小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法研究

余樂(lè)　+吳月

摘 要：當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障接地時(shí)，由于故障點(diǎn)電流小，能夠持續(xù)地運(yùn)行一定時(shí)間，有助于提升配網(wǎng)供區(qū)供電的穩(wěn)定性和可靠性，在我國(guó)低壓配電網(wǎng)中，這一方法得到了極其廣泛的推廣。不過(guò)隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，既快又準(zhǔn)地選出發(fā)生接地的故障線路變得越來(lái)越重要。本文首先簡(jiǎn)要論述了小電流接地系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用Simulink搭建了10kV小電流接地系統(tǒng)，仿真分析了其發(fā)生單相接地故障時(shí)各種選線方法的結(jié)果。最后結(jié)合零序電流比幅法、零序電流比相法和首半波法提出了一種單相接地故障的綜合選線方法。

關(guān)鍵詞：小電流接地系統(tǒng)；單相接地故障；Simulink仿真；綜合選線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.187

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電力客戶對(duì)供電的質(zhì)量和可靠性的要求不斷提高，保障配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證客戶用電的連續(xù)可靠變得越來(lái)越重要。小電流接地系統(tǒng)又稱作中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，包括中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地以及中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地三種類型，其中中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地是最常見(jiàn)的兩種小電流系統(tǒng)接地方式[1-4]。

小電流接地系統(tǒng)具有供電可靠性高，安全性較高，系統(tǒng)受過(guò)電壓危害較低，通信系統(tǒng)受影響低等優(yōu)點(diǎn)。特別是由于小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障接地時(shí)能夠持續(xù)地運(yùn)行一定時(shí)間，有助于提升配網(wǎng)供區(qū)供電的可靠性，因此電流接地系統(tǒng)廣泛在在中壓以及低壓配電網(wǎng)中[5]。

但是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，配網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，電容性電流也不斷增大，單相接地時(shí)的故障電流同樣隨著增加。若較長(zhǎng)時(shí)間的帶故障運(yùn)行，尤其是間歇性的弧光接地故障，在繼續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，很容易引起系統(tǒng)中的各電氣設(shè)備出現(xiàn)新的故障點(diǎn)，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，甚至破壞設(shè)備，造成人身傷亡。因此為了發(fā)現(xiàn)故障后如何既快又好處理故障，研究人員提出了各種小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方法[7-11]，但在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)在的各種選線方法都存在一定的缺陷。

2 小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)的現(xiàn)象分析

2.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓矢量之和為0，三相對(duì)地電容電流之和也為0，用三個(gè)等值電容來(lái)代表每相線路對(duì)地的分布電容。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，如A相發(fā)生接地故障，則A相對(duì)地電壓值為零，其對(duì)地分布電容短路，故障相A相產(chǎn)生的電容電流也為零；非故障相B、C兩相的相電壓升高為原來(lái)相電壓的倍， B、C 兩相的容性電流經(jīng) A 相故障接地點(diǎn)流回母線中。綜上所述，在發(fā)生單相接地故障的情況下，在正常運(yùn)行線路產(chǎn)生的零序電流等于此線路整體的對(duì)地電容電流，方向從母線流向線路；而故障線路零序電流為全系統(tǒng)所有線路對(duì)地電容電流之和，流向?yàn)橛删€路指向母線；且流過(guò)電機(jī)的零序電流僅僅為電機(jī)自身的非故障相對(duì)地電容電流之和。理論上講，根據(jù)各線路始端流過(guò)的零序電流大小，即可判斷出發(fā)生單相接地故障的線路。

2.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

就經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，因中性點(diǎn)處電感性線圈的作用，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，電流的分布情況也有所不同。在故障處流過(guò)的電流中就會(huì)多一部分電感性分量，這一電感分量與之前產(chǎn)生的電容分量相互作用抵消，導(dǎo)致流過(guò)故障接地處的總電流變小，因而從流過(guò)單相接地故障處的總電流為：

其中，為消弧線圈的電感電流，為全系統(tǒng)對(duì)地電容電流，由于消弧線圈與系統(tǒng)對(duì)地電容電流相位差為，故障電流則會(huì)因其補(bǔ)償而減小。

綜上所述，在經(jīng)過(guò)該方式過(guò)補(bǔ)償后，單相故障接地電流幅值會(huì)顯著減小，可能與正常線路的零序電流幅值相當(dāng)，甚至在實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)單相故障接地線路的零序電流小于正常運(yùn)行時(shí)的零序電流，造成選線失敗。因此，零序電流比幅法、電流比相法都不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，故接地點(diǎn)的電容電流具有周期性振蕩的特點(diǎn)。

