•-s/3~•E）=3•M•C•E•e1<3°相对于（一Ersd）;

Trb=Jcsb+1ctb=—j（2• •a>•C•-JS•E）=—j0/3•a>•C•^3•E）=3•a>•C•E•e~j9u相对于（一Ersd）。

图2中性点不接地系统中接地故障的三相图（续）

a）电路图

图3直接接地系统中接地故障的三相图

b）矢量图

标引序号说明：

Cra.SA.TA=Crb.SB.TB=C 每条中压馈线上的相对地电容，电容量相等；

A ——故障中压馈线上探测接地故障剩余电流IR的穿心式电流互感器。更多细节和其他中

压中性点工作模式（除直接接地系统）见4.2；

B ——非故障中压馈线上探测接地故障剩余电流IR的穿心式电流互感器。在除直接接地系

统外的所有系统中，其运行状况相近。

Icsa&b=<0•C•E•ei3°"=（夸4）• •C•E；

Icta&b=co•c•E•e>150'=（—j •C•E；

I ICSA+ICTA+,SC=/RB十JSCI

IRB=/csb+1CTA=j（2•-y•CO.C•E=j.C•E=o>•C•E• 相对于Er。

非故障和故障馈线上的容性电流分量在上述系统中占1/3。因此,1sc»1ra.Irb等（ZRA、JRB等可忽略不计）。

图3直接接地系统中接地故障的三相图（续）

5.2接地故障探测和中性点接地方式

5.2.1 _般要求

接地故障电流取决于中性点接地方式和故障阻抗。

应根据FPI/DSU所安装的中压电网中每个中性点接地方式，对FPI/DSU进行设计和试验。

5.2.2中性点不接地系统中的接地故障探测

相对于剩余电流传感器方向的电流流向见图4和图5O

矢量图和符号说明见图6。

L4:Zc4

Ll:Zci

L2:Zc2

L3:/c3

图4中性点不接地系统——故障（故障位于FPI/DSU的下游）上游的FPI/DSU接地故障电流方向探测

LI:7ci

L2:/c2

L3:/c3

L4:/c4

图5中性点不接地系统——故障（故障位于FPI/DSU的上游）下游的FPI/DSU接地故障电流方向探测

^rsd

J*

-V

V

案例A

Al=/ci+/c2+^C3=A：一,C4

=4：1+/C2+^C3+A：4_l+

a)

下游故障A1探测电流

b）容性剩余电流

^■rsd

厂rsd

，C1

^C3 ,C4

^C1ic2』C3

』C2 】C3

一・

-•

V

' v

V-

Ir2=I。一2

厶2—人：4_2 厶2—人？1+人：2+人：3=人?一人

案例B

案例C

/ci?C2 ?C3

下游故障A2探测电流

d）上游故障A3探测电流

c)

人?1 人?3 人：4_1 人?4_2

人?1lc2Jc3

标引序号说明:

A

3

e）各电流矢量关系

——下游故障；

上游故障；

Irl ——由中压馈线保护A1测量;

Ir2 由中压馈线保护A2测量；

Ia ——由中压馈线保护A3测量;

注：对于其他非故障馈线上的电流，其特性相同。

0

ICl、IC2、JC3、IC4

If

In

IC4_lIC4_2=JC4;

IC4_lIC4_upstream

T=T'

1C4_2iC4_downstream

——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；

一馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和）；

故障电流=Ic=所有连接到同一中压母线的中压馈线容性剩余电流（3X<oXCe）XE之和（£=系统中的相对地电压）；

—馈线4始端，由剩余电流互感器或电流传感器测得的剩余电流;Irl=Ic-Ic4；

一馈线4上.FPI/DSU上游的容性剩余电流;一馈线4上，FPI/DSU下游的容性剩余电流;

图6关于图4和图5中性点不接地系统的矢量图

Ir2 ——馈线4上，FPI/DSU下游的接地故障，由FPI/DSU测得的剩余电流（等于Ic—Jc4_d_s_m）;

Ir3 ——馈线4上,FPI/DSU上游的接地故障，由FPI/DSU测得的剩余电流（等于JC4_d_s„_）;

