小电阻接地系统高阻接地故障复合选线方法

小电阻接地系统高阻接地故障复合选线方法

王成 ,周柯

湖北中烟工业有限责任公司三峡卷烟厂 湖北宜昌443000

摘 要：小电阻接地系统发生单相高阻接地故障时，保护易拒动。为此，提出一种基于零序电流比值特征的小电阻接地系统故障优化选线方法。首先，分析了小电阻接地系统在接地故障下的零序电流幅相特征，在此基础上，引入线路比值参数表征中性点与线路零序电流幅值比、相角差；进一步地，发现健全和故障线路的比值参数在幅值和相角上存在显著差异，并以此构造优化后的故障选线复合判据；最后，大量仿真结果表明所提选线方法无需引入零序电压，理论上不受过渡电阻的影响，可实现线路电力故障的可靠辨识，提升了接地故障判断的准确性。

关键字：小电阻接地系统；单相高阻接地故障；线路比值参数；故障选线

中图分类号：TM862          文献标志码：A

0引言

现阶段，我国中压配电网中性点运行方式主要包括有中性点不接地方式、中性点经消弧线圈方式以及中性点经小电阻接地方式，三种接地方式具有各自的优缺点和适用范围[1-2]。小电阻接地系统由于具备及时切除接地故障、抑制故障过电压和运行维护方便等优势，得到越来越广泛的应用[3-4]。针对接地故障，目前小电阻接地系统仍沿用定时限零序过电流保护，其保护定值设置较高[5-6]。而配电网常发生导线经绝缘子沿面放电或跌落沙地、草地的高阻接地故障，零序电流可能小于整定值，导致保护拒动[7]。系统带故障运行极易扩大故障范围，影响居民用电和企业生产。

为解决小电阻接地系统高阻故障选线及保护难题，文献[8]根据零序电压可反映过渡电阻大小这一特点，自适应调整零序过流保护定值以提高保护在高阻故障时的可靠性；文献[9]则利用各出线零序功率变化量差异构造故障选线判据；以上保护方法针对高阻故障均有一定适应性，但需同时采集故障发生后的零序电压和零序电流信息，可靠性受零序电压互感器断线的限制。文献[10-11]根据线路零序电流在中性点零序电流上的投影量检测高阻接地故障，耐过渡电阻能力强，无需引进零序电压，但高阻接地故障时，存在误判风险。此外，诸如小波法[12]、伏安特性法[13]、暂态能量法[14]等利用暂态信息的保护方法在小电阻接地系统中已有应用，但高阻接地故障时存在暂态特征复杂多变，暂态分量提取困难等问题。

本文提出一种基于零序电流比值特征的故障优化选线方法。通过建立单相接地故障零序等值网络分析了小电阻接地系统在接地故障下的零序电流幅相特征，在此基础上，引入线路比值参数表征中性点与线路零序电流幅值比、相角差；进一步地，发现健全和故障线路比值参数在幅值和相角上存在显著差异，并以此构造优化后的故障选线复合判据；最后，大量仿真结果验证了该方法的准确性。

1单相接地故障特征分析

典型的10kV小电阻接地方式配电网如图1所示。图1中、、分别为三相电源电动势，、分别为健全线路k(k=1,2…n-1)的单相对地电容和单相对地电导，出线n的A相发生过渡电阻为Rf的单相接地故障，、分别为故障线路n的单相对地电容和单相对地电导。为母线零序电压，中性点接地电阻为Rn，按照国内小电阻接地系统设计惯例，本文取Rn=10Ω。

图1 小电阻接地系统单相接地故障示意图

Fig.1 Diagram of single-phase-to-ground fault in low resistance grounding system

单相接地故障情况下，由于线路阻抗远小于线路对地容抗，为便于分析，论文忽略线路阻抗的影响。因此，图1所示系统对应的单相接地故障零序等值网络如图2所示。图2中，为故障点虚拟电源，，为故障相的电源电压。

图2 小电阻接地系统单相接地故障零序等值网络

Fig.2 Zero-sequence equivalent network of single -phase-to-ground fault in low resistance grounding system

由图2可知，小电阻接地系统零序等效阻抗为：

(1)

式中：和分别为系统出线单相对地电容和单相对地电导的总和；为系统出线的对地电纳，10kV配电网系统对地电容电流一般不超过200A[15]，则；为线路阻尼率，绝缘正常时一般为2%~4%，当线路绝缘老化时可增大至10%[15]。

根据串联分压原理，母线零序电压满足：

(2)

健全线路零序电流为该线路对地电容电流和对地电导电流相量和。

(3)

