基于多重判據的單相接地選線研究

姜華

1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206

2.徐州供電公司，江蘇徐州 221005

基于多重判據的單相接地選線研究

姜華1,2

1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206

2.徐州供電公司，江蘇徐州 221005

通過理論、仿真和大量6kV系統模擬接地實驗數據為基礎，分析了小電流接地系統發生單相穩態接地和單相電弧性接地故障時零序分量的特征。依據這些特征分別對中性點不接地系統和中性點經消弧線圈接地系統設計可以滿足穩態接地和電弧性接地的選線方法，且該方法具有計算簡單、抗干擾能力強、故障判據大、便于實際應用等優點。經實驗驗證具有較高的選線準確性。

小電流接地系統；電弧接地；暫態電流；準確性

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

引言

小電流接地系統中80%左右的故障為單相接地故障。在這一故障下，小電流接地系統線電壓仍對稱，不影響對用電戶的供電，故不必立即分斷故障電路（規程規定可以繼續運行1～2小時），有利于提高供電的可靠性，為此，我國中壓系統采用小電流接地方式。由于小電流接地系統單相接地故障電流小，接地選線困難，為此，近幾年來，引來許多學者對其研究[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（S注入）法、零序導納法、首半波法、暫態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場使用，但是選線效果均不很理想，誤選、拒選的幾率比較高。本文結合本課題組近幾年所獲取的單相接地故障數據，分析了影響單相接地選線準確性的原因，并提出了解決辦法。

1 影響接地選線準確性的原因

小電流接地系統發生單相接地故障時，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，應該能夠根據這些差別實現故障選線。但是，實際應用中由于以下多種因素的影響，造成選線裝置準確性并不高[9]。

（1）單相接地故障的復雜性。小電流接地系統發生單相接地故障時，零序電流的大小、頻率、方向等特征與系統結構、變壓器參數、故障地點、故障時刻等多種因素有關，其類型多種多樣，從而故障信號的特征也多種多樣。因此，只有同時具有基于暫態和穩態故障信號分析的選線方法才能提高選線的準確性。

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

（3）中性點接地方式的影響。小電流接地系統發包括不接地、高阻接地和經消弧線圈接地三種方式，而每種方式發生接地故障的特征又不一樣，因此選線準確性還會受到系統中性點接地方式的影響。

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

2 單相接地選線方法

由文獻[9]可知對于小電流接地系統的單相電弧性接地，各線路的零序暫態電流在大小和方向上與中性點不接地系統的穩態特性相似。而中性點經消弧線圈接地系統的穩態分量與之有較大差別。因此對中性點經消弧線圈接地系統必須采用不同的選線方法才能滿足準確性的要求。

2.1 中性點不接地系統

對于中性點不接地系統，不論發生穩態接地還是電弧性接地故障，其都滿足故障線路零序測量等于所有非故障線路零序測量電流之和，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。假設第條線路為故障線路。

由式（3）、（4）可知故障線路的判據為正，非故障線路的判據為負，且故障線路的判據遠遠大于非故障判據的絕對值。因此當計算出某一線路的故障判據為正且其絕對值最大時，就可以判斷出該線路為故障線路。當所有線路的故障判據都為負時則可判斷為母線故障。式（1）的微機實現算式可用公示（5）來表示:

2.2 中性點經消弧線圈接地系統

由上述分析和文獻[8]可知，對于中性點經消弧線圈接地系統當發生單相電弧性接地故障時各線路零序暫態電流的特征與中性點不接地系統相同。因此，對于中性點經消弧線圈接地系統的單相電弧性接地故障利用式（1）即可。