Ersi ——标量值为一3X|E|剩余电压，等于相对地电压的三相矢量和。E是平衡系统中的相对地

电压；

案例A ——A1下游的接地故障；

案例B ——A2下游的接地故障；

案例C ——A3上游的接地故障。

图6关于图4和图5中性点不接地系统的矢量图（续）

如果FPI/DSU是非定向型的，则其电流定值设定应高于馈线下游部分（相对于FPI/DSU位置）的容性电流，以避免上游接地故障发生时出现错误指示。

这可能极大地削弱其灵敏度。例如当下游容性电流约等于或高于上游容性电流时（在下游电网是地下电缆网情况下），可能无法实现探测功能。

图7、图8和图9简要说明了三种情况。为了更好的阐述，按各种现象依次进行描述。

当A4-2的下游发生接地故障（见图7），且没有定向接地故障电流探测功能时，用于探测故障的最大电流定值为Ic-Ic4_2（故障电阻为0且不考虑电流互感器和传感器的准确度）。电流定值越小，FPI/DSU灵敏度越高。

1

（C1+C2+C3） C4_l C4_2

4l=A?l+ + = —^C4 42=A?—A?4_2

一剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；一剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）的常规方向；

标引序号说明:

图7非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系

（故障位于FPI/DSUA4-2的下游）

Zd ——正序阻抗（即正序电压与正序电流之比）；

Zi ——负序阻抗（即负序电压与负序电流之比）；

/ci.Ic2Uc3,Ic4——馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和）；

Ic 剩余电流之和,ICl+C2+C3+04=E=接地故障电流；

Re ——接地故障电阻；

In ——馈线4始端，由剩余电流互感器或电流传感器测得的剩余电流；当故障发生在FPI/DSU下游

时'Irl=IC—IC4；

IC4_l+fC4_2=ICti

Ic4_i ——馈线4上,A4-2上游及A4-1下游的容性剩余电流；

Ic4_2 ——馈线4上,A4-2下游的容性剩余电流；

Ir2 ——接地故障发生在A4-2下游时，由A4-2剩余电流互感器或传感器测得的剩余电流（等于Ic-

IC4_2）；

A1、A2、A3 ——位于馈线1、2、3出口处的FPI/DSU,发生接地故障且接地电阻值RE可忽略不计时，分别被

ICl、JC2、JC3影响。

图7非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系

（故障位于FPI/DSUA4-2的下游）（续）

当接地故障发生在A4-1下游、A4-2上游（见图8），且没有定向接地故障电流探测功能时，其最大电流定值为Zc-Ic4（故障电阻为0且不考虑电流互感器和传感器的准确度）。电流定值越小，FH/DSU灵敏度越高。

然而，A4-2的最小电流定值应大于Joo?以避免错误的故障电流路径探测。

cs

X

ro

（C1+C2+C3） C4_l C4_2

4l=:A?l+4：2+/c3=/c—/c4

图8非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系

（故障位于FPI/DSUA4-1的下游和FPI/DSUA4-2的上游）

标引序号说明：

0 ——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；

——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）的常规方向；

zA ——正序阻抗（即正序电压与正序电流之比）；

Zi ——负序阻抗（即负序电压与负序电流之比）；

Ici、/c2Jadct——馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之

和）；

Ic 剩余电流之和，Jci十C2+C3+C4=E=接地故障电流；

RE ——接地故障电阻；

Irl ——馈线4始端，由A4-1剩余电流互感器或电流传感器测得的剩余电流；当故障发生在A4-1下游

时'Jrl=Ic—IC4;

