S注入法選線局限性研究

李俊，丁凡，王科，王紀斌，徐云龍

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

1 問題的提出

在我國6～35 kV配電網(wǎng)中，大多數(shù)電網(wǎng)采用小電流接地方式。電網(wǎng)中若發(fā)生單相接地故障，可允許電網(wǎng)繼續(xù)運行1～2 h，隨著電網(wǎng)容量的增大，電容電流也隨之增大，電流經(jīng)過消弧線圈接地方式被廣泛使用，但其削弱故障特征卻對接地保護裝置構成了挑戰(zhàn)。

1998年，山東工業(yè)大學桑在中等人提出了向電網(wǎng)中注入信號的方法，通過對注入信號進行循跡。此后，許多人都在此基礎上進行了深入研究，針對注入信號的形式、頻率及信號的接收等問題也提出了一些改進優(yōu)化的方法(如注入信號編碼、降低S注入信號頻率、雙頻率注入法、帶有小波濾波算法的窄帶通濾波器等)。另外，對于注入信號的監(jiān)測，一般需要工作人員手持信號接收器沿故障線路探測，這樣會拖延時間，可能會導致故障進一步擴大。所以，一些學者提出在架空線路沿線隔一定距離裝設信號探測器，基于電網(wǎng)的模型確定故障的區(qū)段。

這種主動式信號注入法定位雖然克服了以往多數(shù)故障裝置利用故障發(fā)生后監(jiān)測特征信號的被動局面，但它的應用也有一定的局限性，嚴重影響了選線與定位的實現(xiàn)。本文試圖用仿真的方法分別討論過渡電阻、線路長度對選線、定位的影響。給出了具體的仿真曲線，分析了仿真結果后，總結出基于S注入法選線與定位的應用局限。

2 S注入法基本原理

S注入法的基本原理如圖1所示。在圖1中，信號源接在變電所母線的PT二次側，通過檢測PT開口三角的電壓判斷是否發(fā)生單相接地故障并進行鑒相。在發(fā)生故障時，由于PT的某相相當于被閑置，所以，無需添加任何系統(tǒng)設備，電源與系統(tǒng)僅靠電磁聯(lián)系，沒有絕緣的問題。將一定頻率的信號注入該相的母線，通過各個分支處及線路中的探測器反饋的接收信號的情況來進行接地故障的選線與定區(qū)段。

當發(fā)生金屬性接地故障時，對地的分布電容對注入信號的分流作用可忽略不計，注入信號的流通路徑如圖1中單線箭頭、虛線所示。

然而實際情況并非這么簡單，在發(fā)生故障前、后，均可以看出有分布電容的存在，如圖1中的C3－1、C3－2，它的大小與線路長度成正比，當線路較長、過渡電阻并沒有那么理想時，無論是非故障線路還是故障后線路，它們的分布電容都會對注入的電流信號起分流作用，削弱選線和定位的效果，如圖1中的雙線箭頭、虛線所示。下面的仿真中將會對其情況進行分開討論。

注入信號選取有一定的原則，首先不能與基本頻率及其頻率的倍數(shù)相同，否則，注入信號將會淹沒在基波及其諧波中;其次，不能影響通信及其他信號的正常工作。所以，對注入信號的基本要求可總結為:躲過基波及各次諧波，

式中:fn為某次諧波;fzr為注入信號頻率。

3 過渡電阻與線路長度對選線影響的仿真

3．1 過渡電阻對選線影響

用PSCAD搭建的仿真模型如圖2所示。其中，傳輸線選為Bergeron模型，它是基于行波原理的常頻率模型，它能準確模擬線路穩(wěn)態(tài)的阻抗或導納。在圖2中，I1～I4分別代表4條出線線路上的電流，4條出線長度設為13，18，21及11 km，分別帶不同大小的純阻性負載。注入電流源電流10 A，初相角為0，頻率為220Hz。線路t=0．1 s發(fā)生故障，并持續(xù)至仿真結束，在t=0．2 s時開始注入信號電流，以便故障干擾減弱后利于觀測。

