1.3 小电流接地故障定位现状及评价

对于小电流接地故障定位，许多学者做了大量研究，按照定位利用的信号方式不同可分为主动式定位方法与被动式定位方法两大类。主动式定位方法是在线路故障发生后向系统注入特定信号，根据相应的定位原理确定故障位置；被动式定位方法则是利用线路故障前后线路本身电压、电流信号特征的变化设计定位判据，确定故障位置。

1.3.1 被动式定位方法

（1）阻抗法

阻抗法故障测距原理是假定线路参数单一，在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故障点的距离。

阻抗法具有投资少的优点，但受路径阻抗、负荷电流、系统运行方式等因素的影响，故障测距误差较大。对于带有多分支的配电线路，阻抗法无法排除伪故障点，它只适合于结构比较简单的线路。

（2）行波法

行波法是利用线路故障时产生的向故障点两侧传播的暂态行波进行故障测距。现代行波测距原理主要包括单端测距原理和双端测距原理两种。单端测距原理是利用线路故障时在测量端感受到的第1个正向电压或电流行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延计算出测量点到故障点之间的距离。双端测距原理是利用线路故障产生的初始电压或电流行波浪涌到达线路两端测量点时的绝对时间之差值计算出故障点到两端测量点之间的距离。

单端行波故障测距原理具有很高的准确性，但可靠性难以保证，有时很难准确识别出故障点反射波；双端行波故障测距原理具有很高的可靠性，并且能够单独使用，是一种主要的测距原理。但它需要在线路两端装设检测装置和两端时间的精确同步，并且需要两端装置交换数据的数据通道，成本相对较高。

行波法在输电线路中已经获得成功应用，配电线路结构复杂，分支众多，线路距离短，在配网中应用行波测距关键要解决故障波头的识别及混合线路波阻抗变化的问题，同时考虑其经济成本。行波法适用于分支少、距离长的高压输电线路及中压配电线路，不适用于线路短、分支众多、结构复杂的配电线路。

（3）稳态零序电流比较法

对于不接地系统，故障点上游检测点的零序电流为所有健全线路对地分布电容电流与该检测点到母线区段（包括期间的分支线）的分布电容电流之和，而下游检测点的零序电流等于该检测点到线路末端（包括期间的分支线）的对地分布电容电流。对于一般拥有多条出线的配电系统，故障点上游紧邻检测点的零序电流幅值最大且故障点两侧零序电流幅值存在较大差距。而无论故障点上游或是下游的健全区段，其两侧零序电流差仅为本区段对地分布电容电流，幅值接近。因此，可选择工频零序电流幅值最大检测点的下游区段为故障区段。考虑到电流互感器（TA）等带来的测量误差，可在零序电流幅值最大的几个检测点中选择两侧幅值差最大的区段为故障区段。

该方法简单实现，可利用开关自带的三相电流互感器合成零序电流信号，不需要额外投资。但是该方法仅适用不接地系统，对于城区普遍存在的经消弧线圈接地系统则不再适用。

（4）稳态零序无功功率方向法

鉴于中性点不接地系统零序网络主要由线路对地电容构成，线路中零序功率主要为容性无功功率，顺着母线至线路负荷终端的方向查找故障位置，根据故障分支的零序功率方向与查找方向逆向，非故障分支零序功率方向与查找方向顺向，即故障分支零序电流滞后零序电压90°，非故障分支零序电流超前零序电压90°的特点确定故障分支。根据故障点前零序功率方向与查找方向逆向，故障点后零序功率方向与查找方向顺向确定故障点位置。零序电压采自中性点电压，零序电流通过空间磁场获得。利用全球定位系统（GPS）实现零序电压和零序电流的相角同步测量，利用通用分组无线业务（GPRS）来实现数据的无线通信。本方法优势是不受线路分布电容的影响，但是只适用于中性点不接地系统，不适用于中性点经消弧线圈接地系统，且装置复杂，每个检测点处必须安装GPS以实现同步测量，安装GPRS以实现零序电压数据的远传，成本高。

（5）五次谐波法

根据故障点前向支路、后向支路和非故障支路的零序电压、零序电流的特点，提出通过测量空间电场和磁场的五次谐波并分析其幅值和相位关系判断小电流接地系统单相接地故障点。但由于五次谐波幅值较小，不易检测，如何提高检测装置的灵敏度和抗干扰能力，是其推广应用的关键。

（6）暂态零序电流比较法

故障产生的暂态电流幅值大于工频分量，且消弧线圈对高频信号的补偿作用明显下降。在经消弧线圈接地系统中，可利用各检测点暂态零序电流在一特定频段内分量的幅值和极性差异确定故障区段。其定位原理和判据与不接地系统中基于工频零序电流比较的方法完全相同。

由于各检测点终端设备FTU（Feeder Terminal Unit）或其他故障检测装置无法实现精确时间同步，基于暂态零序电流幅值和极性比较的原理无法应用。

（7）相关法

相关法是一种通过判断相邻检测点的暂态0模电流相关性确定故障区段的故障定位方法。故障点同侧的暂态0模电流初始极性相同，波形变化一致，具备相似性。故障点异侧的暂态0模电流初始极性相反，波形差异很大，不具备相似性。可通过公式（1-1）求取相邻检测点的暂态0模电流的相关系数。