中性點經消弧線圈接地系統，由于消弧線圈電感的補償作用，使得故障線路與非故障線路的零序測量電流之間的差別較中性點不接地系統要小得多，增加了選線的困難。理論上講，中性點經消弧線圈并(串)電阻接地系統，可以利用零序有功電流方向和導納互差之絕對值和極大值的方法進行準確選線，但是為了保證消弧線圈的補償效果，一般阻尼電阻應該在很短時間內切除。阻尼電阻切除后以上兩種選線方法就失效，因此對這種系統，用以上兩種方法的選線時間、機會有限。這不利于充分發揮微機選線“多判據、自糾錯”的優勢，對準確選線不利。中性點經消弧線圈接地系統，由于沒有并（串）電阻時，系統阻尼率又很低，以上兩種選線方法基本無效。因此，只有5次諧波方向原理或5次諧波的導納互差之絕對值和極大值法有效，但實際系統中5次諧波含量不高，且各不相同，選線保護裕度較低，即使采用5次諧波的導納互差之絕對值和極大值法，其保護裕度也很小。雖然殘流增量法有較高的選線準確性，但它需要消弧線圈的調節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償的脫諧度不利于故障點電弧的熄滅，影響到消弧線圈的補償效果，在選線裝置大量推廣方面存在較大困難。為此，結合微機長記憶的特點提出的一種基于故障導納預記憶的選線方法，其原理如下:

母線發生單相接地故障時，將第條線路的預測量零序導納順時針旋轉90°得:

假設系統中第k條線路發生單相接地故障，則有:

第條非故障線路的零序測量導納為:

令故障時各線路的測量導納與其對應預測量導納的偏移導納進行“點積”可得判據。

第條非故障線路的判據為:

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

由式（9）、（11）可見故障線路與非故障線路有明顯區別。從理論上說是完全可以判斷出故障饋線的，但實際上，由于零序電流互感器的誤差、非線性及各互感器之間技術參數的非一致性，容易誤判。為提高保護裕度，現對各線路 進行互差絕對值求和計算，即:

由上式可知，故障線路判據為非故障判據的（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差就越大，越有利于準確選線。

3 實驗分析

為驗證上述方法的有效性分別在本校6kV模擬系統上進行了模擬電弧性接地實驗。該系統中性點方式選擇為中性點不接地或中性點經消弧線圈。且具有三條線路，各線路對地電容可調。

表1為電弧性實驗故障判據計算結果。表中數據為同樣實驗下故障線路與非故障線路故障判據相差最小的一組數據，故障列指的是本線路作為故障線路時的故障判據，非故障列指的是其它兩線路中故障時本線路故障判中的大者（表中數據為采樣頻率12000kHz，計算時間為3mS，穩態接地故障計算時間為10mS）。

表1 系統參數和實驗結果Table1 The net parameter and experiment results

通過上述分析和實驗可知，針對中性點不接地系統穩態和暫態的零序電流互積求和選線法具有（1）在計算故障判據時，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量零序電流與所有其他線路測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，干擾信號將被這大信息量所淹沒，使抗干擾能力大為增加。（2）該方法即可應用于電弧接地故障也可應用在中性點不接地或經高阻接地系統的穩態接地故障中。（3）系統出線數越多，該方法保護裕度越大，但只要系統具有3條線路，就能滿足本方法的要求。

對于針對中性點經消弧線圈接地電穩態接地故障而提出的導納預記憶法具有的特點如下:（1）本選線方法在故障判據計算時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，并取絕對值后的和，其信息量大，包含了所有出線的信息。干擾信號將被這大信息量所淹沒，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，使保護裕度大為增加。（2）由于采用相對值進行計算，因此減少了故障點過渡電阻的影響。（3）在使用本方法時有一個缺點，即必須在使用前進行一次母線單相接地試驗，且接地電阻越低，其精度越高。

4 結語

小電流接地系統地單相接地故障主要分為穩態接地故障和電弧性接地故障，由于基于穩態分量分析的保護方法只對穩態接地故障有效，而基于暫態分量分析的保護方法只對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，應該綜合采用基于穩態和暫態分量分析的方法來實現保護。對于中性點不接地系統本文提出了即可以用于穩態接地故障也可以用于暫態接地故障的零序電流互積求和選線法。對于中性點經消弧線圈接地系統該方法只能用于暫態接地故障，因此對于穩態接地故障提出了導納預記憶選線法。通過分析和實驗可見，本文提出的方法既能滿足穩態接地也能滿足電弧性接地，同時具有計算簡單，無需濾波等優點。

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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，從事電力系統自動化方面的研究。