IC4_lIC4_2=ICti

IC4„1 ——馈线4上,A4-1下游及A4-2上游的容性剩余电流；

Ia_2 ——馈线4上,A4-2下游的容性剩余电流；

A1、A2、A3 ——位于馈线1、2、3出口处的FPI/DSU,发生接地故障且接地电阻值RE可忽略不计时，分别被

ICl、IC2、■?C3影响。

图8非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系

（故障位于FPI/DSUA4-1的下游和FPI/DSUA4-2的上游）（续）

X

CQ

C4—2

C4„l

O

Al、A2、A3

A?4_2

^C4_l

标引序号说明：

0 ——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；

——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）的常规方向；

图9非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系

（故障在中压母线上并位于任何FPI/DSU的上游）

zd ——正序阻抗（即正序电压与正序电流之比）；

Z. ——负序阻抗（即负序电压与负序电流之比）；

IdJu:Jo./u!——馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和）；

I（' 剩余电流之和-IC1+IC2+IC3+C1=Ip.=接地故障电流；

re ——接地故障电阻；

I +八'1_2=I（.'I•

Icj ——馈线4上，A4-1下游及A4-2上游的容性剩余电流；

——馈线4上，A4-2下游的容性剩余电流；

A1.A2.A3 ——位于馈线1、2、3出口处的FPI/DSU.发生接地故障且接地电阻阻值7?E可忽略不计时，分别被

/（'IJc2影响。

图9非定向故障探测中FPI/DSU电流定值与接地故障电流间的关系

（故障在中压母线上并位于任何FPI/DSU的上游）（续）

无论是A2还是A1下游发生接地故障情况，在没有定向接地故障电流探测功能的情况下，A1、A2和A3的最小电流定值分别是、込和八、3故障电阻为0且不考虑电流互感器和传感器的准确度）。此外，中压母线上发生接地故障时，A4-1和A4-2的电流定值应分别大于心4和八.4_2。

电流定值越大，正常馈线或故障馈线故障下游的FPI/DSU探测出错的可能性就越小。这意味着，在FPI/DSU的非定向故障探测中：

一正确的故障探测是由下游馈线特征和上游电网特征共同决定的。

一FPI/DSU电流定值应大于其下游电网的接地故障电流分量，且小于其上游的整个电网的接地故障电流分量。这可能导致FPI/DSU的灵敏度降低。

—每个FPI/DSU应有不同的电流定值，因此在不同的安装位置应设定不同的灵敏度。——配电网结构的变化可能改变故障电流分量，导致故障探测失准。

因此，推荐采用FPI/DSU的定向探测：不同算法可用于故障方向的探测（无功探测原则、故障发生后首个毫秒的暂态分析等）。

5.2.3谐振接地系统中接地故障探测

纯谐振接地（只有电感）

相对于剩余电流传感器方向的电流流向示意图见图10和图11。

矢量图和符号说明见图12。

Ll:Zci

L2:/c2

L3:7c3

L4:7c4

图10纯谐振接地系统——由故障点上游的FPI/DSU进行接地故障电流方向的探测

（故障位于FPI/DSU的下游）

Ll:7ci

L2:7c2

L3:7c3

L4:/c4

图11纯谐振接地系统——由故障点下游的FPI/DSU进行接地故障电流方向的探测

（故障位于FPI/DSU的上游）

e）各电流矢量关系

标引序号说明：

A

B

In

Ir2

Ir3

——下游故障；

——上游故障；

——由中压馈线保护A1测量；——由中压馈线保护A2测量；——由中压馈线保护A3测量；

注：故障馈线上同一FPI的上游或下游故障，相对于剩余电压，故障电流的大小和角度都是相同的。

0

L1、L2、L3、L4

ICl、IC2、/C3、IC4

——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；

中压馈线1、中压馈线2、中压馈线3、中压馈线4；

一馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和）；

A?1人、2A?3

/ci

,C2

/C3

Aj4_1 A：4_2

_J

Al=/ci+-/c2+介3__/c4=7c4_1H~/c4_2=^C4案例A

V

A,=—/ci=一(/ci+/c2+/c3+,C4_l+/c4_2)

b）容性剩余电流与线圈感性电流

E

/ci/c2,C3

/ci

/c2

fa

A：4_l

a）下游故障Al探测电流

/ciA22 ^C3

案例B

案例C

A.3=,C4_2

人2=人?1+lc2+人?3+?C4_1 =—人：4_2=?C4_2

Yrl=/ci+Yc2+JC3一氏=—7c4=^C4_1I^C4_2

c）下游故障A2探测电流

d）上游故障A3探测电流

A

Al=/ci+A：2+A：3+^C4

图12关于图10和图11纯谐振接地系统的矢量图

Ie ——故障电流=［电网中的容性剩余电流（3\^\6\：）\£之和一线圈中的感性电流（IL）］一零值

（相位相同，不用算矢量和）。电网分量中的零序损耗（有功电流分量）可忽略不计（E是系统中的相对地电压）；

11. 线圈中的感性电流=一;

