2022, Vol. 40
2. 中国地质大学，武汉 430074
2. China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
中性点不接地系统是小电流接地系统中一种常见的中性点运行方式，多用于35 kV及以下电压等级的配电网中[1-3]。中性点不接地系统在实际运行中由于馈线数量多、地理环境复杂，其故障发生概率远远大于110 kV及以上电压等级的中性点直接接地系统[4-5]，又因为中性点不接地系统所处的配电网网架结构与主网对比相对薄弱，当馈线发生故障导致开关跳闸时，大概率会损失部分负荷影响电网经济运行，因此研究分析中性点不接地系统短路故障对实际配电网的安全稳定运行具有重要意义。
当线路发生故障时，中性点不接地系统运行特点是：当系统发生单相接地故障时，故障线路与接地点之间不能构成短路回路，流过接地点的故障电流主要是电容电流，并且系统馈线越多，流过故障线路的电容电流越大。为防止故障扩大，必须尽快确定故障线路并予以切除，但因为此时故障电流远小于负荷电流，且三相线路线电压保持不变，负荷侧仍然可以继续运行1~2 h[6-7]。之后系统进入非正常运行状态，系统在接地点容易产生一种不稳定的间歇性接地电弧而引起幅值较高的弧光接地过电压，弧光过电压持续时间长对电网中绝缘薄弱的设备威胁较大，若不能及时找到接地点，长时间带故障运行将造成系统两点或多点接地[8]，此时若绝缘薄弱的设备击穿或线路上有其他点接地，系统会由单相接地故障发展成为多相接地故障[9]。若中性点不接地系统的两个接地点不在同一并联线路且不是同一相别，则此故障称为中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障。
由于中性点不接地系统单相接地短路故障比例占总故障80%以上[10-12]，大量文献重点就单相接地短路故障发生机理[13-16]及故障诊断[17-20]方法展开分析。文献[13]基于产生的暂态电压、电流获取停电线路的频率响应建立不同故障性质下停电线路的频域特性，文献[14]和文献[15]建立接地点电弧存在情况下的电气量的特征差异模型，文献[16]研究分析了10 kV系统发生单相触树接地故障时的零序电压、电流随时间的变化规律，文献[17]利用零序网络以及线路分布参数的象函数模型构建了象函数下的线路单相接地故障测距方程，文献[18]基于改进视在阻抗提出一种能够适应配电网非均匀线路参数条件的故障定位方法，文献[19]通过工程实例阐述对后台暂态信号综合分析诊断的实际效果。
上述文章从不同方面对中性点不接地系统单相短路接地故障进行了研究，但极少有文章对中性点不接地系统中单相短路接地后故障发展为两点或多点接地故障展开研究。文献[20]通过PSCAD/EMTDC软件对小电流接地系统不同情况下两点接地故障进行了仿真验证得到了故障时相电压、零序电压和零序电流的特征；文献[21]分析了一起中性点不接地系统中因单相接地故障造成非故障相电压升高引发系统多点接地短路故障的事例，并对故障发展扩大的原因进行了探讨和分析。以上两篇文章仅从故障案例和仿真上对两点接地故障展开分析，并未从理论上建立中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障模型。
本文根据中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障模型建立等值电路图，基于对称分量法对故障模型下的状态量进行理论分析，结合某110 kV变电站内由单点接地发展为并联线路异名相多点接地的故障实例，分析研究故障录波图及继电保护装置的动作行为，辨识电气量的变化特征，并通过搭建仿真模型对故障特征进行验证，得出的故障发展机理和特征规律对电力系统事故分析及事故防范具有指导意义。
1 理论分析 1.1 故障模型某110 kV变电站35 kV中性点不接地系统故障模型如图 1所示，假设该系统有多条并联线路，且异名相两点接地故障发生进程为：某时刻线路2上发生L2相接地故障，一段时间后，线路1上发生L3相接地故障，故障由L2相单点接地故障发展为并联线路异名相L2L3相两点接地故障。
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| 图 1 系统故障模型 Figure 1 Fault model of the system 图中：IL3—线路1 L3相故障电流；IL2—线路2 L2相故障电流。 |
中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障等值电路如图 2所示。根据基尔霍夫定律，流经线路1的故障电流II与流经线路2的故障电流IⅡ数值相等、方向相反，电源回路中的电流IG为两条故障线路中故障电流的相量和。
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| 图 2 等值电路图 Figure 2 Equivalent circuit diagram 图中：IG、II、IⅡ—流经电源点、线路1、线路2的电流；ZG、ZI、ZⅡ—电源点、线路1、线路2阻抗；R1、R2—线路1、线路2接地电阻。 |