式中：和分别为健全线路k的对地电纳和阻尼率；10kV配电网系统单条线路对地电容电流一般不超过50A[21]，则。

中性点零序电流为中性点接地电阻上流过的阻性电流。

(4)

根据基尔霍夫电流定律，故障线路零序电流为：

(5)

对于含有多条出线的配电网系统，可以将式(5)进一步写为：

(6)

分析式(2)、(3)和(6)可知，小电阻接地系统过渡电阻越大，零序电压和线路零序电流越小。当发生高阻接地故障时，传统零序过电流保护可能拒动而无法快速切除故障线路。

2故障选线方法

针对过渡电阻偏大导致传统零序过电流保护拒动的问题，本文提出一种基于零序电流比值特征的故障优化选线方法。通过观察式(3)、(4)、(6)发现，中性点与各线路零序电流都与零序电压成正比，而零序电压又受过渡电阻的影响，不妨考虑将中性点与各线路零序电流作比，消去零序电压，从而避免过渡电阻对故障选线的干扰。

2.1 故障选线原理

为进一步分析中性点与各出线零序电流的比值特征，引进线路比值参数(j=1,2…n)，该参数可表征中性点与所有线路零序电流的幅值比和相角差。所以由式(3)、(4)和(6)可得健全线路比值参数、故障线路比值参数和分别为：

(7)

(8)

对式(7)进行分析，并结合式中各参数所处范围，可知的幅值和相角满足的范围为：

(9)

对式(8)进行分析，并同样结合式中各参数所处范围，可知的幅值和相角满足的范围为：

(10)

分析式(9)和(10)，明显发现健全线路比值参数、故障线路比值参数在幅值和相角上所处范围不同，具有明显界限，可据此构造综合幅值、相角差异的复合选线判据进行接地故障选线。

另外，需要说明的是，当发生母线单相接地故障时，此时并不存在故障线路，所有线路都为健全线路，因此，所以线路零序电流比值参数同对健全线路比值参数的分析保持一致。

2.2 故障选线和启动判据的整定

通过健全线路、故障线路的比值参数在幅值上存在显著差异，构造选线第一判据。考虑到各种误差，需要选择合适的选线判据，以确保充足裕度，用于保证选线结果的可靠性。鉴于健全线路比值参数幅值最小值为11.44，而故障线路比值参数幅值最大为1，所以可取两个边界的中间值作为判据门槛值。

(11)

因此，选线第一判据为：当系统发生单相接地故障后，采集中性点与各线路零序电流的幅值信息，计算各线路比值参数的幅值。当时，则判定为故障线路，当时，则判定为健全线路。

进一步地，通过健全、故障线路比值参数在相角上存在显著差异，构造选线第二判据。根据式(9)、(10)，利用线路比值参数相角差异的的选线判据示意图如图3所示。

图3 利用线路比值参数相角差异的选线判据

Fig.3 Line selection criterion based on phase angle difference of line ratio parameter

图3中，当线路比值参数相角落在红色斜划线阴影部分，即区间时，判定为故障线路；当线路比值参数相角落在绿色方框线阴影部分，即区间时，判定为健全线路。当系统发生高阻接地故障时，健全线路零序电流过小，以及工程中零序电流互感器固有的传变误差，这都将造成线路零序电流相位无法精确测量，为进一步提高选线结果的抗量测误差性能，借鉴文献[16]的思路采用一种优化后的利用线路比值参数相角差异的选线判据。因为健全线路比值参数的相角、故障线路比值参数的相角分别所对应的范围在坐标空间上不重合，不妨以过原点的角平分为界，将图3中的空白区域均分给与其相邻的2个判据区间[16]，从而得到优化后的利用线路比值参数相角差异的故障选线判据如图4所示。

因此，选线第二判据为：当系统发生单相接地故障后，采集中性点与各线路零序电流信息，计算各线路比值参数的相角。若线路比值参数相角范围满足区间时，判定为故障线路，若线路比值参数相角范围满足区间时，判定为健全线路。

综合选线第一、第二判据，可以得到基于零序电流比值特征的小电阻接地系统故障选线复合判据为：

(12)

图4 优化后的利用线路比值参数相角差异的选线判据

Fig.4 Optimized line selection criterion based on phase angle difference of line ratio parameter

当且仅当某线路比值参数的幅值和相角满足式(12)时，该线路才被判定为故障线路。本文所提故障选线复合判据，极大程度的削弱了因高阻接地故障导致线路零序电流过小所带来的测量误差以及其它各种误差的影响，留有充足裕度，理论上不受过渡电阻影响，充分保证故障选线的可靠性。

