基于零序電流比值法的小電流接地選線方法及仿真計算

王 磊，謝江媛

(1.上海電力學院，上海 200090;2.神華國華風電有限公司，江蘇東臺 224200)

針對中性點非有效接地配電系統的單相接地選線方法有很多，如拉線法、變頻信號注入法、零序電流法等.其中，零序電流法在我國配網接地選線的應用最為廣泛，目前的微機型小電流接地選線裝置大多采用該方法.其基本原理是:系統正常時容性零序電流很小或者等于零，在系統單相接地時產生接地容性零序電流，由于接地線路和非接地線路的容性零序電流有很大的差異，而故障線路之間的容性零序電流比值差異很小，所以可由此來選擇接地線路.

1 基于容性零序電流比值變化的小電流接地選線方法

在中性點非直接接地系統中，若其中一條出線發生單相接地故障，全系統都會出現零序電壓，在這個零序電壓的作用下，系統中會出現容性零序電流.單相接地故障后的系統網絡結構見圖1.本文將基于容性零序電流比值變化的小電流接地迭線方法分為中性不接地系統和中性點經消弧線圈接地兩種情況進行討論［1-5］.

對于非故障線路而言，容性零序電流就是該線路的對地電容電流，方向為由母線流向電路.在中性點不接地系統中(圖1中開關K斷開)，故障線路中的容性零序電流為非故障線路容性零序電流.中性點經消弧線圈接地的系統中(圖1中開關K閉合)，故障線路中的容性零序電流為非故障線路的總和，方向為由線路流向母線.由此可知，故障線路和非故障線路的容性零序電流方向是相反的;故障線路中的容性零序電流為非故障線容性零序電流與消弧線圈中的電感電流之和，方向為母線流向線路.

圖1 單相接地故障后的系統網絡結構

1.1 中性點不接地系統

1.1.1 非故障線路之間的容性零序電流比值

非故障線路中的容性零序電流就是該線路的對地電容電流.若一個3回線路的系統中L3的A相單相接地，非故障線路L1，L2中的容性零序電流為:

式中:U0——系統出現的零序電壓;

C0——iL1，L2的零序電容;

ω——容性零序電流和電壓的角頻率.

由此可見，在中性點不接地系統中兩條線路的零序電流的比值為:

由此可知，線路1和線路2的零序電流比值應該是兩條線路電容的比值，且由于在故障的時候線路1的容性零序電流和線路2的容性零序電流都是由母線流向線路，因此，線路1和線路2的容性零序電流的比值應該為正.

1.1.2 非故障線路和故障線路之間的容性零序電流比值

故障線路中，由于線路3是故障線路，因此零序電壓在該線路中產生.容性零序電流由線路流向母線，與非故障線路的容性零序電流流向相反，數值等于非故障線路的對地容性零序電流之和.則非故障線路1和故障線路3的對地容性零序電流比值為:

由式(3)可見，線路1和線路3的容性零序電流比值是一個絕對值小于1的負數，由此也可得到非故障線路和故障線路的比值.這個數值在符號和數值上都區別于任何非故障線路之間的容性零序電流比值.若故障線路在分子，非故障線路在分母，則零序電流的比值是一個絕對值大于1的負數.

1.2 中性點經消弧線圈的接地系統

1.2.1 非故障線路之間容性零序電流比值

經消弧線圈接地時，非故障線路中容性零序電流和不接消弧線圈的時候一致，因此線路的容性零序電流比值等于兩條非故障線路對地電容的比值.

1.2.2 故障線路和非故障線路之間的容性零序電流比值

假設線路3的A相發生單相接地故障，則故障線路3的容性零序電流為:

非故障線路1和故障線路3的容性零序電流的比值為:

由式(5)可知，當過補償時電感數值越大，故障相和非故障相的容性零序電流比值也越大，因此在變壓器中性點經消弧線圈接地時，非故障相和故障相的容性零序電流比值和消弧線圈接入容量有關，電感數值越大，比值越大.由于實際系統中大多采用5%～8%的過度補償，故接地電流的方向與電感電流一致，故障的容性零序電流也與非故障線中的容性零序電流方向一致，均為母線流向線路，其故障線路和非故障線路的比值為正.非故障線路的容性零序電流和故障線路的容性零序電流比值會隨著消弧線圈容量的變化而變化.當故障線路容性零序電流在分子時，其比值會和消弧線圈容量變化的趨勢相反.若故障線路容性零序電流在分母時，則比值變化情況相反.因此，可根據比值變化情況來確定故障線路是位于分子還是分母.