以系统故障特殊相L1相为基准相，利用对称分量法对故障电气量进行分解，则k2故障点处L1相的各序电流可用公式（1）表示。
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(1) |
式中：IⅡa0、IⅡa1、IⅡa2分别为线路2的L1相电流的零序、正序、负序分量；Ib为线路2 L2相故障电流；a为向量旋转因子，a=ej120°。
因为IL3 = -IL2，故k1故障点处的各序电流可用公式（2）表示。
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(2) |
式中：IIa0、IIa1、IIa2分别为线路1的L1相电流的零序、正序、负序分量；Ic为线路1 L1相故障电流。
电源回路中的各序电流可用公式（3）表示。
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(3) |
式中：IGa0、IGa1、IGa2分别为电源回路的L1相电流的零序、正序、负序分量。
假设线路的正序阻抗等于负序阻抗，列出图 2所示等值电路的各回路的电压方程。回路O-M-G1的正、负序电压方程可分别通过公式（4）和（5）表示，回路O-M-G2的正、负序电压方程可分别通过公式（6）和（7）表示，回路G1-M-G2的零序电压方程可通过公式（8）表示。
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(4) |
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(5) |
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(6) |
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(7) |
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(8) |
式中：Ea为电源等值电动势；Ua1（G1）和Ua2（G1）分别为线路1接地点G1对大地的正序和负序电动势；ZG1和ZG2分别为等值电源正序和负序阻抗；ZI1和ZI2分别为线路1的正序和负序阻抗；R1为线路1与短路点k1间接地电阻；Ua1（G2）和Ua2（G2）分别为线路2接地点G2对大地的正序和负序电动势；ZⅡ1和ZⅡ2分别为线路2正序和负序阻抗；R2为线路2与短路点k2间接地电阻；Ua0（G1）和Ua0（G2）分别为接地点G1和G2零序电动势；ZI0和ZⅡ0分别为线路1和线路2的零序阻抗。
将式（4）—（8）相加，且考虑到G1点和G2点都是地电位，满足公式Ub(G2) =Uc(G1)（Ub(G2)、Uc(G1)分别为线路1的接地相L3相、线路2的接地相L2相接地点电位），解得IⅡa0可用公式（9）表示。
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(9) |
由此可得故障点处的电流和电压表达式，故障电流如公式（10）所示，故障点k1处故障电压如公式（11）所示，故障点k2处故障电压如公式（12）所示。
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(10) |
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(11) |
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(12) |
某变电站35 kV线路1和35 kV线路2挂35 kV 1号母线运行，35 kV 1号母线、2号母线并列运行，在某日15：00：44：053时刻线路1发生L3相接地故障，导致中性点偏移，故障相L3相电压下降，非故障相L1相和L2相电压升高；15：15：20：285时刻，线路2的L2相出线电缆绝缘薄弱点击穿导致线路2的L2相接地；15：16：44.102时刻，线路2开关保护装置电流Ⅱ段动作；15：16：44.241时刻，线路2开关跳开。故障期间，保护报装置动作报文见表 1，故障录波装置频繁报3U0越限启动录波，具体报文见表 2。
| 表 1 保护装置动作报文 Table 1 Action message of protection device |
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| 表 2 故障录波装置录波启动报文 Table 2 Recording start message of fault recorder |
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故障时，线路1和线路2保护装置故障录波电流波形分别如图 3、图 4所示，两条线路的故障录波电压波形如图 5所示。
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| 图 3 线路1保护装置故障录波电流波形 Figure 3 Fault recording current waveform of protection device for line 1 protection device |
