电力系统单相接地故障定位方法综述

电力系统单相接地故障定位方法综述

在中国，配电网通常采用小电流接地，80%以上的误差是单相接地故障。由于电力系统网

络的电压等级不同，具有不尽相同的结构特征，因此，根据电力系统网络结构的不同特点,

选择使用不同的故障定位方法。目前国内外采用的配电网故障定位方法有故障测距法，阻

抗法、单端行波定位法、信号注入法、故障指示器法等，接下来的研究中出现了将几种故

障定位方法相结合的综合定位方法.充分利用各种定位方法的互补性来提高故障定位的准

确性。

1故障测距法的分类

故障测距法，即测量线路检测点到故障点处之间的距离即故障定位，按原理分基本可以分

为：行波法、阻抗法和“牧障指示器”技术。

1.1故障点位置的确定

行波在均匀线路上传播运动时，行波电压与行波电流的比值是一定的，但是如果线路的参

数或者波阻抗在某一结点处突然发生改变，行波在突变点处会产生全部或者部分的反射与

折射现象，称此点为波阻抗不匹配点，主要表现为分支节点处、开路与短路处。行波法的

故障测距原理是：根据行波在线路中的传输理论，利用行波在波阻抗不连续点发生反射和

折射的特性来实现故障定位，常见的类型主要有A、B、C型几种，下面进行分别的介绍：

(1)A型行波法。

A型行波法主要采集故障处本身产生的行波信号(如图1),利用行波信号从测量点至故

障发生点的时间与行波的波速进行故障点位置的确定；故障点返回信号的波头到达始端的

时刻值的1/2,就是行波从故障点到检测点的时间差。

设行波信号测量点M与故障点F之间的距离表示为xL,用v来表示行波的波速，则故障

距离的计算公式：

对于A型行波定位方法，由于配电系统的结构复杂，分支众多，而从测量端到故障点需要

往返两次，这将会产生大量的反射行波，而对于这些反射行波的区分将会是一个难题。

(2)B型行波法。

B型行波法的定位原理：根据故障处本身产生的行波信号传输至线路两端所需的时间差进

行故障点位置的确定，其原理图如图2。

设故障处产生的行波信号传送至检测点M端为时间段til、传送至检测点N端为时间段

tl2,已知测得的故障点产生的行波信号传送至检测点M端为时刻值tl、传送至检测点N

端为时刻值则t2,则首末端MN的距离为S,用v来表示行波的波速，

得到方程组：

解方程组得到tl2和til的值,于是得到故障点的位置:xl=vtllo

但B型行波定位方法有一精确到微秒级的同步要求。由于配电线路结构复杂，一般都有很

多的终端,因此对于多个信息源的信号同步不容易实现。

(3)C型行波法。

C型行波法的定位原理是：在故障发生后，由装置在线路的一端注入高压脉冲信号、直流

脉冲信号，根据脉冲信号从注入装置传输至故障处的时间来进行故障位置的确定；其原理

图如图3:

