丁網(wǎng)林，溫傳新，駱 健

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京中德保護(hù)控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210003）

為了保障供電的可靠性，35 kV以下的供配電系統(tǒng)多為中性點(diǎn)不接地或經(jīng)過消弧線圈接地的系統(tǒng)。大型工業(yè)用戶的配電系統(tǒng)，同一電壓等級的配電系統(tǒng)中階梯式多級供電情況越來越多[1]。這一方面是因?yàn)榇笮凸I(yè)用戶負(fù)荷比較分散決定的，另一方面階梯式供電方式也可以提高工業(yè)用戶的建設(shè)投資，保障供電的可靠性。但是階梯式多級供電對繼電保護(hù)的選擇性也提出了更高的要求，對于相間過流保護(hù)通過帶時(shí)限的配合可以很好地解決問題，但是對于線路的單相接地，傳統(tǒng)的小電流接地選線，在本系統(tǒng)中就失去了選擇性，有時(shí)還會(huì)造成上級保護(hù)的誤判和誤動(dòng)。上級進(jìn)線的誤動(dòng)，造成相應(yīng)的母線失電，給用戶造成巨大的損失。根據(jù)上述的分析可知，現(xiàn)有的小電流接地選線保護(hù)，對于階梯式供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)失去了選擇性，實(shí)際應(yīng)用中也經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)的情況。首先分析了階梯式不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)的電氣量特殊，然后針對現(xiàn)有小電流接地選線用于階梯式供電系統(tǒng)存在不足的現(xiàn)狀，提出了一種可靠性高、選擇性強(qiáng)的新方法，該方法很好地解決了用戶現(xiàn)場的問題。

1 系統(tǒng)故障特征分析

1.1 階梯式供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)模型

如圖1所示，為階梯式n級供電系統(tǒng)的物理模型，規(guī)定進(jìn)線側(cè)電流正方向?yàn)榫€路流向母線，而出線側(cè)電流正方向?yàn)槟妇€流向線路。設(shè)第n段母線上所帶出線條數(shù)為m，每條線路對地電容為（i=1，2，…，m），第n-1段母線上出線條數(shù)為j，每條線路對地電容為（i=1，2，…，j），第n-2 段母線上出線條數(shù)為w，每條線路對地電容為（i=1，2，…，w）。不考慮相間電容，設(shè)系統(tǒng)電動(dòng)勢為E，不考慮級聯(lián)系統(tǒng)的電壓壓降。

n段母線上每條出線對地電容電流為：

n段母線的進(jìn)線對地電容電流為：

同理，n-1段母線的進(jìn)線電容電流為：

1.2 單相接地物理量分析[2，3]

1.2.1 P1點(diǎn)發(fā)生A相接地時(shí)的零序電氣量特征

如圖2所示，設(shè)第n段母線的第k條出線的P1點(diǎn)發(fā)生A相接地故障，則故障點(diǎn)處各相電壓和零序電壓為：

故障線路各相對地電容電流為：

則非故障線路側(cè)各相對地電容電流和零序電流為（i≠k）：

第n段母線進(jìn)線各相對地電容電流和零序電流為：

設(shè)第n段母線與第n-1段母線之間的級聯(lián)線為第n-1段母線的第r條出線，則該條出線的對地電容電流和零序電流為：

同理可得，第n-1段母線進(jìn)線零序電流為：

設(shè)第n-1段母線與第n-2段母線之間的級聯(lián)線為第n-2段母線的第z條出線，則該條出線的零序電流為：

由式（19）可知，在第n段母線出線發(fā)生故障時(shí)，第n段母線進(jìn)線零序電流為n段母線上每條出線對地電容電流之和與系統(tǒng)接地電流之差，考慮系統(tǒng)接地電流肯定大于n段母線上每條出線對地電容電流之和，所以第n段母線進(jìn)線零序電流方向?yàn)槟妇€流向線路。由式（23）可知對于n-1段母線出線而言其零序電流方向?yàn)榫€路流向母線。同理由式（24）和式（25），n-1段母線進(jìn)線零序電流方向?yàn)槟妇€流向線路。n-2段母線出線零序電流方向?yàn)榫€路流向母線。

由式（11）可知故障線路零序電流方向?yàn)榫€路流向母線?？梢娺@種情況下，級聯(lián)線路零序電流方向和故障線路零序電流方向相同。

1.2.2 P2點(diǎn)發(fā)生A相接地時(shí)的零序電氣量特征

如圖3所示，當(dāng)在n段母線與n-1段母線之間的級聯(lián)線P2點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，同上分析過程可得各段母線的進(jìn)線和出線的零序電流如下。

第n段母線進(jìn)線零序電流為：

第n-1段母線出線（第r條出線）零序電流為：

第n-1段母線進(jìn)線的零序電流為：

第n-2段母線出線的零序電流為：

1.2.3 P3點(diǎn)發(fā)生A相接地時(shí)的零序電氣量特征

如圖4所示，當(dāng)在n-1段母線與n-2段母線之間的級聯(lián)線P3點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，同上分析過程可得各段母線的進(jìn)線和出線的零序電流如下。

第n段母線進(jìn)線零序電流為：

第n-1段母線出線（第r條出線）零序電流為：

第n-1段母線進(jìn)線的零序電流為：

第n-2段母線出線的零序電流為：

從上面對P2點(diǎn)和P3發(fā)生A相接地的零序電氣量特征的分析可知，對于級聯(lián)線路，作為進(jìn)線側(cè)的零序電流方向均由母線流向線路，作為出線的零序電流方向均由線路流向母線?？傊骷壖壜?lián)線路流過的零序電流與故障線路的零序電流方向相同。