3 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的MATLAB仿真

3.1 仿真模型

本文利用Simulink搭建了一個(gè)10kV小電流接地配網(wǎng)系統(tǒng)。圖3-1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有5條出線，從上往下依次編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3、L4和L5，線路各序參數(shù)如表3-1所示，線路長(zhǎng)度依次為42、38 、39、31和39，負(fù)荷分別設(shè)為1MW、0.2MW、2MW、2MW和2MW。

假設(shè)系統(tǒng)在0.04s時(shí)在線A相1處發(fā)生單相接地故障。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，按照110%過(guò)補(bǔ)償考慮。

3.2 小電流接地系統(tǒng)選線方法仿真分析

本章利用圖3-1所建配網(wǎng)模型，對(duì)零序電流幅值比較法、零序電流比相法、首半波法進(jìn)行了仿真分析，比較了各種方法的特點(diǎn)和適用范圍。

（1）零序電流幅值比較法。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障相的工頻零序電流比正常相的幅值大。該方法經(jīng)過(guò)測(cè)量和比較不同線路的零序電流幅值，并選擇幅值最大的線路作為故障線路。同時(shí)也可以比較故障前的電容電流和故障后的線路零序電流幅值，有所變化的線路可確定為故障線路。

該方法雖然簡(jiǎn)單直觀，但其靈敏度較低，不能排除母線接地故障。同時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行方式、線路的長(zhǎng)度和過(guò)渡電阻等因素都會(huì)對(duì)該方法產(chǎn)生影響，致使不能準(zhǔn)確地選擇故障線路。

仿真得出：正常線路1、線路2、線路4和線路5零序電流基波幅值分別大約為0.85A、0.76A、0.62A和0.78A，故障線路3零序電流基波幅值大約為3A。故障線路3的零序電流基波幅值明顯大于其他非故障相，且故障線路零序電流基波幅值與所有正常線路零序電流基波幅值之和基本相等。

同時(shí)，零序電流比幅法適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，因?yàn)橄【€圈補(bǔ)償后的電容電流使得故障線路的零序電流減少，其故障線路的零序電流也顯著減小，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，故障線路和非故障線路的零序電流基波幅值大概都為0.7A，已經(jīng)不能區(qū)別故障線路和非故障線路；當(dāng)不接地系統(tǒng)中發(fā)生金屬性故障或高阻故障時(shí)，接地電阻的大小將影響故障系統(tǒng)的零序電流。endprint

（2）零序電流比相法。當(dāng)在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，另一個(gè)顯著特點(diǎn)就是工頻零序電流和正常相電流相位相反。該方法選擇電流相位和其余相相電流相位相反的線路作為故障線路。

但當(dāng)在大電阻接地或線路長(zhǎng)度較短的小電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，較小的零序電壓和零序電流會(huì)增加相位判斷難度，容易產(chǎn)生誤判。

仿真得出：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，故障線路零序基波電流相位和正常線路零序基波電流相位相反；零序基波電流相位選線方法不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，因?yàn)橄【€圈的感性電流對(duì)容性電流進(jìn)行過(guò)補(bǔ)償，使得各線路的零序基波電流的相位均為-90°，相對(duì)于零序基波電壓180°，線路零序基波電流相位滯后90°，所以該方法在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中已經(jīng)無(wú)法區(qū)分正常線路和故障線路。

（3）首半波法。首半波法是基于暫態(tài)信號(hào)的選線方法。發(fā)生單相接地后的第一個(gè)半周期內(nèi)，故障線路零序暫態(tài)電流和正常線路零序暫態(tài)電流極性相反。但若故障發(fā)生在相電壓過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)，首半波電流的暫態(tài)分量較小，容易產(chǎn)生誤判。

仿真得出：在不接地系統(tǒng)和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，所有正常線路的暫態(tài)零序電流分量的方向是與故障線路的暫態(tài)零序電流分量的方向相反。所以是可以通過(guò)分析暫態(tài)零序電流分量的方向來(lái)區(qū)分故障線路和正常線路。

4 小電流接地系統(tǒng)單相故障綜合選線方法實(shí)現(xiàn)