Li 馈线4始端，由剩余电流互感器或电流传感器测得的剩余电流:Ir］=（Ic— ）—Il=十

Ic2+In=与L方向相同）（相位相同，不用算矢和）。电网分中的零序损耗（有功电流分M）可忽略不计；

I（：1_1十ICL2=ICI;

/cci=ZcLupS.rram——馈线4上.FP1/DSU上游的容性剩余电流；

Ic4_2=Ic4.do„_——馈线4上.FP1/DSU下游的容性剩余电流；

Ir2 馈线4上，由FPI/DSU测得的下游接地故障的剩余电流-,Ir2=Ici十/c2+Ici十ICl_ —11.=

IC1_dow„s（r™m（与Il.方向相同）（相位相同，不用计算矢和）；

L.3 ——馈线4上，由FP1/DSU测得的上游接地故障的剩余电流（等于J

Ersil ——标量值为一3X|E|剩余电压，等于相对地电压的三相矢量和。E是平衡系统中的相对地

电压；

案例A ——A1下游的接地故障；

案例B A2下游的接地故障；

案例C ——A3上游的接地故障。

图12关于图10和图11纯谐振接地系统的矢量图（续）

在下游故障和线圈中100%为容性电流的情况下，通过FPI/DSU的电流是下游中压馈线的容性电流和最小中性有功电流的矢量和（由于线圈内部损耗和所有电网中其他的零序阻性分量，最小中性有功电流并未在图10或图11中标示出来，通常非常小，可忽略）。

如果线圈中不完全为容性电流，则通过FPI/DSU的电流是由于过补偿或欠补偿产生的容性/感性电流（该电流是线圈感性电流有意或无意未完全补偿中压电网容性总电流产生的FPI/DSU下游中压馈线的容性电流和中性点有功电流的矢量和。

对于以上两种情况，该电流（通过FPI/DSU的）与下游容性电流相当，或者比其小，并且与正常馈线（以及相对FPI/DSU）上的故障电流有相同的方向。因此，即使是当系统处于百分之百的电网总容性电流时，用纯中性阻抗来判断接地故障电流的方向非常困难，FPI/DSU应有定向探测功能：可以使用不同的算法（例如：无功探测原理、假设线圈内部损耗足够大、暂态分析等）。

电感并联电阻的谐振接地（阻抗接地）

相对于剩余电流传感器方向的电流流向示意图见图13和图14。

矢量图和符号说明见图15。

GB/T41135.2—2021

GB/T41135.2—2021

Ll:7ci

L2:?c2

L4:7c4

L3:/c3

25

库七七标准下载

图13

LI:/ci

L2:Zc2

L3:7c3

L4:/c4

电感永久并联电阻的谐振接地——由故障上游的FPI/DSU进行相对地故障电流方向的探测（故障位于FPI/DSU的下游）

图14电感短时并联电阻的谐振接地系统——由故障下游的FPI/DSU进行相对地

故障电流方向的探测（故障位于FPI/DSU的上游）

厶1=九1+/c2+^C3—h+^R=—人：4+^R=(Aj4_1+A：4一2)+

Zcl fc2 /c3 Aj41 Zc42

/c

/l=—A?=—(A?1+A?2+A?3+/c4_1+/c4_2)

a）下游故障A1探测电流

b）容性剩余电流与线圈感性电流

图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图

GB/T41135.2—2021

0

L1、L2、L3、L4

ICl、IC2、IC3、JC4

If

标引序号说明:

一下游故障;

一上游故障;

——由中压馈线保护A1测量;

Ir2 由中压馈线保护A2测量;

Ir3 由中压馈线保护A3测量；

注：A3无法测量上游故障的阻性故障电流（IR），所以通常来说，故障电流相角取决于故障相对于FPI的位置（上游

或下游）。

——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；

中压馈线1、中压馈线2、中压馈线3、中压馈线4；

一馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和）；

一故障电流=电网中容性剩余电流（3X«jXCe）XEa线圈感性电流k、电网损耗引起的线圈及

附加阻性电流的三者矢量和ZR。当线圈调谐到WO%JC时约等于IR，

（E=电力系统中的相对地电压）;