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| 图 4 线路2保护装置故障录波电流波形 Figure 4 Fault recording current waveform of protection device for line 2 protection device |
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| 图 5 线路1和线路2保护装置故障录波电压波形 Figure 5 Fault recording voltage waveform of protection device for line 1 and line 2 protection device |
图 3—图 5中，紫色虚线之前为系统故障发展的第一阶段：线路2的L2相金属性接地、线路1的L3相经过渡电阻（高电阻）接地。从图 3和图 4可以看出，此时由于接地电阻大，故障相电流增加较小（其中，线路2的L2相电流的有效值增大约为0.58 A，线路1的L3相电流的有效值增大约为0.435 A）；从图 5可以看出，尽管此时系统两相都接地，但由于线路2的L2相为金属性接地，系统母线L2相电压降低至接近0，L1相和L3相电压仍被抬高至105 V左右。
紫色与红色虚线中间为系统故障发展的第二阶段：线路2的L2相金属性接地、线路1的L3相经过渡电阻（低电阻）接地。从图 3和图 4可以看出，此时由于接地电阻变小，故障相电流突然变大（其中，线路2的L2相电流的有效值增加约为7.5 A，线路1的L3相电流的有效值增加约为10 A）；从图 5可以看出，此时系统母线电压仍表现为L2相电压降低至接近0，L1相电压被抬高至105 V左右，L3相电压被抬高至91 V左右。
红色虚线之后为系统故障发展的第三阶段：线路1的L3相经过渡电阻（低电阻）接地，线路2的开关跳开。从图 3和图 4可以看出，线路2开关跳开后，电流突降至0 A，线路1的L3相电流的有效值降低至1.8 A；从图 5可以看出，此时系统母线电压L2相恢复，但由于线路1的L3相仍然经过渡电阻（低电阻）接地，L3相电压降低至48 V左右，而L1相和L2相电压被稍微抬高（其中，L1相电压被抬高至110 V左右，L2相电压被抬高至70 V左右）。
故障录波装置所录主变压器35 kV侧电压波形如图 6所示，图中红色虚线之前系统为线路2开关未跳开时的系统三相电压及开口三角电压3U0波形，可以看出，在线路2的L2相金属性接地、线路1的L3相经过渡电阻接地时，系统开口三角电压有效值达到100 V左右；线路2开关跳开后系统L2相接地故障被隔离，在系统仅有线路1的L3相经过渡电阻接地时，35 kV母线L3相电压恢复至43 V左右，L1相电压升高至90 V左右，L2相电压升高至65 V
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| 图 6 故障录波装置所录主变压器35 kV侧电压波形 Figure 6 Voltage waveform at 35 kV side of the main transformer recorded by fault recorder |
查询现场继电保护装置定值单，得到线路1的保护用TA变比为600/5，其主保护电流Ⅰ段定值是9.5 A，动作时间为0 s；线路2的保护用TA变比为800/5，线路2的主保护电流Ⅱ段定值是8.5 A，动作时间为0 s，现场核对继电保护装置运行定值与定值单无误。对于35 kV电压等级线路，电流Ⅰ段定值段定值整定不同。
故障前后流经线路1和线路2的电流如表 3所示（其中线路2的录波值乘以
| 表 3 故障前后流过线路1和线路2的电流对比1） Table 3 Current comparison of line 1 and line 2 before and after fault |
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由于故障前线路中TA流过的电流为负荷电流，故障时线路中TA流过的电流为负荷电流与故障电流之和，因此在假设故障前后负荷电流不变的情况下，线路发生故障时从接地点G1流至接地点G2的电流实际为故障时线路中TA流过的电流减去故障前线路中TA流过的负荷电流。经过计算可得到故障时线路2和线路1流至大地电流一次值分别为1092∠-105° A和1 090.2∠75° A，两者大小近似相等，方向相反。实际上在不考虑负荷电流时，系统短路电流流过的路径如图 7中黄线所示，具体为线路1经短路点k1经电阻R1经接地点G1经接地点G2经电阻R2经线路2短路点k2，最后经主变压器中性点回到线路1。因此，故障期间流过线路2的L3相电流与流过线路1的L2相电流大小相等、方向相反，与上述分析结果一致。
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| 图 7 短路电流流过的路径 Figure 7 Path through which short⁃circuit current flows |
