一 、單相接地保護選線的重要性？

在變電站（所）、開關站和發電廠中，66千伏、35千伏、10千伏、6千伏和3千伏配電線路，是電力系統的主要組成部分。在這些電壓等級的系統中，變壓器和發電機的中性點都采取了不接地或經過消弧線圈、電阻接地的方式進行輸配電。并且在同一電壓等級的母線上又有多條輸出或輸入配電線路相連接，大部分采用鋁（或銅）排架空引出或高壓電力電纜線引出；線路數量一般有五六條、十幾條或二三十條不等；每一條配電線路又有很多分支，按“輻射”狀架設，再與各配電變壓器連接，由配電變壓器降成“低壓”后供給廣大的用戶使用。在這類配電線路中，經常會發生相間短路、過電流（過負荷）和單相接地等故障現象。其中，單相接地的發生率最為頻繁，占系統總故障率的70％以上；短路故障也多為單相接地后演變成多相接地而形成的。
“單相接地”是指配電線路上的A、B、C三相中，任意一相導線發生斷線落地或接觸樹木、建筑物或電線桿、塔倒地與大地之間形成導電回路；以及大氣雷電或其它原因形成過電壓，致使配電設備的絕緣材料遭到破壞后，對地絕緣電阻明顯過低等現象。

由于系統中主變壓器的的中性點不接地或經過消弧線圈、高電阻接地。當在同一母線上有多條配電線路時，無論哪一條發生單相接地，都不能與主變壓器的繞組線圈直接構成回路，線路中不會出現短路和過負荷等大電流現象。僅有線路與大地之間形成的電容電流發生變化，表現為每一條線路中會出現微弱的零序電流。此電流非常小，從幾毫安到幾百毫安或數安培不等，與線路的長度成正比；通常條件下，每公里長的架空線路約為15毫安左右。在電力行業內把這種供電系統稱為：“小接地電流系統”或“小電流接地系統”。

　　在系統中，由于電壓互感器（PT）的一次繞組采用了Y0方式接線與系統的母線相連，當任意一條線路發生單相接地時，在二次繞組的三角開口都有零序電壓產生，可以設定零序過電壓報警；但不能選擇某一條線路。接地時由于非接地相線對地電壓上升可達相電壓的√3倍，當系統再伴隨有鐵磁諧振產生時，就會使相電壓升高1—5倍，甚至更高，形成過電壓，加速了電力設備絕緣材料的老化，縮短了使用壽命，從而導致絕緣設備被擊穿，就會出現兩相或多相同時接地而發生短路事故，加大了電力設備的損壞程度。因此，在電力系統中經常會發生電壓互感器、斷路器爆炸，配電變壓器燒毀，電力電纜和瓷瓶被擊穿等事故。已有的繼電保護或綜合自動化保護裝置中的“短路保護”、“過電流保護”和“零序電流”保護，都屬于大電流啟動保護裝置；單相接地時的小電流不能驅動這類保護裝置動作，因此，不能動作于高壓開關（斷路器）跳閘，故障線路和非故障線路也就不能被隔離。

為了避免事故的擴大，需要及時地把故障線路與非故障線路進行區分。在變電站（所）、開關站或發電廠中，若沒有安裝可靠的“單相接地保護選線裝置”，就需要人工逐次拉閘停電試查才能選擇故障線路，有時甚至要把與母線相連的所有配電線路拉閘停電，才能找出。這樣就會造成無故障線路供電的中斷，導致大面積停電；同時，也增加了高壓開關（斷路器）的動作次數，縮短了使用壽命，降低了供電的可靠性和供電量。而在線路上要查找接地點，還需要把眾多的分支線路與主線路逐次斷開，再用絕緣電阻儀表測量各段或各分支對地的絕緣電阻值，由人工判斷故障點范圍。這一過程非常復雜，工作量很大；為了人身安全，需要設置多種安全措施，要耗費大量的人力、物資和時間，增加了電力工人的勞動強度，同時對人身還具有不安全的隱患。
綜合以上情況說明了：在中性點采用不接地或經過消弧線圈、電阻接地方式供電的系統中，雖然能夠延長單相接地時故障線路跳閘的時間；但是卻導致了其它多條非故障線路供電的中斷，造成了更大范圍的停電以及人民生命財產的安全隱患。

