小電流接地系統單相接地保護的鑒相電路設計

逄宗海，蘇漢

(保定供電公司，河北 保定 071051)

1 引言

小電流接地系統即中性點非直接接地系統，它包括中性點不接地系統、經消弧線圈接地系統(也稱諧振接地系統)和經高阻接地系統［1，2］。在我國 6～10kV中低壓配電網系統一般采用中性點不接地系統或經消弧線圈接地系統［3］。在配電網系統中，單相接地故障率最高，約占配電網故障的80%以上［4］。自20世紀80年代中期微機型選線投入運行以來，各廠家相繼提出了很多選線原理［5］，并研制出基于這些選線原理的多種產品。其主要算法有:基于穩態量的零序電流比幅法、零序電流方向法、五次諧波法、零序電流有功分量法［6］、負序電流法［7］和注入信號法［8］，和基于暫態量［9］的互積求和法、電流差值比較法，以及基于神經網絡［10］、粗糙集［11］和模糊理論［12］的信息融合技術法。其中基于現代信息融合技術選線法是研究熱點和發展趨勢，準確動作率高。但是無論采用哪種融合技術，均涉及到準確鑒別零序電流和零序電壓相位問題。本文從電路設計角度，深入分析鑒相電路的每一個環節，提高鑒相精度，提高選線準確動作率。

2 單相接地故障特征

小電流接地系統發生單相接地故障時，其零序等效網絡如圖1所示。以A相接地為例，Rg為接地點過渡電阻，K1、K2為中性點接地方式模擬開關，在分析中性點不接地網絡時，K1、K2都斷開;在分析中性點經消弧線圈接地網絡時，K1閉合，K2斷開，消弧線圈阻抗ZL=RL+jXL，RL為消弧線圈回路電阻，XL為消弧線圈感抗;分析中性點經高阻接地時，K1斷開，K2閉合，RN為中性點接地電阻。母線零序電壓為U0。

圖1 中性點非有效接地系統零序等效網絡

各種中性點接地方式下單相接地故障零序電壓、電流矢量圖如圖2所示。

圖2 單相接地故障零序矢量圖

根據圖2中各種情況下的矢量圖，以母線零序電壓U0方向為參考方向，將所有饋線的基波零序電流順時鐘旋轉90°。上述三種系統的非故障饋線的零序電流方向法均與零序電壓方向重合。中心點不接地系統零序電流與零序電壓夾角為180°，對中性點經消弧線圈接地系統或中性點經電阻接地系統處于(0°，180°)。因此電路設計最苛刻的要求就是必須能將180°與0°區分開，這將是本文的重點。

3 鑒相電路設計

3.1 鑒相電路組成

從PT開口三角處取得零序電壓U0，由每條饋線的零序CT獲得其零序電流I0。考慮最為惡劣的情況，即零序電流順時針旋轉90°后，故障支路零序電流與零序電壓方向相反，而非故障支路零序電流與零序電壓同相位;鑒相電路包括多個信號處理模塊，流程圖如圖3所示。

圖3 鑒相電路模塊組成

零序電壓信號通過帶通濾波器，濾波器中心頻率為50Hz，濾除高頻諧波和直流分量。經過過零比較器將正弦波轉換為矩形波，對矩形波積分得到鋸齒波。鋸齒波經過整形，還原為矩形波，但相位發生變化，相位變化與積分電路參數緊密相關。對改變相位后的矩形波進行微分運算，形成尖峰脈沖。零序電流信號通過帶通濾波器，將零序電流基波分量放大后，經過過零比較器將正弦波形轉換為矩形波。線與模塊是鑒相關鍵一步，將零序電壓尖峰脈沖與零序電流矩形波做邏輯與運算，如圖4所示。虛線矩形波為零序電流，尖峰脈沖為零序電壓處理后的波形，Po2為上述兩個信號線與結果，即零序電流為高電平時，其間的零序電壓尖峰脈沖被保留。

圖4 乘法器

3.2 積分常數的確定

積分常數τ決定零序電壓相移大小，相移過大會導致中性點經消弧線圈接地系統，過小會導致中性點不接地系統單相接地故障無法識別。中性點經消弧線圈接地系統如果工作在欠補償工況下，則故障時零序電壓與零序電流夾角位于第三象限，與中性點經高阻接地系統特征相同，不存在識別錯誤。但實際中中性點經消弧線圈接地系統一般采用過補償方式，這樣故障時零序電壓與零序電流夾角位于第二象限。這時如零序電壓相移過大，則U0與I0重合或者零序電流超前，導致誤判。如果電壓相移過小，則在中性點不接地系統中脈沖過窄，導致無法識別脈沖。

根據過補償5% ～10%的要求，同時保證CPU能識別出窄脈沖，仿真計算得到相移在(5°，20°)范圍內，不會發生誤判。即必須滿足下式:

根據式(1)可以確定積分常數τ。

方波的積分電路原理如圖5所示。

圖5 方波積分電路

根據t的取值范圍得到積分常數的取值范圍為(0.282，1.002)，再根據τ就能很容易的設計出合適的微分電路。

3.3 各種系統單相接地故障的識別結果分析

根據式(4)選定τ=0.3，得到三個小電流接地系統的識別結果如圖6所示。

圖6 單相接地故障識別結果

①和②波形分別為中性點不接地和中性點經高阻接地系統發生單相故障時零序電流矩形波;③波形為中性點經消弧線圈接地系統發生單相故障時零序電流矩形波形。④波形為非故障饋線零序電流矩形波，零序電流與零序電壓同相;從圖中可以看出中性點不接地和中性點經高阻接地系統發生單相接地故障均能較好的識別，由于選擇的微分常數接近臨界值，所以出現過窄脈沖，但是經過試驗發現仍不影響故障識別。

4 結束語

本文分析了我國目前小電流接地系統發生單相故障時的故障特征，指出了鑒相電路在故障信息提取時的重要作用。重點介紹了鑒相電路的組成，根據系統運行要求，計算得出微分電路的微分常數取值范圍，對電路設計起到了指導作用，提高了故障識別的準確率。同時若提高系統處理器的采樣速率，能采樣到更窄的脈沖，系統將會更加穩健。

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