线圈的感性电流=—Ic>

在馈线4始端，由剩余电流互感器或传感器测得的剩余电流，对应容性电流（Jc—fC4）=：（3XaJXCE）XE-IC4],线圈感性电流込和电网零序损耗引起的线圈及附加阻性电流的矢

量和，约等于与h方向相同的（-Ic4）与心的矢量和，即IR1=：（Ic-Tc4）+Tl]+Tr（E是系统中的相对地电压）；

Ic4_l=Ic4_„p5trem——馈线4上,FPI/DSU上游的容性剩余电流;Ic4_2=Ic4_downStream——馈线4上,FPI/DSU下游的容性剩余电流;

图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图（续）

Ir2 ——馈线4上，由FPI/DSU测得的下游接地故障的剩余电流，对应容性电流（IC（'Idownslrcam）

［（3Xw\CE）\E—JC1_d„nslrc„.im］、线圈感性电流和电网损耗引起的线圈及附加阻性电流的矢量和，约等于与k方向相同的（IC IC4_downstream）与IK的矢量和。Ia-2=

［（丁C C4_downstream）ZL］Ir（E是系统中的相对地电压）；

/r3 ——馈线4上，由FP1/DSU测得的上游接地故障的剩余电流（等于/cLdo™s,r™m）:

Ir ——通过（等效）并联电阻的电流；

E.,d ——标M值为一3X|E剩余电压，等于相对地电压的三相矢M和。E是平衡系统中的相对地

电压；

案例A ——A1下游的接地故障；

案例B ——A2下游的接地故障；

案例C ——A3上游的接地故障。

图15关于图13和图14电导并联电阻的谐振接地系统的矢量图（续）

在非定向故障探测中，判断故障电流的方向是非常困难的。FPI/DSU的灵敏度（最小定值）与通过（等效）并联电阻的电流有功分量和FPI/DSU下游馈线部分的容性电流有关。

如果FPI/DSU下游电网对接地故障电流的影响大于或约等于上游电网（对接地故障电流的影响），则只有利用（等效）并联电阻产生的电流有功分量才能正确判断故障方向。

电流的有功分量提高了FPI/DSU的电流灵敏度，使其可以探测到下游的故障，因此能避免有损害的运行，也为高阻值故障探测提供了足够的灵敏度。

FPI/DSU应有定向探测功能。如果无定向故障探测功能，则其灵敏度可能被大幅削弱，这取决于与故障电路串联的阻性元件的总阻值。

在一条中压馈线含有更大分量（根据容性电流，与其他所有中压馈线有关）的电网中，电网结构的变化会导致FPI/DSU故障探测失准。

为探测故障电流方向，可以采用不同的算法（例如：有功度量探测原则、故障后首个毫秒暂态分析等）。

如果发生下游故障且线圈中完全为容性电流时，则通过FPI/DSU的电流是其下游中压馈线的容性电流和中性有功电流的矢量和。

如果线圈中不完全为容性电流，则通过FPI/DSU的电流是由于过补偿或欠补偿产生的容性/感性电流（该电流是线圈感性电流有意或无意未完全补偿中压电网容性总电流产生的FPI/DSU下游中压馈线的容性电流和中性点有功电流的矢量和。

对于有功电流，可考察以下两种情况：

一永久并联电阻：中性有功电流值相对较低（数安培或数十安培），使得总接地故障电流较小。此时，FPI/DSU中的电流约等于或小于下游容性电流，且与非故障馈线（及相应FPI/DSU）上的故障电流方向相同（相对无功分量而言）。由于线圈的失谐可以忽略，且总电流很小，所以需要定向型FPI/DSU。