式中：i01、i02分别为相邻两检测点的暂态零序电流，采样起始点n=1为故障发生时刻，n为采样序列，N为数据长度。

相关系数ρ反映了两个固定波形i01(n)和i02(n)的相似程度。当两个信号波形完全相似（成比例关系）时，ρ取得最大值1；完全不相似（无关）时，则为0。

该方法仅需暂态0模电流信号，避免了安装电压互感器带来的问题，且检测灵敏度较高，不受中性点运行方式的影响。但是该方法对所应用系统的通信网络要求较高，通信数据量大。

（8）暂态无功功率方向法

零序网络中健全线路和故障线路故障点至负荷区段上各检测点处，从检测点看进去，可看做末端开路的传输线，输入阻抗的频率特性在第一次串联谐振之前成容性。故障点至母线区段上各检测点，由于所有健全线路可看做此段线路的负荷，在第一次串联谐振之前成容性，从检测点向母线方向看进去，输入阻抗频率特性在第一次串联谐振之前也为容性。对于消弧线圈接地系统，暂态信号频率大于三次谐波（150Hz）时，可以忽略消弧线圈的影响，即从三次谐波到第一次串联谐振频率之间输入阻抗仍然呈现容性。选取所有线路成容性的低频段为SFB频段，在该频段内，所有线路可等效为电容。

定义暂态无功功率Q0为电压信号的Hilbert变换与电流信号在暂态时段内的平均功率，即

式中： 为电压u0的Hilbert变换。

在0模网络中，在SFB频段内，故障线路故障点至负荷段检测点检测到的功率为检测点到负荷段等效电容吸收的无功功率，故障点至母线段检测点检测到的功率主要为所有健全线路等效电容吸收的无功功率。对于故障线路故障点到母线区段上的检测点，Q00＜；对于故障线路故障点至负荷段检测点，Q00＞。利用该特征即可确定故障区段。

利用此方法，只需检测点处线路自身的故障暂态电压、电流信息即可判断故障，不需要其他检测节点的信息，不需要额外注入信号，本方法具有自具性。但是该方法需要获得各检测点的零序电压。在每个检测点安装零序TV不仅增加投资，TV产生的接地点也易成为系统的安全隐患。因此，该方法一直未获得实际应用。

1.3.2 主动式定位方法

（1）“S”注入法

“S”注入法是在故障发生后，利用信号注入装置通过母线处安装的电压互感器向接地线路注入特定频率的电流信号。注入信号会沿着故障线路故障相经接地点注入大地，用信号探测器检测每一条线路，有注入信号流过的线路被选为故障线路。选出故障线路后，手持探测器沿线查找，利用信号寻迹原理即可确定故障点的位置。

该方法在现场应用中有一定的效果，且不受消弧线圈的影响，不要求线路上装设零序电流互感器。其缺点在于：注入信号的强度受电压互感器容量限制；接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给故障定点带来干扰；如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续，给检测带来困难。该方法沿线寻找故障点花费时间较长，有可能在此期间引发系统的第2点接地，造成线路自动跳闸。该方法不能检测瞬时性和间歇性接地故障。

（2）中电阻法

中电阻法是在接地故障发生后，人为在系统中性点投入一中值电阻，在故障线路故障相与系统母线间形成一人为的故障工频电流，故障线路故障点上游可以检测到此故障电流，而故障点下游和非故障线路检测不到此故障电流，通过检测此工频电流就可以实现线路接地故障的定位。

该方法人为增大了接地故障电流，使得接地点容易检测，目前与消弧线圈配合使用，得到了比较理想的效果。但该方法所需的中性点电阻设计困难，所需投资较高，且人为增大了接地电流，增大了系统安全隐患和对通信系统的干扰，也不利于人身安全。该方法也不能检测瞬时性和间歇性接地故障。

（3）交直流综合注入法

由于定位的可靠性与所注入的信号的频率成反比，且与接地电阻的大小、故障点后线路长度有关。交直流综合法定义了电阻-长度积，即接地电阻与线路长度的乘积，用该量表示定位的有效范围。当电阻-长度积较小时，采用60Hz交流信号注入法；当实际的电阻-长度积较大时，采用直流信号注入法。故障定位方法与“S”注入法和中电阻法相同。

采用60Hz信号注入法相比于前述220Hz信号注入法（“S”注入法），其作用范围可以增加3倍以上，提高了定位的有效性。直流注入信号在线路中没有衰减，不怕线路有分支，不受故障点接地电阻、线路分布电容的影响。但是直流信号的检测比较麻烦，需要检测人员通过登杆、将具有一定长度绝缘杆的直流检测器挂于线路之上，且所加入的直流信号的电压很高，具有一定的危险性。实际应用中电阻-长度积计算困难。同样，该方法也不能检测瞬时性和间歇性接地故障，故障定位时间长，费时费力。