设行波信号测量点M与故障点F之间的距离表示为xL,则故障距离的计算公式表示为：

C型行波法在实现故障定位的时候，可以进行重复判断，如果因为某一次检测受到了较大

的干扰而影响到了故障定位的分析，可以选择重新再发送一个行波信号的方法再进行一次

故障定位。这种测距装置原理简单，精度也高，但是，同样由于配电系统本身的结构特点,

即结构复杂与分支众多，致使注入的信号在线路中衰减很大，给数据处理带来困难，而目

附加的高频脉冲信号发生器等部件比较昂贵。

1.2故障点与故障点之间的距离

利用阻抗法实现故障测距，其原理可表述如下：假设电力线路是均匀的线路，根据故障时

测得的电压、电流量计算出故障回路的阻抗，利用已经得出的故障回路的阻抗和线路长度

成止比这一关系，得到测量点与故障点之间的距离。阻抗法所具有的优点就是投资少，但

是其受到路径阻抗、电源参数与线路负荷的影响却比较大，测距误差往往远大于某些故障

测距产品在理想条件下得出的误差标准，而且受故障点过渡电阻的影响而存在测距精度问

题，只有故障点的过渡电阻为零时，才能比较准确计算出故障位置。

1.3故障指示器设置

该技术的原理是利用挂在故障线路的路径上的故障指示器来检测信号的有无，并立即给出

相应的指示，巡线人员可借助指示器的报警信号迅速确定故障区段并找出故障点。其不足

之处在于对于中性点非有效接地系统而言，接地电流远远小于负荷电流，故障指示器无法

进行有效识别，而且这种方法需要在线路上安装大量的故障指示器装置，成本比较高、投

资大，设备比较复杂。只适合在小范围内进行使用。

2配电网结构的复杂

注入法的原理是：系统发生单相接地故障后，通过母线电压互感器人为地向故障线路的故

障相注入电流信号(如图4),根据注入信号的流动的特点，利用专用的信号探测器寻踪

注入信号路径，实现故障定位。

注入法乂分为直流注入法和交流注入法。

(1)交流注入法。

交流注入法的原理是：故障发生后，通过母线电压互感器人为的向故障相注入特定频率的

电流信号，然后利用专用的信号电流探测器沿线路对注入的信号电流进行寻踪。利用故障

线路与非故障线路信号的差异来实现故障定位。但是随着配电网结构的复杂和分支不断增

加，分布电容的分流作用也将显著增加，故障点电流和电容电流的区别越来越不明显，其

至电容电流将大于故障点的电流，这种情况卜.非故障分支对地电容电流有可能较大，不利

于故障路径判断。

S注入法属于交流信号注入法的一种，S注入法的定位原理：通过母线电压互感器人为地

向故障线路的故障相注入电流信号，注入信号的基波频率应该处于工频信号的n次与n+1

次谐波之间，再利用专用的电流信号探测器进行巡线，定位出故障线路与故障点。但是经

过运行的实践表明，当接地点的过渡电阻小于等于1kQ时，S注入法的确是很有效的，

相反，当过渡电阻的值为大于1kQ的时候，此方法的有效性将会降低，如果过渡电阻继

续变大，达到10kQ时，此法将会完全的失效。而在我国10kV配电网的接地故障过渡电

阻一般都是在10kQ以上的。因此，S信号注入法在实际运行当中常常会失去效果，只有

在有限的范围内才是有效的。

(2)直流注入法。

直流信号注入法利用线路分布电容对直流信号开路，因此注入直流信号便不受电容的影响,

也不受线路长度和分支的影响。

交流信号注入法与直流信号注入法目前应用较多，但是当配电系统发生单相接地故障并注

入信号以后，需要利用专用的信号电流探测器沿故障线路对注入的信号电流进行寻踪。

3直流信号注入法基本原理

由于配电网线路大多采用中性点不直接接地系统，发生单相接地故障时，故障电流小，故

障特性复杂，检测到的故障特征量具有很大的不确定性，针对故障线路的特征，考虑分步

走进行定位，将几种定位方法相结合实现定位，该方法利用不同定位方法的互补性来提高

单相接地故障定位的有效性与准确性：

已有学者提出将改进的c型行波法与直流信号注入法相结合的配电网单相接地故障定位方

法，该方法先计算故障距离再找到故障分支。c型行波法的基本原理是在系统发生故障后,

从线路的始端由发射装置向故障线路的故障相发射高压高频或者直流脉冲信号，如图3所