一短时并联电阻：当电阻处于使用状态时，接地故障电流增大到一定程度以进行定向探测。此方案中，中性有功电流相对较大（见5.2.4）。

为探测故障电流方向，可能采用不同的算法（有功度量或无功度量探测原则、暂态分析等）。

5.2.4中性点阻抗接地系统（电阻接地）的接地故障探测

相对于剩余电流传感器方向的电流流向示意图见图16和图17。

矢量图和符号说明见图18。

GB/T41135.2—2021

Ll:Zci

L2:Zc2

L3:7c3

L4:7(j4

图16电阻接地系统——由故障上游的FPI/DSU对相对地故障电流

方向的探测（故障位于FPI/DSU的下游）

Ll:7ci

L2:Zc2

L3:ZCS

L4:7c4

图17电阻接地系统——由故障下游的FPI/DSU对相对地故障电流

方向的探测（故障位于FPI/DSU的上游）

AllAl'24：3

A?1 /c2 A?3

1+,C2+A?3

A、2+/c3+/k=

案例A

-►

/ci+Zc2+/c3+/|<

a）下游故障A1探测电流

d）上游故障A3探测电流

c）下游故障A2探测电流

图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图

GB/T41135.2—2021

标引序号说明：

A

B

Li

Ir2

——下游故障；

——上游故障；

——由中压馈线保护A1测量；——由中压馈线保护A2测量；

Ir3

——由中压馈线保护A3测量；

注：A3无法测量上游故障的阻性故障电流（IR），所以通常来说，故障电流相角取决于故障相对于FPI的位置（上游

或下游）。

0

L1、I.2、L3、L4

ICl、Ic2、IC3、IC4

——剩余电流互感器（或测量剩余电流的电流传感器）所在位置；

一中压馈线1、中压馈线2、中压馈线3、中压馈线4；

一馈线1、2、3、4的容性剩余电流（等于连接在同一中压母线上的每个中压馈线的三相容性电流之和）；

Ir

——接地电阻上通过的电流；

If ——故障电流=电网中容性电流（3Xo>XCe）XE和接地电阻阻性电流的矢量和，g[JIF=Ic+Ir

（E是电力系统中的相对地电压）；

Irl 馈线4始端，由剩余电流互感器或传感器测得的剩余电流，对应于容性电流（IC—IC4）=

：（3XcoXCe）XE-IC4]和接地电阻阻性电流的矢量和，BPIR1=（Ic-Ic4）+Ir（E是电力系统中的相对地电压）；

图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图（续）

ICl_l+八'1_2=I（.'I;

八.=ZcL-pM^n.——馈线4上.FPI/DSU上游的容性剩余电流；

——馈线4上,FP1/DSU下游的容性剩余电流;

1,2

—馈线4上，由FPI/DSU测得的下游接地故障的剩余电流，对应于容性电流（IC_ICLdownsIrcam）=［（3\tt>XCE）\E—CLdownslrcam］和接地电阻阻性电流的矢 和，即IR2=

（11■一ICl_clowns<rc»m>+1R（E是电力系统中的相对地电压）；

113

rscl

—馈线4上，由FP1/DSU测得的上游接地故障的剩余电流（等于）；一标M值为-3X|E剩余电压，等于相对地电压的三相矢M和。E是平衡系统中的相对地电压；

案例A

案例B

案例c

—A1下游的接地故障；

—A2下游的接地故障；

—A3上游的接地故障。

图18关于图16和图17电阻接地系统的矢量图（续）

由于IR通常远大于Jc（也远大于/C4_tkns_ni）.FPI/DSU可以是非定向的，故障电流的方向由电网特征决定。FPI/DSU的灵敏度（最小定值设置）只与相关。

5.2.5中性点直接接地系统的接地故障探测

在中性点直接接地系统中，接地故障与多相故障类似，矢量图见图3。

FPI/DSU可以是非定向的，因为故障电流的方向由电网特征决定（除非电网中存在大量分布式电源）。

接地故障电流的相位取决于相序回路的功率因数。

因此，故障位置的不同（靠近高压/中压变压器或分布于馈线上），以及下文描述的案例——故障位置上游的导线类型的不同（架空线、地下电缆等），均会产生各种差异较大的情况。