利用Simulink建立一个110 kV电力网络仿真模型，其35 kV侧为中性点不接地系统，具体如图 8所示。在仿真模型中，电源模块采用“Three-Phase source”模型，输出线电压为35 kV，内部采用Y形联结方式，有2条35 kV馈线，线路为空载，采样时间设置为0.000 168 s，仿真结束时间设置为0.5 s，线路1在0.25~0.4 s发生L3相短路接地故障，线路2在0.05~0.4 s发生L2相短路接地故障。为模拟故障实例，模型中设置线路1为经过渡电阻接地，其过渡电阻为300 Ω；线路2为金属性接地，其过渡电阻为0。
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| 图 8 110 kV电力网络仿真模型 Figure 8 Simulation model of 110 kV power grid 图中：V-I-1和V-I-2分别为线路1和线路2的电压电流测量模块；Ia1、Ib1、Ic1分别为线路1的L1、L2、L3三相电流；Ia2、Ib2、Ic2分别为线路2的L1、L2、L3三相电流；Ua1、Ub1、Uc1分别为线路1和线路2所在母线的L1、L2、L3三相电压。 |
运行仿真模型，得到系统三相对地电压波形如图 9所示，线路1三相电流波形如图 10所示，线路2三相电流波形如图 11所示，线路零序电流波形如图 12所示，线路零序电压波形如图 13所示。
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| 图 9 系统三相对地电压波形 Figure 9 Three phase to ground voltage waveform |
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| 图 10 线路1三相电流波形 Figure 10 Three phase current waveform of line 1 |
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| 图 11 线路2三相电流波形 Figure 11 Three phase current waveform of line 2 |
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| 图 12 线路零序电流波形 Figure 12 Zero sequence current waveform of fault line |
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| 图 13 线路零序电压波形 Figure 13 Zero sequence voltage waveform of fault line |
从图 9可以看出，线路2在0.05 s发生L2相金属性接地故障时，故障相L2相对地电压由正常时20 kV左右突变为0 V，非故障相L1相和L3相对地电压由正常时20 kV左右抬升至35 kV左右；从图 13可以看出，系统零序电压在线路2发生L2相金属性接地故障后由0 V升高至60 kV左右。图 9中仿真所得的系统三相电压的变化趋势与故障实例图 5中系统三相电压的变化趋势基本一致，图 13中仿真所得的系统零序电压的变化趋势与故障实例图 6中系统零序电压的变化趋势基本一致。
从图 10和图 11可以看出，在0.05 s线路2发生L2相金属性接地故障后，线路2的故障相L2相流过的电流为非故障相电容电流之和，其非故障相L1相和L3相流过的电流为本相别的电容电流，此时故障电流并未明显增大，在图 12中可以看出此时流经线路1和线路2的零序电流较小，因此在故障实例中当系统仅发生单相接地时，故障线路的保护装置因为感受到的电流没有达到自身继电保护装置定值不会动作。而在0.25 s线路1接连发生L3相接地故障后，故障电流流经线路1接地点、线路2接地点、主变绕组构成短路回路，故在0.25 s之后，线路1故障相L3相电流急剧增大，线路2故障相L2相电流急剧增大，两者幅值大小相等、方向相反，而非故障相电流变化不大，在图 12中可以看出此时流经线路1和线路2的零序电流较大。
4 结论本文基于对称分量法建立中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障模型，通过故障实例及仿真验证得到以下结论：
（1）中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障发生前为系统单相接地，故障电流小，保护装置不会动作；
（2）中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障的主要特征是：接地两相线路故障电流大小相等、方向相反，零序电流大小相等、方向相反；
（3）中性点不接地系统并联线路异名相两点接地故障时，非故障相电压及过渡电阻大的接地相电压都会被抬高，对电气设备绝缘水平要求较高。
| [1] |
韩四满, 菅治邦, 白晨皓, 等. 220 kV变电站35 kV母线失压故障仿真分析[J].