當過渡電阻R0=50Ω時，仿真結果如圖3所示。

需要說明的是，圖中穩(wěn)定波形的幅值不能代表實際中的電流大小，這是因為在濾波器的作用下幅值會有畸變，所以，該仿真中注入信號的功率也沒有實際中的那么大，但其波形不變，且每個電流所經(jīng)過的帶通濾波器參數(shù)相同，即能準確反映出其比例。其中，t=0～0．1 s的振蕩是由于電源上升至穩(wěn)定值造成的，線路在t=0．1 s發(fā)生單相接地故障有較大幅值的高頻電流存在，至t=0．2 s時，待干擾逐漸變小后，注入頻率為220Hz的電流，t=0．2 s后是觀察重點。從仿真結果可以看出:故障線路故障相電流明顯大于非故障線路電流(約為40倍)，選線準確率高。

圖3 過渡電阻為故障相電流與非故障線路電流對比

當R0=200Ω時，過渡電阻為200Ω故障相電流與非故障線路電流對比如圖4所示。

上述仿真結果表明:故障相故障電流急劇減小，但仍是非故障線路電流的20倍左右，也能準確尋出故障線路。

當R0=1 000Ω時，過渡電阻為1 000Ω故障相電流與非故障線路電流對比如圖5所示。

故障線路故障相電流為非故障線路的5倍，為同一個數(shù)量級，區(qū)分的不明顯，不易選線。上述問題也說明了在頻率為220Hz的注入信號下，當過渡電阻大于1000Ω時，區(qū)分度不明顯，選線困難，容易造成錯判。

通過修改注入信號的頻率，可以得到在不同過渡電阻下故障線路故障相電流與非故障線路電流的比值，將結果記錄并擬合出其關系曲線如圖6所示。

其中:橫坐標代表電阻值;縱坐標代表電流比值;y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7，y8和y9分別代表 20，40，60，80，120，180，220，280 和 320Hz。

3．2 線路長度對選線的影響

對仿真模型稍作修改，是為了更容易理解，這里只仿真了2條出線的情況，線路長度影響PSCAD仿真模型如圖7所示。

上面的模型參數(shù)不變，在過渡電阻不變、2條出線長度相對變化的情況下做出仿真，下面僅分別以典型的頻率為60Hz和頻率為220Hz為注入信號來考慮:設L1為故障線路，L2為非故障線路，用n=L1/L2來定義2條出線長度的比例，通過改變n進行仿真，結果顯示如圖8所示。60Hz時線路長度對選線影響如圖9所示。

其中:橫坐標代表n，代表2條線路的相對長度比例;縱坐標代表故障線路故障相與非故障線路的電流比值。圖8中的n1，n2，n3，n4分別對應的過渡電阻是100，200，500，1000Ω，圖9 中的 n1，n2，n3，n4分別對應的過渡電阻是 100，500，1000，2000 Ω。

仿真結果分析:

(1)對于圖6中的低頻率部分(20～120Hz)，當過渡電阻較小時，故障電流明顯大于非故障電流。隨著過渡電阻增大急劇減小，當頻率較低時，線路容抗XC=1/jωC(式中:XC為線路容抗;ωC為角頻)較大，非故障線路對注入信號的分流作用較小，隨著過渡電阻的增大，分流作用越加明顯，直至無法區(qū)分。值得指出的是，線路對地的容抗數(shù)量級較大。相關文獻指出，頻率在60Hz，220Hz，線路長度為20 km的情況下，線路的容抗試驗值為3．38kΩ，分流電路支路電流為曲線，式中:I為分流電

R路支路電流;R為分流電路支路電阻。在仿真的過渡電阻范圍內(nèi)，比值恒大于1。

(2)對于圖6中高頻部分，隨著頻率的升高，分流作用凸顯，表現(xiàn)為曲線隨著頻率的升高逐漸降低，同時也可以看到，在過渡電阻在500Ω時，60 Hz的電流比為50，而120Hz的電流比僅為10～20，所以，降低頻率的方法可有效增大注入法的適用范圍。