5.2.6无分布式电源或可忽略情况的过电流探测

无分布式电源

所考虑的电路见图19。

标引序号说明：

Isc ——从中压电网中FIP/DSU上游高压/中压变压器流经中压馈线的故障电流分量；

lSco=Isc——对于任何相间或三相故障上游的FPI/DSU；

lsco=0——对于任何相间或三相故障下游的FPI/DSU。

图19无分布式电源存在的辐射状电网中的过电流——利用非定向FPI/DSU进行

正确的电流探测（相对于过电流探测有非常好的灵敏度）

分布式电源可忽略

所考虑的电路见图20。

标引序号说明：

Isc ——从中压电网中FIP/DSU上游高压/中压变压器流经中压馈线的故障电流分量；

Jscm=Isc+1SC_1+Isc_2——对于任何相间或三相故障上游的FPI/DSU;

Isc4_2=O ——对于任何相间或三相故障下游的FPI/DSU；

lsc„i ——由非故障中压馈线上的中小功率发电机流向故障中压馈线的短路电流分量（低于继电

保护和FPI/DSU最大电流的定值）;

ISC_2 ——由非故障中压馈线上的中小功率发电机流向故障中压馈线的短路电流分量（比继电保

护和FPI/DSU两者最大电流的定值都低）。

图20分布式电源可忽略的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU进行

正确的故障探测（相对于过电流探测有非常好的灵敏度）

对于相间故障来说，故障电流的方向由无分布式电源或分布式电源可忽略的辐射电网结构中的高压/中压变压器决定。定向型FPI/DSU不是必要的。

5.2.7存在大量分布式电源情况的过电流探测（短路电流值显著增大）

所考虑的电路见图21。

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he

Acj

/SC_DER_1.1

Ll:7sc_iA

L2:Zsc_2A

L3:Zsc_3A

a）故障位置上游的FPI/DSU

L4

Ac_der_i.i

/sc

,sc」

LI:/sc_iA

/scDER2.1

/SCJ)HR_3.1

L2:Zsc_2A

L3:7sc_3A

J)F：R4.3

ISC4_2一,SC_1+,SC_2+1SC_3+/sc+/SCJ)KR4.4+,SC_

b）故障位置下游的FPI/DSU

标引序号说明：

0

Ise

ISC_1、ISC_2、ISC_3

ISC4_1=JsCH-ISC_1+ISC_2+ISC_3

一相电流互感器（或测量过电流的传感器）；

一位于中压馈线保护和/或FPI/DSU安装位置上游的高压/中压变压器提供的短路故障电流分量；

——位于连接在非故障中压馈线1、2和3上的中小功率发电机给馈线4提供的短路故障电流分量（它们比继电保护和FPI/DSU两者最大电流的定值低或高都有可能）；

一相间或三相故障时由中压馈线保护探测得到的电流（可能大于也可能小于继电保护装置最大电流整定值）。

图21存在大量分布式电源的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU探测

故障不可靠（探测结果不正确或极低的灵敏度）

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ISC4_2=Isr+ISC_1+ISC_2+ISC_3+（ISC_DER4.4+ISC_DER4.3） 位于中压馈线上FPI/DSU下游位置的相间或二相故

障的电流分量（沿馈线4來自FP1/DSU上游分布式电源，可能大于或小于FP1/DSU最大电流整定值）:

I ~ISC_DP：R1.2+ISC_DER1.1 位于中压馈线上FPI/DSU上游位置的相间或二相故

障的电流分量（沿馈线4來自FPI/DSU下游分布式电源，可能大于或小于FPI/DSU最大电流整定值）。

图21存在大量分布式电源的辐射状电网的过电流——利用非定向FPI/DSU探测

故障不可靠（探测结果不正确或极低的灵敏度）（续）

该情况下，在由同一变电站母线供电的配电网中任何位置上，短路电流都含有来自分布式电源的电流分量。

电流分量尚不明确，因为它与发电机的类型和特性，以及系统接地方式密切相关，典型理论值为：——同步机，范围大约在6p.u.〜8p.u.标称电流之间（次暂态电抗）；

异步机（无自励系统），范围大约在8p.u.〜10p.u.标称电流之间，数10ms；

一逆变器，范围大约在1.1p.u.〜1.3p.u.标称电流之间等。

在一些情况下，一次能源的类型影响较小：

——水能；

化石能；

风會旨;