内蒙古电力技术, 2018, 36(2): 43-46 HAN Siman, JIAN Zhibang, BAI Chenhao, et al. Simulation Analysis of 35 kV Bus Voltage Loss Fault in 220 kV Substation[J]. Inner Mongolia Electric Power, 2018, 36(2): 43-46 (  0)
|
| [2] |
戚振彪. 中性点不接地系统发生单相断线故障的判据分析及解决措施[J].
电工技术, 2017(12)43-44, 47 DOI:10.3969/j.issn.1002-1388.2017.12.018 ( 0)
|
| [3] |
张林利, 曹丽丽, 李立生, 等. 不接地系统单相断线故障分析及区段定位[J].
电力系统保护与控制, 2018, 46(16): 1-7 ZHANG Linli, CAO Lili, LI Lisheng, et al. Analysis and fault section location of single-phase open fault for ungrounding system[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(16): 1-7 DOI:10.7667/PSPC171178 ( 0)
|
| [4] |
王丙东, 蔡蕾, 董旭, 等. 中性点不接地系统非对称短路故障分析[J].
电力系统保护与控制, 2017, 45(3): 149-153 WANG Bingdong, CAI Lei, DONG Xu, et al. A comprehensive analysis for asymmetrical short - circuit fault of electric power system with neutral-point unground[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(3): 149-153 ( 0)
|
| [5] |
刘昭睿, 齐军, 胡耀东. 风电集中接入对区域电网电压的影响及无功补偿优化配置[J].
内蒙古电力技术, 2015, 33(6): 1-6 LIU Zhaorui, QI Jun, HU Yaodong. Influence to Regional Grid Voltage for Wind Farm Concentrated Integration and Optimal Allocation of Reactive Power Compensation[J]. Inner Mongolia Electric Power, 2015, 33(6): 1-6 ( 0)
|
| [6] |
刘尧华. 中性点不接地系统电压互感器一次侧中性点接地方式分析[J].
仪表技术, 2020(8): 37-39 LIU Yaohua. Analysis of Neutral Grounding Mode of Primary Side of Voltage Transformer in Neutral Ungrounded System[J]. Instrumentation Technology, 2020(8): 37-39 ( 0)
|
| [7] |
董雷, 何林, 蒲天骄. 中性点接地方式对配电网可靠性的影响[J].
电力系统保护与控制, 2013(1)96-101, 141 DONG Lei, HE Lin, PU Tianjiao. Effect of neutral grounding mode on reliability of distribution network[J]. Power System Protection and Control, 2013(1)96-101, 141 ( 0)
|
| [8] |
李大鹏, 张画, 李腾. 基于特征频带小波包分析的小电流接地故障选线研究[J].
东北电力技术, 2012, 33(7)17-19, 26 LI Dapeng, ZHANG Hua, LI Teng. Ground-fault Protection Based on Feature - band Wavelet Packet Analysis for Non-effectively Grounded Power System[J]. Northeast Electric Power Technology, 2012, 33(7)17-19, 26 DOI:10.3969/j.issn.1004-7913.2012.07.005 ( 0)
|
| [9] |
吴凤翔, 顾兆雄. 小电流接地系统两点接地故障仿真分析[J].
上海电力大学学报, 2020, 36(6): 524-528 WU Fengxiang, GU Zhaoxiong. Analysis of the Cross - country Grounded Fault in the Low Current Grounded System[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2020, 36(6): 524-528 DOI:10.3969/j.issn.2096-8299.2020.06.002 ( 0)
|
| [10] |
林延生. 中性点不接地系统单相接地故障的分析与对策[J].
电子技术与软件工程, 2021(11): 209-210 ( 0)
|
| [11] |
彭和平, 端木玉, 栾乐, 等. 不同接线方式调压器对10 kV配电网故障电流的影响[J].
