4. 故障稳态与暂态特征
配电网单相接地故障发生后，线路上可观测到的电气量并不是单一形态，而是由故障点过渡过程、系统对地电容充放电、消弧线圈补偿作用以及线路自身分布参数共同塑造的多时间尺度信号。定位装置能否选对信号、取对频段、设对阈值，直接决定后续算法是否有效。因此，理解零序电压、零序电流、五次谐波、首半波和行波这几类信号的来源与特征，是接地故障定位的物理基础。
一、零序电压：故障发生的“总开关”信号
在中性点非有效接地系统中，正常运行时三相对地电压基本对称，零序电压近似为零。当某相发生金属性接地，该相对地电压被钳制到接近零，中性点对地电压抬升，开口三角绕组或母线PT的零序电压3U0随之出现。对于中性点不接地系统，故障后零序电压幅值接近相电压；对于经消弧线圈接地系统，由于电感补偿，零序电压幅值会略低，但依然显著。
零序电压的核心价值在于“启动判据”。工程中常以3U0超过整定值（例如15V二次值，对应一次侧约相电压的30%～40%）作为接地故障启动条件。它不直接指示故障位置，但能可靠回答“是否发生了接地”以及“故障相是哪一相”。需要注意，零序电压来自母线PT开口三角，其极性约定为：开口三角输出正端对应中性点电压升高方向。全文及图示均以“母线指向线路”为正方向，零序电流由母线流向线路为正。
二、零序电流：稳态幅值与方向的双重信息
零序电流的来源是故障点与线路对地电容之间的充放电通路。对于中性点不接地系统，故障线路的零序电流等于所有非故障线路对地电容电流之和，方向由线路流向母线；非故障线路的零序电流等于自身对地电容电流，方向由母线流向线路。这一方向差异是稳态选线的基本依据。
零序电流的幅值与线路长度、对地电容、故障点位置有关。一条10kV馈线，若单位长度对地电容约0.005 μF/km，长度10km，则其电容电流约为3×2π×50×0.005×10×10^3×5.77 ≈ 0.9A（示例估算，实际随线路结构变化）。故障线路零序电流为其余线路电容电流之和，通常明显大于非故障线路。但若故障发生在母线附近或线路极短，幅值差异会缩小，此时需借助方向或谐波信息。
三、五次谐波：消弧线圈系统的“破局”信号
消弧线圈按工频电感电流补偿电容电流，使工频零序电流幅值大幅下降，稳态选线变得困难。但消弧线圈对五次谐波（250Hz）呈现的感抗是工频的5倍，而线路对地电容对五次谐波的容抗仅为工频的1/5，因此五次谐波电流几乎不被补偿，仍保持“故障线路谐波电流最大且方向相反”的特征。
五次谐波信号通常从零序电流互感器二次侧提取，经带通滤波或FFT分离。实际处理中，五次谐波含量一般只有基波的百分之几到十几，需要足够高的采样率和动态范围。判断逻辑可归纳为：比较各线路五次谐波零序电流幅值，最大者且相位与其余线路相反者判为故障线路。若幅值差异不明显，可结合五次谐波与基波幅值比进行辅助判断。
四、首半波：暂态初期的极性特征
故障发生瞬间，故障相电压突然下降，线路对地电容通过故障点快速放电，形成高频暂态电流。首半波法利用的是故障后第一个半周内零序电流的极性与零序电压的极性关系。对于故障线路，首半波零序电流方向与零序电压变化率方向满足特定关系；非故障线路则相反。
首半波信号持续时间极短，通常在几百微秒到几毫秒量级，因此对采样率要求较高（建议不低于10kHz）。其优点是响应快、不受消弧线圈影响；缺点是易受噪声和故障初相角影响，当故障发生在电压过零点附近时，暂态幅值很小，可能无法可靠提取。工程中常将首半波作为辅助判据，与稳态或谐波方法配合使用。
五、行波：故障点产生的“雷达”信号
接地故障瞬间，故障点电压突变会产生沿线路传播的电压行波和电流行波，传播速度接近光速（架空线约2.9×10^8 m/s，电缆约1.7×10^8 m/s）。行波在波阻抗不连续处（如母线、分支点、故障点）发生反射和折射。通过测量初始行波到达线路两端的时间差，或检测故障点反射波与初始波的时间间隔，可以计算故障距离。
行波法定位精度高，理论上可达米级，但需要高速采集（MHz级）和精确时间同步。对于配电网多分支、多电缆架空混合结构，行波波头识别和反射波匹配是难点。实际中常采用双端行波测距：d = (L + v·Δt)/2，其中L为线路全长，v为波速，Δt为两端初始行波到达时间差。该式假设两端时钟同步，且故障点位于线路中间某处。
六、信号来源与工程选用
上述信号并非孤立存在，而是同一物理过程在不同频段、不同时间尺度上的表现。零序电压来自母线PT开口三角，零序电流来自线路零序CT或三相CT合成，五次谐波由零序电流经滤波提取，首半波取自暂态初始阶段，行波则由行波耦合器或高频CT捕获。实际定位装置通常同时接入多种信号，按“先启动、再选线、后测距”的顺序处理。
工程选用时可参考以下判断逻辑：若系统为中性点不接地且电容电流较大，优先使用零序电流幅值+方向；若为消弧线圈接地，优先使用五次谐波或首半波；若要求高精度测距且线路结构简单，可引入行波法。多种方法融合时，需注意时间同步和采样率匹配，避免因信号频段不同导致误判。
理解这些信号的来源与特征，才能在定位装置选型、参数整定和故障分析中做出正确判断。下一阶段将结合具体算法，讨论如何从这些信号中提取故障位置信息。