基于零序電流補償算法的小電流接地系統(tǒng)單相接地選線研究

張勇　李敏

摘 要 本文對每條線路分別建立故障數(shù)學(xué)模型，對各條線路零序電流進(jìn)行補償，對于補償計算后的零序電流計算器幅值，通過仿真結(jié)果的對比，確定故障線路，從而達(dá)到正確選線的目的。

【關(guān)鍵詞】零序電流 補償算法 單相接地選線

我國配電網(wǎng)大多采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地（即小電流接地）的運行方式，其中尤以經(jīng)消弧線圈接地方式占絕大多數(shù)，由于故障點的電流很小、電弧不穩(wěn)定等原因，接地選線的問題一直未被完滿解決。配電網(wǎng)是電能輸送中直接與用戶相連的環(huán)節(jié)，其可靠性直接關(guān)系到對用戶的供電質(zhì)量。因此，提高配電可靠性是提高電力系統(tǒng)供電可靠性的重要內(nèi)容。

發(fā)生單相接地故障后，由于三相之間線電壓仍然保持對稱，對負(fù)荷供電沒有影響，因此允許帶故障繼續(xù)向負(fù)荷供電1-2小時。但是，這種運行方式會造成健全相電壓升高，長期帶故障運行可能造成新的短路故障，影響電力系統(tǒng)安全。因此，應(yīng)盡早找出故障線路，采取措施予以消除。

1 小電流接地選線研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的以基頻零序電流電壓作為特征的接地選線方法，主要是依靠群體比較電流的大小和方向。由于受線路參數(shù)、過渡電阻及消弧線圈的影響，接地故障電流變化很大，尤其是經(jīng)消弧線圈全補償?shù)臅r候，接地電流很小，幅值和方向的測量困難，影響保護精度，靈敏度不高。基于零序五次以上諧波的方法雖然不受消弧線圈的影響，但故障信號中諧波分量很小，靈敏度受到很大限制。而且這些方法都需要比較各條支路電流的大小和方向，所以很難與饋線保護合為一體，不能滿足配電自動化的要求。

單相接地時，接地電容電流的暫態(tài)分量往往比穩(wěn)態(tài)值大十幾倍到幾十倍，基于暫態(tài)信號的選線方法靈敏度高且不受消弧線圈的影響，但現(xiàn)有方法大多有待完善。首半波法其極性關(guān)系成立時間極短（遠(yuǎn)小于暫態(tài)過程），檢測可靠性不高，而且在相電壓過零時故障，首半波電流暫態(tài)分量很小，以及過渡電阻的影響，該方法可能失效。基于小波變換的選線方法利用了故障電壓和電流瞬時過程的特征量，具備了快速性和精確性，但易受外界電磁干擾和過渡電阻的影響。

綜上所述，小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障選線問題始終沒有得到徹底解決（尤其對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)），一直是繼電保護領(lǐng)域研究的熱點和難點。

2 本文研究思路

本文的選線方法的實質(zhì)是借助消弧線圈中的零序電流已知實現(xiàn)選線，有效的實現(xiàn)了單相接地選線的準(zhǔn)確性和可靠性。最后，用ATP對故障情況進(jìn)行仿真，結(jié)果證明了本文方法的有效性。 如圖1所示。

當(dāng)采用消弧線圈以后，單相接地時的電流分布將發(fā)生重大的變化。當(dāng)線路J上A相接地以后，電容電流的大小和分布與不接消弧線圈時是一樣的，不同之處是在接地點又增加了一個電感分量的電流，因此，從接地點流回的總電流為

=+ （1）

式中： ——全系統(tǒng)的對地電容電流。

—— 消弧線圈的電流。

由于 和 的相位大約相差180°，因此 將因消弧線圈的補償而減小。并且由于在實際中，廣泛采用過補償方式，所以本文僅研究過補償?shù)那闆r。當(dāng)過補償時，有IL>IC∑，補償后的殘余電流是電感性的（采用這種方法不可能發(fā)生串聯(lián)諧振的過電壓問題）。

故障線中零序電流為：

=（?）+ （2）

式（2）中， 是故障線路中的零序電流， 是所有線路對地電容電流（即零序電流）之和， 是故障線路本身對地電容電流。

健全線路中零序電流為：

= （3）

式中， 是第I（I=1，2，3，4，5，6）條健全線路中的零序電流， 是第I條健全線路本身對地電容電流。

則由以上分析可得出如下結(jié)論：當(dāng)采用過補償方式時，流經(jīng)故障線路的電流是流過消弧線圈的零序電流與非故障元件零序電流之差，而電容性無功功率的實際方向仍然由母線流向線路（實際是電感性無功由線路流向母線），和非故障線路的方向一樣。

為了解決上述問題，在消弧線圈中電流 已知時，即可給式（2）和式（3）分別減去 ，則可得下式：

故障線路：

= ? （4）

健全線路：

= ? （5）

其中和均為容性電流，但是由式（4）和式（5）可得如下結(jié)論：（1）由于是過補償則：IL>IC∑，所以顯然有I0J'IC∑，所以，必有：>IL 。

3 ATP仿真驗證

3.1 仿真模型及參數(shù)

系統(tǒng)仿真模型如下頁的圖1所示。該模型是一個10kV的配網(wǎng)饋線系統(tǒng)，由架空線與電纜線構(gòu)成，出線共有六條，其中L3、L6為電纜線路，其余出線為架空線路。主變?yōu)閅/Δ-11接線，所用變壓器中性點通過開關(guān)K與消弧線圈相連，K打開為中性點不接地系統(tǒng)，K閉合為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

仿真模型中，架空線零序參數(shù)：R0=0.23?/km，L0=5.478mH/km，C0=0.008?F/km；架空線正序參數(shù)：R1=0.17?/km，L1=1.21 mH/km，C1=0.00969?F/km。電纜線零序參數(shù)： R0=2.7?/km，L0=1.0191mH/km，C0=0.28?F/km；電纜正序參數(shù)：R1=0.27 ?/km，L1=0.2548 mH/km，C1=0.3391?F/km。

主變參數(shù)：額定電壓比為UN1/UN2/UN3=110/38.5/11kV，額定容量SN=31.5MVA；空載實驗參數(shù)：空載電流I0=1%，空載損耗 P0=46kW；短路實驗參數(shù)：短路電壓比為Uk（1?3）=17.25%，Uk（1?2）=10.27%，Uk（2?3）=6.13%；短路損耗Pk（1?3）= 243.5kW，Pk（1?2）= 262.4kW，Pk（2?3）= 181.5kW。

負(fù)荷參數(shù)：實際系統(tǒng)負(fù)荷千差萬別，即使是同一條線路，其各相間負(fù)荷也不盡相同，精確模擬比較困難，本文仿真中用一個等效阻抗ZL=400+j100?代替。中性點經(jīng)消弧線圈接地方式運行時，補償度約為8%，仿真中采樣頻率為50kHz。

4 結(jié)論

本文所提基于零序電流補償算法的小電流接地系統(tǒng)單相接地選線克服了以往選線方法的弊端，具有選線原理簡單、選線準(zhǔn)確性高等優(yōu)點，并且本文通過ATP仿真驗證，證明了本文所提選線方法的正確性和可靠性，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

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作者單位

西安供電公司 陜西省西安市 710032