示。设F点为单相接地故障点。根据行波在线路上传播的特性理论：行波信号在沿线路传

播过程中会在波阻抗不连续点处发生全部或部分的折射与反射现象。由装设在线路首端M

处的采用发射检测装置向线路发射脉冲信号，记作11时刻，注入信号传播到故障点的反

射波再返回到检测点的时刻记为12,v=3X108m/s,信号检测点M与故障点F之间的距离

L为式3o由于通常配电线路存在着许多波阻抗不连续点，如分支节点、开路点、短路点。

因此，也就会存在大量的折射与反射行波。如果要区分出哪一个反射行波为在单相接地故

障点产生的，就要采取一定的措施。可以利用同一线路同一相在发生与未发生单相接地故

障时注入高压脉冲信号，其唯一的差别就是在发生故障的故障相上多了一个接地点，进而

有可能导致故障点之后的节点的折反射波与正常线路相比会发生异常，但是在故障点之前

的各个节点的折反射波形是一致的。因此，利用税路正常时的波形与线路发生故障时的波

形进行比较即可以得到第一个明显的差异点。波形差异点的时刻就是行波从起始端发出到

反射回检测端所用的时间，通过注入信号时刻与故障点返回信号时刻的时间差来确定故障

的位置。可在注入信号端检测到故障线路的故障处与各分支节点处的返回波形情况。利用

相同的办法得到同一条线路同一相在未发生故障时返回波形的情况。由于A、B、C三相线

路的参数可以近似看做是相同的。因此，可以将非故障相的行波信号进行采集，并以此来

代替故障相线路在线路处于正常状况时的行波信号。将处于故障状态时的行波信号与处于

正常状态时的行波信号进行对比，找出行波信号当中的突变点。直流注入法利用线路分布

电容对直流信号开路，注入直流信号既不受电容的影响，也不受线路长度和分支的影响。

将改进的C型行波法与直流信号注入法相结合，具体方法阐述如下：分别从线路的两端注

入脉冲信号，并分别求出相应的可能故障点，再确定它们的交集以备进一步判断，而实行

进一步判断所采用的就是直流注入法。如图5所示，首先选择主干线路的X,Y两端，作为

信号注入端，先从选好的一端（X）注入脉冲信号，由于在故障点以后返回行波信号会发

生突变，而在故障点之前，发生故障与未发生故障返I可的行波信号是一致的，因此利用正

常信号和故障信号的波形差，二者相异的第1点即为故障点对应的行波突变点，根据第一

个突变点时刻，利用故障距离计算公式确定故障点与线路首端的距离，设为距离1.1。

同理,再选择另外一个信号注入端（Y）,注入一个脉冲信号,对正常状态的信号和故障

状态的信号做差，根据距离计算公式计算出故障距离，设此距离为L2。根据所测得故障距

离L1与图5中线路分支结构，判断出所有满足此距离的点（故障点与线路分支为相互对

应关系），进而得到了故障数组1；采用相同的方法，根据所测得故障距离L2与图5中线

路分支结构，判断出所有满足此距离的点（故障点也与线路分支为相互对应的关系），进

而又得到了一个故障数组，命名为数组2,将数组1与数组2进行交集运算，求得交集数

组3。如果数组3中有唯一的点，即可以判断出此点就为故障点。如果数组3中的元素不

是唯一的，则说明存在伪故障点，这时采用在故障线路的首端注入直流信号（通常注入的

是150mA直流信号），小电流接地系统非故障线路对直流可视为开路，其电流为0：而

在故障线路当中，当直流信号通过单相接地故障点时，将会与大地形成回路，其电流就不

再为零。因此，故障分支与非故障分支便可很容易地分辨开来，利用这一特点即可排除伪

故障点，找出真正的故障点。

将常用到的几种定位方法与该综合定位方法进行性能比较。同样以图5的配电线路为例进

行对比。列入下表1所示：

由于在采用交流注入法与直流注入法时，要沿线路进行检测，由于设置线路每个模块为2

km,因此也每间隔2km检测一次，误差就是2km。如果将检测间隔变小，误差也将变小,

但是检测次数将大幅度增加。交流信号的检测依据是故障线路电流明显大于非故障线路，

故障点前的电流大与故障点之后的电流，如果检测到的电流较大说明故障点在下游，如果

检测到的电流较小，说明牧障点在上游。而直流注入法只需判断有无电流即可判断，因此

也就决定了其检测次数要少。由于配电系统的分支众多，结构复杂，满足C型行波法所测

距离I