《工程成果》（Results in Engineering）發(fā)表一項(xiàng)研究，提出一種基于距離繼電器的保護(hù)策略，可同時(shí)檢測(cè)并定位地下配電網(wǎng)中的早期故障與故障。該方法僅需變電站單端的電壓和電流測(cè)量數(shù)據(jù)，無(wú)需額外傳感器或大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)集。

地下電纜網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生持續(xù)性短路前常出現(xiàn)絕緣缺陷、接頭受潮或電樹(shù)枝化等引發(fā)的短暫自熄電弧，即早期故障。此類事件僅持續(xù)幾分之一工頻周期（通常四分之一至半周波），傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)難以響應(yīng)，但其發(fā)生頻率上升往往是電纜徹底失效的前兆?，F(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)多針對(duì)架空線路的故障設(shè)計(jì)，面對(duì)地下網(wǎng)絡(luò)高并聯(lián)電容、負(fù)載不平衡及早期故障瞬時(shí)性的特點(diǎn)，往往漏報(bào)率高或缺乏定位能力。

該方案基于故障饋線的時(shí)間域數(shù)學(xué)建模。作者將地下屏蔽電纜等效為集總參數(shù)電路，通過(guò)克倫縮減法將其簡(jiǎn)化為三相域模型。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，策略在繼電器測(cè)點(diǎn)將故障期間電流減去故障前電流，提取故障分量。該疊加分量法假設(shè)在極短觀測(cè)窗口內(nèi)負(fù)荷電流與非故障相電流基本不變。由此建立的方程關(guān)聯(lián)了故障相電壓與線路電阻、電感及電弧電壓幅值三個(gè)未知數(shù)。作者采用非負(fù)加權(quán)Zui小二乘估計(jì)器求解超定線性方程組，非負(fù)約束確保參數(shù)符合物理意義，權(quán)重設(shè)定考慮了瞬態(tài)下約10%的儀表誤差。該方法對(duì)采樣率要求極低，Zui低僅需每60赫茲周期32個(gè)采樣點(diǎn)，兼容現(xiàn)有老舊保護(hù)裝置。

檢測(cè)邏輯借鑒傳統(tǒng)輸電系統(tǒng)使用的距離保護(hù)原理。估算的相阻抗被映射至多邊形繼電器特性曲線，該曲線比導(dǎo)納型特性更靈活，能更好適應(yīng)高阻故障且不易受負(fù)載侵入誤動(dòng)影響。對(duì)于故障，阻抗軌跡進(jìn)入I區(qū)并保持直至清除；對(duì)于早期故障，軌跡短暫進(jìn)入保護(hù)區(qū)域后迅速返回正常區(qū)。策略將阻抗比對(duì)與計(jì)時(shí)器結(jié)合，計(jì)時(shí)器按典型早期故障持續(xù)時(shí)間校準(zhǔn)，匹配時(shí)發(fā)出告警而非跳閘。

研究在巴西南部一條實(shí)際運(yùn)行的13.8千伏地下配電網(wǎng)饋線（East Private 1）上進(jìn)行了驗(yàn)證。該饋線通過(guò)ATP/EMTP軟件建模，包含9個(gè)負(fù)荷母線、4條三相分支及XLPE主纜。研究模擬了80個(gè)不同電弧電壓參數(shù)的早期故障場(chǎng)景、80個(gè)匹配的故障場(chǎng)景，以及20個(gè)使用簡(jiǎn)單線性電阻模型的故障案例，另設(shè)45個(gè)無(wú)故障事件（含電容器組投切、負(fù)載在至180%額定值間波動(dòng)及諧波畸變）以測(cè)試抗干擾能力。結(jié)果顯示，約93%的早期故障場(chǎng)景被成功檢測(cè)，即使在Zui低采樣率下正確識(shí)別率仍達(dá)95%。故障檢測(cè)率約90%，在線性電阻模型下升至。在全部215個(gè)評(píng)估事件中，總體分類準(zhǔn)確率為85.6%；在保護(hù)范圍內(nèi)的136個(gè)內(nèi)部故障中，繼電器觸發(fā)131次，檢測(cè)有效性達(dá)96.3%。保護(hù)范圍外的79個(gè)事件中，僅2個(gè)（2.5%）被誤判為內(nèi)部故障。

該方法的主要局限在于系統(tǒng)性欠覆蓋：估算的視在阻抗普遍略高于實(shí)際故障阻抗，尤其在保護(hù)區(qū)邊界附近。作者歸因于四項(xiàng)累積建模簡(jiǎn)化，包括忽略故障前壓降、窄時(shí)間窗內(nèi)準(zhǔn)恒定電弧電壓假設(shè)、Zui小二乘估計(jì)器的靜態(tài)參數(shù)假設(shè)以及非故障相不變假設(shè)。距離估算誤差印證了這一偏差。早期故障平均誤差為-2.34%，平均高估94.02米，平均誤差3.80%；故障平均誤差為-5.53%，平均高估222.24米，誤差分布在-1.34%至-12.74%之間。基于方差的敏感性分析顯示，早期故障下電弧時(shí)間常數(shù)主導(dǎo)估算電抗，采樣率對(duì)估算電阻影響Zui大；故障下所有因素對(duì)電抗均顯著，但對(duì)電阻均不顯著。作者強(qiáng)調(diào)，這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果僅反映測(cè)試因子水平內(nèi)的敏感性，不可直接解讀為因果關(guān)系。

在選擇性方面，負(fù)載變化下的27個(gè)阻抗點(diǎn)、所有諧波注入場(chǎng)景及電容器投切事件均位于保護(hù)區(qū)域之外，實(shí)現(xiàn)正確判別且無(wú)誤跳閘。即使產(chǎn)生Zui低估算阻抗的Zui關(guān)鍵電容器投切暫態(tài)也遠(yuǎn)離繼電器動(dòng)作特性。作者指出，未來(lái)主要研究方向是拓展至逆變器型分布式能源高滲透率的網(wǎng)絡(luò)，因其會(huì)改變故障電流特征與電壓分布，當(dāng)前公式尚未涵蓋。此外，結(jié)合解析模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)殘差技術(shù)的混合方法，有望提升在噪聲測(cè)量下對(duì)低幅值非平穩(wěn)故障信號(hào)的靈敏度。

資料來(lái)源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-27。本文為資料編譯。