一太阳能等。

并且，发电机的使用方式（与发电周期、热电联产、纯发电等相关）影响也较小。

由图21所示，由于大量分布式电源的影响，无论是中压馈线继电保护装置还是FPI/DSU.通过非定向指示探测过电流，也许不可能得到正确的探测结果。

对于存在大量分布式电源的配电网，分布式电源与高压/中压变压器提供的故障电流相似，因此应有定向型FPI/DSU.以探测过电流故障。

如果故障点在FPI/DSU位置附近，则可采用电压记忆原理，即记录故障发生前至少一组健全相的电压（线电压或相电压）。

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附录A

（资料性）

环网中FPI或DSU的故障探测示例

A.1概述

本附录给出了一个环网中FPI或DSU的故障探测示例，介绍了一种基于二端口网络数学思想的环网建模方法。下述研究的电网拓扑是由来自于变电站同一条一次母线的两条辐射状出线闭合构成的环路。

A.2二端口模型

一个中压线路可以由一个集中参数模型来表示。不依赖于所用的模型，每条线路分支（例如：单相）与所采用的模型无关，均可假设为二端口模型。

图A.1所示模型为线性无源型。

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图A.1二端口

输人值与输出值之间的关系可由式（A.1）线性方程得出:

Ji]LcdJ2_

式中：

r——纵向线路分支上每千米的电阻，单位为欧姆每千米（fl/km）；I 纵向线路分支上每千米的电感，单位为亨每千米（H/km）;

c——纵向线路分支上每千米的电容，单位为法每千米（F/km）；a 线路长度，单位为千米（km）;

z=rj;

3^=jcoc（在绝缘良好的线路中，电导可忽略）；

k=\/zy;

A=cosh（々a）;

B=zosinh（々a）;

C=——sinh（々a）o

在单线路分支的情况下（例如以均质材料制造时），D=A。上述2X2矩阵中的各元素可通过传输线方程得到。

A.3闭环线路外的线路发生故障时对零序值的分析

当辐射状中压电网上发生故障时，故障线路所在母线上的正常区段的零序电压均刚好超前于零序电流90°，且与中性点是否接地无关。

在一个闭环线路中，当故障发生在同一母线上的另一条线路上时，零序电压与零序电流之间的夹角从90°开始变化，这个变化取决于测量点的位置和线路的物理特性。

如果上述的变化未知，则FPI或DSU的设置就可能会导致意外跳闸。下面介绍一种评估此类变化的方法。

当零阻抗接地故障发生在一条母线上（母线上还连接着回路上的其他分支线路）的其中一条线路上时，零序回路的零序电压和满额相电压相近。

零序回路由一系列环节（二端口）级联而成，从中压母线到同一母线上的最后一个环节（见图A.2）。这种情况时，零序纵向阻抗和横向阻抗都应加以考虑。

母线

二端口

r2 二端口

图A.2二端口级联

因此，将H,•定义为z因子二端口的复矩阵，回路等效矩阵见式（A.2）：

（A.2）

i=l

式中：

N 支路数量。

首先可以得出的是，由于矩阵H,支路具备非齐次性，故可得A^D。

31

计算回路中不同区段的零序电压和零序电流。首先，分解带两个零序电流^^和J2，Isd的系统，这两个零序电流流经回路上两个支线的中压母线。

因为这两个分支连接在同一中压一次母线上，所以有Vl.rsd^^z.rsd^Vrsd。见式（A.3）:

Vrsd

11，rsdj

hi,i

^2,1

"1，2

"2,2」

rsd

M2,rsd

(A.3)

式中：，因此用于解这个系统的电流和不相等。系统的解见式（A.4）和式（A.5）:

•A

zk

rsd

tvr-

rsd

•A

-

Tx

\l7

(A.4)

(A.5)

(A.6)

如果回路的初始电流和最终电流已知，则可以反向计算出每个区段的电流。当计算出支路7下游的零序电压和零序电流后，可通过式（A.6）得到回路中不同区段的零序电压和零序电流：

j，rsd

^=>-1•

=立^7-1

vIsA

_Zj，rsd_

i=Q

1，rsd_

式中:

Vprsd和Vj，rsd——二端口7的零序电压和零序电流。

A.4闭环上发生故障时