(3)從圖8、圖9可以看出，在出線長度比n=0．5～5．0時，仿真結果與前面的結果類似，即2段線路在長度差別的不大且在過渡電阻不大的情況下，各個頻率的信號選線結果比較理想;當n＜0．5時，即故障發(fā)生在較短線路上時，故障線路不易區(qū)分，而當n＞5時，即故障發(fā)生在較長線路上時，故障卻容易區(qū)分;原因是n較小時非故障線路長，導致總的對地電容的較小，容抗小，特別是經(jīng)一定過渡電阻接地時，分流的作用很明顯，區(qū)分度不大，反之，分流作用減弱，區(qū)分度增強。仿真結果說明，選線準確性與出線的相對長度有關，其中，若線路差距較大，發(fā)生在較長線路上的故障最易選出。

4 線路長度對定位的影響仿真

有關學者對水泥桿塔過渡電阻的試驗研究表明，在干燥的冬天，其電阻多為10～20 kΩ，而在潮濕多雨的夏季，其電阻多為3 kΩ;在故障進行定位時，有必要考慮經(jīng)水泥桿塔接地的定位有效距離問題。

與上述模型均相似，唯一不同的是線路L1被分為2段:TLINE1－1和 TLINE1－2，通過改變TLINE1－2段線路的長度來研究線路長度對故障定位的影響。值得注意的是，作者考慮的是故障點前、后電流的變化，為了方便分析，可設定故障點前線路的長度不變，令TLINE1－1長度保持不變，甚至可將TLINE1－1去掉，即忽略故障前分布電容的影響，使仿真結果更為明確，如圖10所示。

下面以典型的220 Hz為例進行仿真，如圖11所示。

其中:y1，y2，y3，y4，y5對應的過渡電阻分別為1，3，5，10，20 kΩ。橫軸為 TLINE1 －2 的長度，縱軸為故障點前、后電流值之比Iq/Ih(其中:Iq代表故障點前電流;Ih代表故障點后電流)。

仿真分析:

(1)隨著線路的增長，容抗減小，逐漸接近過渡電阻，甚至小于過渡電阻，區(qū)分效果變差，定位的效果不明顯，當故障點前、后電流比值小于2時，可認為電流沒有發(fā)生突變，定位失效。

(2)故障定位的有效距離隨過渡電阻增大而減小。對于20 kΩ的過渡電阻，頻率為220Hz信號幾乎沒有定位能力;對于1 kΩ與3 kΩ的過渡電阻來說，注入信號頻率為220Hz，定位的有效長度也都在60 km和30 km以上，這對于10 kV電網(wǎng)來說已經(jīng)足夠了。

5 總結與展望

(1)注入信號循跡法思路新穎，不依靠故障信號的特征，但在實際應用中有其局限性。從上述仿真結果來看，選線的條件要比定位的條件苛刻，對于1 kΩ以上的過渡電阻，采用信號注入選線方法無能為力。而用于定位時，在過渡電阻10 kΩ及以上經(jīng)水泥桿塔接地的情況，其有效距離十分有限。

(2)在注入不同頻率的信號時，不可避免地引入了一些諧波，即使其在電能質(zhì)量要求范圍之內(nèi)，也會影響到對注入信號的提取，特別是在故障電流信號區(qū)分不明顯的時候。同時，降低頻率的方法雖有效地增加了選線及定位的效果，但其相比于注入頻率為220Hz的信號引入的諧波更多，低頻率信號注入法也增大了電源制造的難度，增加了成本。本文沒有考慮具體電流的大小及諧波對選線和定位的影響，上述仿真條件較實際要理想得多。

(3)針對上面的選線瓶頸，許多學者進行了研究，值得一提的是，利用行波法進行選線是個比較新的研究方向。同時，針對水泥桿塔對故障定位影響，已有學者提出采用注入直流信號的方法來消除分布電容的分流作用，不過其對信號的檢測是個難點，還未能應用于實際，但卻是個大膽的嘗試。

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