1.3 傳統(tǒng)接地保護(hù)及漏電保護(hù)特性分析及缺陷

1.3.1 基本原理介紹

傳統(tǒng)的小電流接地保護(hù)原理有：

（1）基于零序電流和零序電壓的五次諧波原理[4]；（2）基于出線端的零序功率方向的原理[5，6]。

1.3.2 缺陷分析

（1）對于單級供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，只有出線端的零序電流，不存在級聯(lián)線路零序電流的問題，所以傳統(tǒng)的利用零序電流方向的小電流接地保護(hù)原理方法能很好地解決不接地系統(tǒng)單相接地造成的問題。

（2）對于階梯式多級供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)某級母線的出線發(fā)生單相接地故障時(shí)，由1.2分析可知，該級母線以上的各級級聯(lián)線路流過的零序電流與故障線路的零序電流方向相同，大小相似，利用零序電流方向很難保證故障識(shí)別的選擇性。

2 新型保護(hù)原理

2.1 同一條線路既作進(jìn)線又作出線電流特性分析及解決

2.1.1 P1點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障分析

當(dāng)P1點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，第n段母線與第n-1段母線之間的級聯(lián)線路在n-1側(cè) （出線端）的零序電流見式（23），其方向?yàn)榫€路流向母線，在n側(cè)（進(jìn)線端）的零序電流見式（19）,其方向?yàn)槟妇€流向線路.對于重要負(fù)荷線路正常都裝設(shè)光纖差動(dòng)保護(hù)，則級聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序差流為：

由式（34）易知當(dāng)?shù)趎段母線出線故障時(shí)，級聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序差流為級聯(lián)線路本身零序電容電流的大小，方向?yàn)橛赡妇€流向線路。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相反。

2.1.2 P2點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障分析

當(dāng)P2點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，第n段母線與第n-1段母線之間的級聯(lián)線路在n-1側(cè) （出線端）的零序電流見式（27），其方向?yàn)榫€路流向母線，在n側(cè)（進(jìn)線端）的零序電流見式（26），其方向?yàn)榫€路流向母線，則聯(lián)線路在第n-1段母線出線側(cè)零序差流為：

由式（35）易知當(dāng)?shù)趎段母線與第n-1段母線之間的級聯(lián)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，級聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序差流為系統(tǒng)接地電流與該級聯(lián)線路本身電容電流之差，方向?yàn)橛删€路流向母線。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相同。

2.1.3 P3點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障分析

同2.1.3分析，當(dāng)P3點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，級聯(lián)線路在第n-2段母線出線側(cè)零序差流方向?yàn)榫€路流向母線。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相同。

此時(shí)第n段母線與第n-1段母線之間的級聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序電流見式（31），其方向?yàn)榫€路流向母線，在n側(cè)（進(jìn)線端）的零序電流見式（30）,其方向?yàn)槟妇€流向線路，則級聯(lián)線路在第n-1段母線出線側(cè)零序差流為：

由式（36）易知此時(shí)該級聯(lián)線路零序差流方向?yàn)槟妇€流向線路。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相反。所以利用級聯(lián)線路零序差流方向可以保證在級聯(lián)線路上一級發(fā)生故障時(shí)，該級聯(lián)線路不會(huì)誤動(dòng)。

2.2 新型判據(jù)原理

2.2.1 差流原理

由2.1分析可知，當(dāng)級聯(lián)線路發(fā)生區(qū)外的單相接地故障時(shí)，由出線端計(jì)算出的零序差流大小為本線路的電容電流，方向?yàn)樽陨霞壞妇€流向線路；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，計(jì)算出的零序差流大小為系統(tǒng)接地電流與下級各個(gè)線路電容電流之差，遠(yuǎn)大于區(qū)外故障時(shí)的零序差流，方向?yàn)樽跃€路流向上級母線。因此，通過設(shè)定零序差流的門檻和判斷差流方向可以有效地進(jìn)行單相接地故障地判別。

2.2.2 方向比較（縱聯(lián)方向）

由上2.1分析可得，當(dāng)級聯(lián)線路下級母線出線發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路末端（進(jìn)線端）的零序電流方向?yàn)橛赡妇€流向線路。而當(dāng)線路本身發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，線路末端的零序電流方向?yàn)橛删€路流向母線。而級聯(lián)線路上級線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以通過首端的零序電流方向判別。因此，在傳統(tǒng)的基于零序功率方向判據(jù)基礎(chǔ)上，增加線路出線側(cè)零序差流方向的判斷，可以可靠地判別線路本身區(qū)內(nèi)故障與下級母線出線發(fā)生的故障。

3 具體裝置的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上面分析可得，級聯(lián)線路故障時(shí)基于零序差流的動(dòng)作方程為：

基于方向比較原理的動(dòng)作方程為∶

動(dòng)作區(qū)域分別如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語

分析了階梯式供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序電流特性，特別是發(fā)生區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)級聯(lián)線路中出線側(cè)和進(jìn)線側(cè)電流的大小和方向。在指出傳統(tǒng)的接地保護(hù)原理的不足的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了在級聯(lián)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障與下級母線出線發(fā)生單相接地故障時(shí)流過線路兩端的零序電流。提出了基于線路兩端零序差流與對雙端零序電流方向判別的接地保護(hù)原理。通過試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行情況表明了該保護(hù)原理的可行性。

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