現在國家電監會和電網公司等有關管理部門對供電可靠性的要求越來越高，要求農村電網達到99.8﹪和城市電網達到99.9﹪以上才算合格；對每一條線路每年內因故障而導致拉閘停電的次數和時間也有限制，在有些地區就規定了跳閘次數超過限定指標，每次對相關管理單位或個人罰款200元。
在電力系統中“變電站綜合自動化保護裝置”的應用已經很普及，使許多變電站都已經是無人值班。由于“綜合自動化”在小接地電流系統單相接地保護選線方面的解決方案不夠完善；所以，當發生單相接地時，還不能及時地把接地故障信息準確地上報給調度監控中心，耽誤了線路維護人員對線路故障點的查找和維修處理。曾經在一些地區發生過多起因10KV高壓配電線路發生單相接地后未能及時斷電，導致了在接地點附近活動的其他社會人員觸電死亡的重大事故發生。給供電部門造成了很大的麻煩和經濟損失以及不良的社會影響。

因此，根據國家標準：GB50062-92《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》的要求，在 “小接地電流系統”中，使用準確可靠的單相接地保護選線裝置是提高發展供電系統自動化水平的重要技術措施之一。

二、國內外在這一領域的技術現狀

小接地電流系統單相接地保護選線，是一個世界性的難題；一百多年來在電力生產過程中一直沒有徹底解決。國外在上世紀初期就有許多電力工程技術人員和高等院校對此項目進行過大量的研究，認識度不但深入，技術方案也越來越多，準確率逐步在提高。其中，具有代表性的是德國電力工程師巴赫的“首半波”理論和俄羅斯的“無功功率方向”理論。根據這些理論開發出來的裝置在電力系統中進行了使用，其選線的準確率可以達到50％左右。我國從上世紀80年代起開始研制小電流接地系統單相接地自動選線裝置。雖然起步晚，但是發展速度卻很快，目前已具有世界先進水平。在國內，根據零序電流大小的原理，采用靈敏繼電器以及晶體管電子保護等技術，通過設定零序電流動作值進行保護選線，先后開發出了多種型號的裝置。經過多年的使用其選線的準確率已接近50％。后來，又采用“首半波”理論和晶體管電子技術相結合，生產出了幾種不同規格的選線裝置，在我國電力系統中進行了推廣使用，使選線的準確率比前者又有所提高，可達60％左右。進入20世紀90年代以后，由于單片機在我國得到了普及應用。很多科技型企業開始把這種高科技的微電腦技術應用于本領域；同時，根據華北電力學院許元恒教授提出的：“在中性點不接地（或經消弧線圈接地）的供電系統中，故障線路零序諧波電流的方向與非故障線路零序諧波電流的方向相反” 的理論為依據。先后有多家科研院所和企業開發研制出了小電流接地選線裝置。

此后，山東工業大學的桑在中教授，通過研究提出了 “S注入法”理論。既：通過電壓互感器二次繞組向一次繞組反送電的方法，從低壓側向高壓母線中注入一個250Hz左右的交流電流信號；再對每一條線路中該電流信號的大小進行檢測、對比，最后判斷選擇出故障線路。

“小波分析法”是近年來出現的針對小接地電流系統單相接地保護選線的又一種新方案理論。它的原理是引用了電力系統已使用的“故障錄波器”的基本原理。通過采集記錄單相接地時各線路的高次諧波電流的波形，然后再由電腦軟件分析對比，找出電流波形與其它線路電流波形差別較大的線路，判定為故障線路。根據這種方法研制的裝置已在部分座變電站中進行試用。但是效果仍不理想。選線的準確率不到50%。還有待進一步地試驗和完善。

