基于多重判據(jù)的單相接地選線研究

姜華

1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206

2.徐州供電公司，江蘇徐州 221005

基于多重判據(jù)的單相接地選線研究

姜華1,2

1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206

2.徐州供電公司，江蘇徐州 221005

通過(guò)理論、仿真和大量6kV系統(tǒng)模擬接地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相穩(wěn)態(tài)接地和單相電弧性接地故障時(shí)零序分量的特征。依據(jù)這些特征分別對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿足穩(wěn)態(tài)接地和電弧性接地的選線方法，且該方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、故障判據(jù)大、便于實(shí)際應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較高的選線準(zhǔn)確性。

小電流接地系統(tǒng)；電弧接地；暫態(tài)電流；準(zhǔn)確性

indirect grounding power system；arc-earth fault；transient current；accuracy

引言

小電流接地系統(tǒng)中80%左右的故障為單相接地故障。在這一故障下，小電流接地系統(tǒng)線電壓仍對(duì)稱(chēng)，不影響對(duì)用電戶(hù)的供電，故不必立即分?jǐn)喙收想娐罚ㄒ?guī)程規(guī)定可以繼續(xù)運(yùn)行1～2小時(shí)），有利于提高供電的可靠性，為此，我國(guó)中壓系統(tǒng)采用小電流接地方式。由于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電流小，接地選線困難，為此，近幾年來(lái)，引來(lái)許多學(xué)者對(duì)其研究[1-10]。提出了零序電流幅值比較法、零序電流方向法、零序有功電流方向法、零序五次諧波電流比向比幅法、注入信號(hào)（S注入）法、零序?qū)Ъ{法、首半波法、暫態(tài)分量法等多種選線方法[1-8]，并且已有許多小電流接地選線裝置投入現(xiàn)場(chǎng)使用，但是選線效果均不很理想，誤選、拒選的幾率比較高。本文結(jié)合本課題組近幾年所獲取的單相接地故障數(shù)據(jù)，分析了影響單相接地選線準(zhǔn)確性的原因，并提出了解決辦法。

1 影響接地選線準(zhǔn)確性的原因

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障線路與非故障線路零序電流之間是有一定差別的，在理論上講，應(yīng)該能夠根據(jù)這些差別實(shí)現(xiàn)故障選線。但是，實(shí)際應(yīng)用中由于以下多種因素的影響，造成選線裝置準(zhǔn)確性并不高[9]。

（1）單相接地故障的復(fù)雜性。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流的大小、頻率、方向等特征與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、變壓器參數(shù)、故障地點(diǎn)、故障時(shí)刻等多種因素有關(guān)，其類(lèi)型多種多樣，從而故障信號(hào)的特征也多種多樣。因此，只有同時(shí)具有基于暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)故障信號(hào)分析的選線方法才能提高選線的準(zhǔn)確性。

（2）故障判據(jù)小、保護(hù)裕度低。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的特征決定了，故障線路與非故障線路故障判據(jù)差別不明顯、保護(hù)裕度低也是影響選線裝置準(zhǔn)確性的主要因素之一。因此，要提高選線裝置的準(zhǔn)確性，必須在綜合利用各線路故障信息、提出高保護(hù)裕度的選線原理上再進(jìn)行深入的研究。

（3）中性點(diǎn)接地方式的影響。小電流接地系統(tǒng)發(fā)包括不接地、高阻接地和經(jīng)消弧線圈接地三種方式，而每種方式發(fā)生接地故障的特征又不一樣，因此選線準(zhǔn)確性還會(huì)受到系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的影響。

（4）其它影響選線準(zhǔn)確性的原因。如零序電流互感器特性不一致、系統(tǒng)諧波、測(cè)量裝置的精度、算法等因素的影響。

2 單相接地選線方法

由文獻(xiàn)[9]可知對(duì)于小電流接地系統(tǒng)的單相電弧性接地，各線路的零序暫態(tài)電流在大小和方向上與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性相似。而中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分量與之有較大差別。因此對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)必須采用不同的選線方法才能滿足準(zhǔn)確性的要求。

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，不論發(fā)生穩(wěn)態(tài)接地還是電弧性接地故障，其都滿足故障線路零序測(cè)量等于所有非故障線路零序測(cè)量電流之和，且方向相反的特征[8]。因此，利用本文提出的零序電流互積求和選線方法就可以準(zhǔn)確選擇出故障線路。其原理如下:

令每一線路的零序電流與系統(tǒng)另外所有線路的零序電流積分后求和，可得各線路的故障判據(jù)。假設(shè)第條線路為故障線路。

由式（3）、（4）可知故障線路的判據(jù)為正，非故障線路的判據(jù)為負(fù)，且故障線路的判據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非故障判據(jù)的絕對(duì)值。因此當(dāng)計(jì)算出某一線路的故障判據(jù)為正且其絕對(duì)值最大時(shí)，就可以判斷出該線路為故障線路。當(dāng)所有線路的故障判據(jù)都為負(fù)時(shí)則可判斷為母線故障。式（1）的微機(jī)實(shí)現(xiàn)算式可用公示（5）來(lái)表示:

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

由上述分析和文獻(xiàn)[8]可知，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相電弧性接地故障時(shí)各線路零序暫態(tài)電流的特征與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相同。因此，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的單相電弧性接地故障利用式（1）即可。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于消弧線圈電感的補(bǔ)償作用，使得故障線路與非故障線路的零序測(cè)量電流之間的差別較中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)要小得多，增加了選線的困難。理論上講，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并(串)電阻接地系統(tǒng)，可以利用零序有功電流方向和導(dǎo)納互差之絕對(duì)值和極大值的方法進(jìn)行準(zhǔn)確選線，但是為了保證消弧線圈的補(bǔ)償效果，一般阻尼電阻應(yīng)該在很短時(shí)間內(nèi)切除。阻尼電阻切除后以上兩種選線方法就失效，因此對(duì)這種系統(tǒng)，用以上兩種方法的選線時(shí)間、機(jī)會(huì)有限。這不利于充分發(fā)揮微機(jī)選線“多判據(jù)、自糾錯(cuò)”的優(yōu)勢(shì)，對(duì)準(zhǔn)確選線不利。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于沒(méi)有并（串）電阻時(shí)，系統(tǒng)阻尼率又很低，以上兩種選線方法基本無(wú)效。因此，只有5次諧波方向原理或5次諧波的導(dǎo)納互差之絕對(duì)值和極大值法有效，但實(shí)際系統(tǒng)中5次諧波含量不高，且各不相同，選線保護(hù)裕度較低，即使采用5次諧波的導(dǎo)納互差之絕對(duì)值和極大值法，其保護(hù)裕度也很小。雖然殘流增量法有較高的選線準(zhǔn)確性，但它需要消弧線圈的調(diào)節(jié)控制裝置與選線裝置之間的配合，并且人為增大消弧線圈補(bǔ)償?shù)拿撝C度不利于故障點(diǎn)電弧的熄滅，影響到消弧線圈的補(bǔ)償效果，在選線裝置大量推廣方面存在較大困難。為此，結(jié)合微機(jī)長(zhǎng)記憶的特點(diǎn)提出的一種基于故障導(dǎo)納預(yù)記憶的選線方法，其原理如下:

母線發(fā)生單相接地故障時(shí)，將第條線路的預(yù)測(cè)量零序?qū)Ъ{順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得:

假設(shè)系統(tǒng)中第k條線路發(fā)生單相接地故障，則有:

第條非故障線路的零序測(cè)量導(dǎo)納為:

令故障時(shí)各線路的測(cè)量導(dǎo)納與其對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)量導(dǎo)納的偏移導(dǎo)納進(jìn)行“點(diǎn)積”可得判據(jù)。

第條非故障線路的判據(jù)為:

由于現(xiàn)在的消弧線圈大都采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償方式，基本處于全補(bǔ)償狀態(tài)，因此與的夾角必定大于90°，并且接近180°[9]。所以:

由式（9）、（11）可見(jiàn)故障線路與非故障線路有明顯區(qū)別。從理論上說(shuō)是完全可以判斷出故障饋線的，但實(shí)際上，由于零序電流互感器的誤差、非線性及各互感器之間技術(shù)參數(shù)的非一致性，容易誤判。為提高保護(hù)裕度，現(xiàn)對(duì)各線路 進(jìn)行互差絕對(duì)值求和計(jì)算，即:

由上式可知，故障線路判據(jù)為非故障判據(jù)的（n-1)倍，只要n>2，就可以判斷出故障線路，且n越大，故障線路與非故障線路的判據(jù)差就越大，越有利于準(zhǔn)確選線。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證上述方法的有效性分別在本校6kV模擬系統(tǒng)上進(jìn)行了模擬電弧性接地實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)中性點(diǎn)方式選擇為中性點(diǎn)不接地或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈。且具有三條線路，各線路對(duì)地電容可調(diào)。

表1為電弧性實(shí)驗(yàn)故障判據(jù)計(jì)算結(jié)果。表中數(shù)據(jù)為同樣實(shí)驗(yàn)下故障線路與非故障線路故障判據(jù)相差最小的一組數(shù)據(jù)，故障列指的是本線路作為故障線路時(shí)的故障判據(jù)，非故障列指的是其它兩線路中故障時(shí)本線路故障判中的大者（表中數(shù)據(jù)為采樣頻率12000kHz，計(jì)算時(shí)間為3mS，穩(wěn)態(tài)接地故障計(jì)算時(shí)間為10mS）。

表1 系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 The net parameter and experiment results

通過(guò)上述分析和實(shí)驗(yàn)可知，針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的零序電流互積求和選線法具有（1）在計(jì)算故障判據(jù)時(shí)，不管是故障線路還是非故障線路，其故障判斷量均是本線路測(cè)量零序電流與所有其他線路測(cè)量零序電流之積后求和，其信息量大。各線路的故障判斷量包含了所有線路的故障信息，干擾信號(hào)將被這大信息量所淹沒(méi)，使抗干擾能力大為增加。（2）該方法即可應(yīng)用于電弧接地故障也可應(yīng)用在中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻接地系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)接地故障中。（3）系統(tǒng)出線數(shù)越多，該方法保護(hù)裕度越大，但只要系統(tǒng)具有3條線路，就能滿足本方法的要求。

對(duì)于針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電穩(wěn)態(tài)接地故障而提出的導(dǎo)納預(yù)記憶法具有的特點(diǎn)如下:（1）本選線方法在故障判據(jù)計(jì)算時(shí)不論是故障出線還是非故障出線，其故障判斷量均是本線路信息與所有其他線路信息之差，并取絕對(duì)值后的和，其信息量大，包含了所有出線的信息。干擾信號(hào)將被這大信息量所淹沒(méi)，使抗干擾能力大為增加，且拉大了故障線路與非故障線路之間的差距，使保護(hù)裕度大為增加。（2）由于采用相對(duì)值進(jìn)行計(jì)算，因此減少了故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響。（3）在使用本方法時(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)，即必須在使用前進(jìn)行一次母線單相接地試驗(yàn)，且接地電阻越低，其精度越高。

4 結(jié)語(yǔ)

小電流接地系統(tǒng)地單相接地故障主要分為穩(wěn)態(tài)接地故障和電弧性接地故障，由于基于穩(wěn)態(tài)分量分析的保護(hù)方法只對(duì)穩(wěn)態(tài)接地故障有效，而基于暫態(tài)分量分析的保護(hù)方法只對(duì)電弧性接地故障有效。因此，為保證在任何接地故障情況下都能選出故障線路，應(yīng)該綜合采用基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分量分析的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)本文提出了即可以用于穩(wěn)態(tài)接地故障也可以用于暫態(tài)接地故障的零序電流互積求和選線法。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)該方法只能用于暫態(tài)接地故障，因此對(duì)于穩(wěn)態(tài)接地故障提出了導(dǎo)納預(yù)記憶選線法。通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，本文提出的方法既能滿足穩(wěn)態(tài)接地也能滿足電弧性接地，同時(shí)具有計(jì)算簡(jiǎn)單，無(wú)需濾波等優(yōu)點(diǎn)。

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Analysis of detecting fault line of single-phase-to-ground by multiple criteria

Jiang Hua1,2
1. North China Electric Power University, Beijing102206
2. Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou,221005

Based on theory analysis, simulation, lots of experiments of6kV, this paper analyses characteristic of zero-sequence component in steady earth fault and arc-earth fault. The method of detecting fault line for the isolated neutral system and the indirection grounding system through compensation winding based on the mentioned characteristic is proposed. This method has a lot of virtue ,such as computing simpler, ability of anti-interference stronger , the fault information clearer and more convenient for application. The experimental results show that this method can increase the accuracy and the dependability of detecting fault line effectively.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.044

姜華（1977-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的研究。