内蒙古电力技术, 2020, 38(5): 63-67 PENG Heping, DUAN Muyu, LUAN Le, et al. Influence of Voltage Regulator with Different Connection Modes on Fault Current in 10 kV Distribution Network[J]. Inner Mongolia Electric Power, 2020, 38(5): 63-67 ( 0)
|
| [12] |
梅照赛, 邹国平, 金佳敏. 中性点不接地系统电容电流测试方法优选研究[J].
浙江电力, 2017, 36(7): 6-10 MEI Zhaosai, ZHOU Guoping, JIN Jiamin. Optimization Research on Capacitive Current Testing Methods for Neutral Point Ungrounding System[J]. Zhejiang Electric Power, 2017, 36(7): 6-10 ( 0)
|
| [13] |
丁芃, 朱珂, 朱裕庆, 等. 基于模型辨识的配电线路永久性故障判定方法[J].
电工技术学报, 2019, 34(5): 1004-1012 DING Peng, ZHU Ke, ZHU Yuqing, et al. Determining the Permanent Fault in Distribution Lines Based on Model Recognition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 1004-1012 ( 0)
|
| [14] |
许晔, 郭谋发, 陈彬, 等. 配电网单相接地电弧建模及仿真分析研究[J].
电力系统保护与控制, 2015, 43(7): 57-64 XU Ye, GUO Moufa, CHEN Bin, et al. Modeling and simulation analysis of arc in distribution network[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(7): 57-64 ( 0)
|
| [15] |
齐郑, 刁春燕, 陈艳波. 配电网快速故障点转移熄弧方法的有效性在线辨识研究[J].
电力系统保护与控制, 2020, 48(11): 69-75 QI Zheng, DIAO Chunyan, CHEN Yanbo. Online identification of the effectiveness of fast fault point transfer arc extinguishing method for distribution networks[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(11): 69-75 ( 0)
|
| [16] |
梁栋, 徐丙垠, 王鹏玮. 10 kV架空导线单相触树接地故障检测方法[J].
电力系统自动化, 2021, 45(14): 149-157 LIANG Dong, XU Bingyin, WANG Pengwei. Detection Method for Tree - contact Single - phase - to - ground Fault of 10 kV Overhead Line[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(14): 149-157 ( 0)
|
| [17] |
唐昆明, 杨伟, 张太勤, 等. 基于Stehfest算法的配网单相接地故障双端测距方法[J].
电力系统保护与控制, 2015, 43(14): 76-83 TANG Kunming, YANG Wei, ZHANG Taiqin, et al. A new two-terminal fault location method for distribution network based on Stehfest algorithm[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 76-83 DOI:10.7667/j.issn.1674-3415.2015.14.012 ( 0)
|
| [18] |
王玲, 邓志, 马明, 等. 基于改进视在阻抗的配电网故障定位方法及其应用[J].
广东电力, 2020, 33(10): 84-93 WANG Ling, DENG Zhi, MA Ming, et al. Distribution Network Fault Location Method and Its Application Based on Improved Apparent Impedance[J]. Guangdong Electric Power, 2020, 33(10): 84-93 ( 0)
|
| [19] |
李伟峰, 张庆波, 叶容慧. 一种基于暂态分析的配电网小电流接地故障远程诊断系统[J].
广东电力, 2015, 28(12): 53-57 LI Weifeng, ZHANG Qingbo, YE Ronghui. Remote Diagnosis System for Small Current Grounding Fault of Power Distribution Network Based on Transient Analysis[J]. Guangdong Electric Power, 2015, 28(12): 53-57 ( 0)
|
| [20] |
吴凤翔, 顾兆雄. 小电流接地系统两点接地故障仿真分析[J].
上海电力大学学报, 2020, 36(6): 524-528 WU Fengxiang, GU Zhaoxiong. Analysis of the Crosscountry Grounded Fault in the Low Current Grounded System[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2020, 36(6): 524-528 DOI:10.3969/j.issn.2096-8299.2020.06.002 ( 0)
|
| [21] |
王钢. 一起单相接地引发系统多点接地故障的原因分析[J].
冶金动力, 2020(11)8-9, 14 WANG Gang. Cause Analysis of Multi - point Grounding Caused by Single - phase Grounding[J]. Metallurgical Power, 2020(11)8-9, 14 ( 0)
|