在變電站綜合自動化微機保護裝置中，對于單相接地保護，大部分采用的原理還是早期的零序電流過電流設定原理。即：在線路保護裝置的單元中增設了零序電流過電流保護；與短路保護和過流保護的原理一樣，靠設定電流的啟動值進行保護選線。這種方式，歷史早已經證明是非常不可靠的。另有一部分綜合自動化微機保護裝置中，雖然配備了獨立的小電流單相接地選線裝置，但是由于選線的可靠性差和元件不配套等多種原因，大部分沒有正常投入使用。還有部分綜合自動化廠家，因裝置中接地選線部分不準確，而擔心用戶對其成套裝置的質量產生懷疑，只好選擇配置其他專業生產單相接地保護選線裝置廠家的產品。由于多種技術原因專業廠家的選線裝置也不可靠，在使用過程中也經常出現誤選。

三、已有技術可靠性差的原因分析

由于主變壓器二次側三相繞組的中性點不接地（或經過消弧線圈、電阻接地），當線路中的任意一相接地時，沒有與變壓器的繞組構成回路（或電阻很大），就不能形成電流（或很小），在故障線路和接地點就不會有大電流流過。僅有線路與大地之間所形成的電容電流，它與線路的長度成正比，10KV的線路每公里約有15mA左右。

影響保護選線準確性的關鍵原因就在于一個“小”。因為接地時的電流很小，從幾毫安到幾十毫安或幾百毫安，最大也只有幾安培，與供電線路中的幾百安培或數千安培的負荷電流相比，相差數千倍或數萬倍；線路中故障時的電流與非故障時的電流相比沒有明顯的區別；又因為很多電流互感器的測量誤差所產生的不平衡電流遠大于接地時的零序電流值，現有的繼電保護和綜合自動化保護等設備，不能區分是故障接地電流還是負荷電流的波動。另外，當接地故障發生時，不僅故障線路對地有電容電流，而非故障線路對地同時也有電容電流，這樣不僅要測量故障線路的電容電流，還要測量非故障線路的電容電流，并要進行區分，難度更大。在一些大型樞紐變電站中，雖然配電線路較多，也比較長，接地時能夠形成較大的電容電流；但是，接地電流較大時，又容易在故障點產生弧光，導致二相或三相線路發生短路事故。因此，國家有關部門明確規定：對于接地電流大于10A的系統，要裝設消弧線圈或電阻。以此來減少接地點的過度電流，避免產生弧光；這樣就使故障線路接地點的電流更小，故障特征更加的不明顯。又因電力系統是強電場和強磁場的環境，干擾信號很大，往往把接地信號給淹沒了；再加上接地時，系統會經常發生鐵磁諧振，改變了故障線路與非故障線路零序電流的方向，采用“零序諧波電流的方向”判斷故障線路的理論被否定。

根據值班人員反映的情況，采用“S注入法”進行保護選線的裝置，導致選線不準確的主要原因是：1、裝置向高壓系統中所能“注入”的信號能量有限，電流太小，與電力系統的大電流相比顯得是微不足道的，實際上變電站的諧波干擾信號比它大的多；2、受供電系統的大小，線路的多少、長短以及母線段運行方式的變化等多種條件制約；3、受故障點接地電阻的影響；當故障點為高電阻接地時，流過故障線路的信號電流就很微弱，其它非故障線路若較長時，反而比故障線路的電流信號還要強許多倍；4、電能損耗很大，在使用過程中造成電壓互感器溫度升高發熱，電能表計量誤差和容易引起其它保護裝置誤動；這種頻率的電流在電力系統中是有害的，對電能的質量產生影響。所以，很多使用過該類型裝置的，現在都已經放棄了，又在尋求新的方法。

由于多種原因，采用1-2種“理論”和方法作為裝置的工作原理和判斷方法，還不能保證保護選線的準確性。目前，盡管國內外已有很多企業和科研院所，開發生產了多種類似的保護選線裝置，但可靠性都不高。準確率能夠達到90﹪以上的裝置為數還很少。還需要更多的企業和科技人員努力探索。