4.1 綜合選線方法原理

通過(guò)第三章的仿真分析我們可以發(fā)現(xiàn)每種方法都有各自的適用范圍，為充分利用單相接地故障產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)信號(hào)和暫態(tài)信號(hào)，結(jié)合零序電流比幅法、比相法和首半波法，實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障綜合選線。理論上講，零序電流比幅法、比相法和首半波法都適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；首半波法適用于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，綜合這三種方法可以對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行初步的選線判斷，為調(diào)度人員拉路查找提供參考依據(jù)。

課題所實(shí)現(xiàn)選線主要包括以下幾個(gè)步驟：

獲取各條線路零序電流，分析得到其穩(wěn)態(tài)零序電流幅值、相位和暫態(tài)首半波數(shù)據(jù)；

零序電流比幅（BF）：選出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)零序電流幅值最大的線路N，并與其它各線路零序電流幅值作差，判斷差值與靈敏系數(shù)K1的大小，若小于或等于K1則線路N為故障線路，輸出BF=[N 1]（第二項(xiàng)為1代表BF選線成功，為0代表選線失?。蝗舸笥贙1則比幅法選線失敗，輸出BF=[0 0]。

零序電流比相（BX）：比較穩(wěn)態(tài)時(shí)各線路零序電流方向，若其中一條線路N與其它任意線路方向相反，則其為故障線路，輸出BX=[N 1]；其它情況則比相法選線失敗，輸出BX=[0 0]。

零序電流首半波（SB）：比較每條線路首半波零序電流方向，其中方向與其它線路相反的線路N為故障線路，輸出SB=[N 1]；若所有線路方向相同，則首半波法選線失敗，輸出SB=[0 0]。

若以上三種方法都選線失敗，則可判斷為母線發(fā)生故障。

4.2 綜合選線方法仿真實(shí)現(xiàn)

課題在10kV小電流接地配網(wǎng)系統(tǒng)模型中對(duì)綜合選線方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過(guò)設(shè)置不同的故障線路，不同的接地電阻來(lái)測(cè)試算法的有效性。表4-1為不接地系統(tǒng)單相接地故障選線結(jié)果。表4-2為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障選線結(jié)果。

從表4-1和表4-2的測(cè)試結(jié)果可以看出對(duì)于不接地系統(tǒng)綜合選線三種方法都能正確選擇出故障饋線；對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)比幅法和比相法選線失敗，首半波法能正確選擇故障饋線，當(dāng)三種方法選線都失敗時(shí)可判斷為母線故障。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Simulink搭建了10kV小電流接地系統(tǒng)，仿真分析了其發(fā)生單相接地故障時(shí)的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)選線方法的判據(jù)進(jìn)行了逐一分析比較。最后結(jié)合零序電流比幅法、零序電流比相法和首半波法實(shí)現(xiàn)了單相接地故障的綜合選線。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭顧平，姜超，李剛等.配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中小電流接地故障區(qū)段定位方法[J].北京：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（13）.

[2]郭曉敏，史彩明.小電流接地系統(tǒng)線路單相接地故障自動(dòng)快速判別的方法[C].2006年城網(wǎng)改造和電網(wǎng)優(yōu)化學(xué)術(shù)研討會(huì)，2006.

[3]蔡舒平，董雪，張保會(huì).小電流單相接地故障選線的Fisher信息方式[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化報(bào)，2014（08）.

[4]劉味果，李彥明.電容電流反饋補(bǔ)償系統(tǒng)的研究[J].高電壓技術(shù)，2007（33）.

[5]張?jiān)糯?，蘇宏升.小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015（27）.

[6]杜嘉寅.基于小波包分析的小電流接地系統(tǒng)故障選線新技術(shù)研究[D].山東大學(xué)，2006.

[7]張宏艷，張承學(xué)，熊睿等.國(guó)內(nèi)外幾種先進(jìn)的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法分析與比較[J].電力建設(shè)，2005（26）.

[8]畢見(jiàn)廣，董新洲，周雙喜. 基于兩相電流行波的接地選線方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005（29）.

[9]薛永端，張海臺(tái)，李成剛等.小電流接地故障暫態(tài)選線與定位技術(shù)[J].供用電，2015（04）.

[10]曹運(yùn)剛，陳平，楊茂亭等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小電流接地故障選線方法研究[J].國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（18）.

[11]方杰，繆偉，高偉.新型小電流接地故障選線設(shè)備的研制與應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014（09）.

作者簡(jiǎn)介：余樂(lè)（1985-），男，四川內(nèi)江人，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。endprint