此外，考虑到配电网发生单相接地故障时，必然会导致中性点零序电流的大小发生改变。因此可以采用中性点零序电流突变作为选线启动判据，选择该判据可有效躲过系统正常运行时因三相参数不平衡引起的中性点零序电流，具体整定如下：

(13)

式中：为中性点零序电流突变量的幅值，为正常运行时，因三相参数不对称产生的中性点零序电流，为故障发生后中性点零序电流；为突变量的整定值，具体设置可以根据需要感知过渡电阻能力的大小进行灵活设置。

2.3 故障选线处理流程

综上所述，基于零序电流比值特征的小电阻接地系统故障选线方法处理流程如图5所示。

图5 故障选线处理流程

Fig.5 Flow chart of fault line selection

具体步骤为：

步骤1：实时监测中性点零序电流，当其突变量时，故障选线装置启动。

步骤2：提取中性点和所有出线零序电流

、。

步骤3：计算中性点与线路零序电流比值参数，并提取其幅值和相角。

步骤4：若，继续执行下一步，否则判定为健全线路。

步骤5：若，判定为故障线路，否则判定为健全线路。

3仿真验证

为验证所提故障选线方法的有效性，利用Matlab/simulink仿真平台搭建10kV小电阻接地系统仿真模型如图6所示。该系统共设置4回出线，其中线路L1和L3为电缆线路，线路L2和L4为电缆-架空混合线路，中性点接地电阻Rn=10Ω，线路阻尼率统一设置为3.5%，通过对线路添加相对地电阻实现，各线路长度均已在图中标出。

图6 小电阻接地系统仿真模型

Fig.6 Simulation model of a low resistance grounding system

各线路的具体线路参数如表1所示。

表1 线路仿真参数

Tab.1 Simulation parameters of feeders

在电缆线路L4距馈线出口8km处设置0.06s时发生过渡电阻为500Ω的单相接地故障单相接地故障，依据图5的故障选线流程，得到该种情形下的中性点与线路零序电流波形如图7所示。

图7 中性点与线路零序电流

Fig.7 Neutral point zero sequence current and line zero sequence current

由图7可知，中性点与故障线路零序电流幅值近似相等，中性点与健全线路零序电流幅值存在显著差异；中性点与故障线路零序电流近似反向，而中性点零序电流相位滞后健全线路零序电流相位大约90°。

进一步地，图8和图9分别给出了在这种故障工况下的各线路比值参数的幅值和相角。

图8 线路比值参数的幅值

Fig.8 Amplitude of line ratio parameter

图9 线路比值参数的相角

Fig.9 Phase angle of line ratio parameter

从图8和图9可看出，故障线路L4比值参数幅值、相角的仿真结果分别为、，健全线路L1比值参数幅值、相角的仿真结果分别为、（其余仿真结果见表2），将各线路比值参数的幅值、相角代入式(12)所示的故障选线复合判据，发现故障线路比值参数幅值、相角符合复合判据所示区间，且留有充足的裕度，因此可靠判断线路L4为故障线路。

同时，当故障线路L4发生不同过渡电阻单相接地进行了仿真，选线结果如表2所示。从表中可以看出，随着过渡电阻的增大，各线路比值参数的幅值和相角保持不变，同时，健全线路比值参数幅值和相角均不满足式(12)所示故障选线复合判据，而故障线路比值参数幅值和相角均满足故障选线复合判据。仿真验证了本文所提选线方法在不同过渡电阻接地情况下均能准确选线。

表2 不同过渡电阻下的选线结果

Table2 Line selection results under different transition resistance

4结  语

为解决小电阻接地系统难以有效应对高阻接地故障选线的问题，本文提出了一种基于零序电流比值特征的小电阻接地系统高阻接地故障复合选线方法，具体结论如下：

1）中性点与故障线路零序电流幅值比、相角差分别位于区间(0.92,1)、(160.81°,180°)内；中性点与健全线路零序电流幅值比不小于11.44，中性点与健全线路相角差位于区间[-88.85°,-84.29°]内。

2）引入线路比值参数表征中性点与各线路零序电流之间的幅值比、相角差，并以此构造优化后的复合选线判据，扩大了选线方法的保护边界，且具有良好的抗量测误差性能。

3）过渡电阻只影响中性点和线路零序电流的幅值和相角，而对线路比值参数的幅值和相角没有影响，因此所提选线方法在理论上不受过渡电阻的影响。

4）本文所提选线方法仅需利用故障后中性点和线路零序电流，无需引入零序电压，不受零序电压互感器断线的影响。

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