如果出現母線故障，則任意兩條線路零序電流比值與消弧線圈電抗值無關，且在消弧線圈容量變化過程中維持不變.

2 仿真計算

根據電力系統的實際情況，用Matlab搭建的仿真模型如圖2所示.

圖2 4回路時系統的仿真模型

2.1 中性點不接地

在中性點不接地的情況下，故障線路和非故障線路中的容性零序電流方向是相反的，因此其電流的比值為負.由于故障線路的容性零序電流數值比非故障線路要大，因此當比值的絕對值大于1時，分子是故障線路，絕對值小于1時，分母是故障線路.

2.2 中性點經消弧線圈接地

由圖2可知，該仿真可設置不同的參數并改變出線數目.筆者分別在3條線路和4條線路時設置L3和L4的A相單相接地故障，目的是想通過分析證明，在中性點經消弧線圈接地系統中利用不同線路之間零序電流的比值來判斷線路故障的方法是否可行.當3條線路參數相同時，中性點消弧線圈接地補償后，不同各線路之間的零序電流比值情況見表1.

表1 參數相同時3條線路之間的零序電流比值 H

由表1第4列和第6列可知，零序電流的比值隨著消弧線圈接入容量的增大而增大，由此可以判斷是分子線路故障，即線路3故障.由第5列和第7列可知，容性零序電流的比值隨著消弧線圈介入容量的增大而不斷減小，因此可以判斷是分母線路故障，即線路3故障.該結論與上面假設的故障是一致的，因此用零序電流比值算法可以在這種情況下進行接地選線.

當3條線路參數不同時，中性點經消弧線圈接地補償后，不同各線路之間的零序電流比值情況見表2.

表2 參數不同時3條線路間的零序電流比值 H

由表2可知，第1列和第2列的數值不變，由此可判斷線路1和線路2都是非故障線路，線路3故障.同樣依據第4列和第6列，隨著接入消弧線圈容量的增大，兩條線路的零序電流的比值不斷增大的情況，可判斷出是分子線路故障，即線路3故障.由第5列和第7列可知，隨著消弧線圈接入容量的增大，兩線路的容性零序電流的比值不斷減小，從而判斷出是分母線路故障，即線路3故障.這與假設的故障情況一致.

假設當4條線路參數相同時，不同線路之間的零序電流比值見表3.

假設當4條線路線路參數不同時，不同線路之間的零序電流比值見表4.

表3 4條線路參數相同時各線路之間的零序電流比值 H

表4 4條線路參數不同時各線路之間的零序電流比值 H

無論線路的參數是否相同，都符合如下規律:

(1)L1/L2，L2/L1，L2/L3，L3/L2，L1/L3，L3/L1這6組數據與消弧線圈接入的容量無關，且不隨消弧線圈補償度的不同而變化，而是始終保持不變;

(2)L4做分母時，其比值都是隨著補償度的增大而不斷增大;

(3)L4做分子時，其比值都是隨著補償度的增大而不斷減小;

由此可判斷線路4故障，這與假設情況一致.

3 結論

(1)在中性點不接地系統中兩線路容性零序電流的比值為負的兩條線路中有一條是故障線路.絕對值大于1的分子是故障線路，絕對值小于1的分母是故障線路.

(2)在中性點經消弧線圈接地的小電流接地系統中，兩線路容性零序電流的比值與消弧線圈接入容量的大小無關的是非故障線路.若兩線路的容性零序電流的比值隨消弧線圈接入容量的增大而增大，則分母是故障線路，若兩線路的容性零序電流的比值隨消弧線圈接入容量的增大而減小，則分子是故障線路.

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