基于零序有功分量法的短時投切并聯小電阻的選線原理分析

陳曉川

摘 要：因為機理局限，選線試驗效果好而實際準確性差的怪象成為消弧選線裝置的常見情形。為此，供電局嘗試采用了對消弧裝置本體進行加裝并聯小電阻的改造方案，在單相接地故障時消弧線圈投入的瞬間投入小電阻，在短時內制造出明顯的零序電流有功分量，極大地強化故障特征，有效提高選線的準確性。

關鍵詞：消弧線圈；故障選線；并聯電阻；零序有功分量

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A

隨著科學技術的發展和社會需求，近年來我國配電網規模逐漸擴大，用電設備容量也逐年增加。特別是在電力線路上，近年來電纜呈現增多趨勢，而隨著電線電纜的增加，當發生電路故障時，單相接地故障產生的容性電流也增大。為了解決該問題，供電局目前主要采用中性點經消弧線圈接地模式。

當單相接地故障發生，它表現的主要特點為電流小，相對應的非故障電壓反而升高，但整個電力系統的電壓保持正常，還可以正常繼續運行1h～2h。單相接地故障雖然對整個電力系統電壓不造成影響，但長期發生故障會影響整個電力系統的正常運行，安全問題也隨之增加，為了預防安全隱患，也為了保持整個電力系統的正常運行，在發生故障之后，必須正確地找出故障點，立即解決。

但是消弧線圈的感性電流補償電容電流后，故障特征變微弱，使得選線裝置難以感受到故障量，從而選線變得困難。所以，解決選線不準的核心就在于不影響消弧補償的前提下使故障量明顯。

1.目前消弧線圈接地選線的普遍情況

目前供電局主要采用的消弧選線裝置主要有兩種，分別是廣州智光電氣生產的消弧選線裝置和上海思源電氣的5次諧波法。在購買裝置時，相關設備試驗性良好，但在實際使用過程中，卻容易出現失效。廣州智光電氣采用消弧選線裝置原理為：接地選線和消弧線圈聯合，在消弧線圈補償時提供擾動量，結合補償前后各條線路零序電流的變化進行判斷。但是故障線路零序電流大小變化和接地過渡電阻阻值有關，一般是阻值越小，電流越大；阻值越大，電流越小。當它在判斷高阻接地時，由于電流過小，就難以判斷。

上海思源則采用5次諧波法，它的運用原理為：線路電容電流的5次諧波大于消弧線圈補償電流5次諧波，利用線路電流諧波和消弧線圈補償諧波的相反原理，可以判別出故障線路和非故障線路。但由于電力系統中存在非線性鐵芯設備，且數量較多，這些非線性鐵芯設備產生的諧波較高，而零序5次諧波電流的幅值很小，故障量不明顯，在干擾下，就難以判斷故障線路。

鑒于以上消弧接地選線裝置普遍存在實際選線不準的問題，經了解佛山供電局已經開始對部分變電站進行了消弧線圈及選線裝置改造，目前采用的故障選線方式為利用消弧線圈并聯小電阻。連接原理為：在消弧線圈兩端并聯小電阻，小電阻增加的電流會使接地電流相位幅值發生明顯的改變。這樣的連接方法有效克服消弧選線裝置和5次諧波法的缺點，金屬接地、母線接地、高阻接地發生故障后都能準確地選線，實際準確性高達100%。下面就短時投切并聯小電阻接地選線的原理和零序電流有功分量法的計算方法進行分析討論。

2.消弧線圈短時投切并聯小電阻的接地選線原理

在實際選線的過程中，由于零序電流互感器等因素的影響，有功分量太小造成選線準確性難以保證。而在消弧線圈兩端并聯一個電阻可以提高消弧選線的正確性。當發生單相接地故障，短時間內可控電抗器立即輸出補償電流，減小接地產生的電流，最終消除弧光。如果是瞬時性接地故障，則故障消除，恢復正常狀態；若為永久接地故障，則可以通過控制高壓接觸器將小電阻瞬時投入系統中，借助有功電流產生的變化選線，而因為并聯電阻產生的零序有功電流只通過故障線路，故障線路的零序有功功率比非故障線路大，因此可以以零序有功分量作為選線的判斷依據，這樣的方式可以提高故障選線的準確性，再利用線路保護裝置將接地線路跳閘，隔離故障線路。

單相接地故障發生后，5s內中性點的零序電壓可以達到穩態值，這時并聯小電阻，可以避免單相接地時的暫態過程和瞬時性接地故障。小電阻的阻值選擇需要依據單相金屬接地故障產生的電流，并聯運行時間需要根據各條線路對零序電流采樣時間決定。過流保護的出口時間一般為3s～5s，遠遠大于小電阻的投入并聯的短暫時間，因此并不會對系統原有的運行方式造成任何影響。當選線結束后，立即退出并聯電阻，通流時間控制在1s之內。

3.零序電流有功分量法的計算分析

以下詳細展現3條出線的中性點經消弧線圈并聯小電阻接地系統，為了觀察方便，經過簡化畫出單相接地時三相的電容電流分布圖，如圖1所示。

由上可知，本支路對地電容產生的容性電流是流過非故障線路的唯一零序電流，相位超前零序電壓90°。但通過故障線路的零序電流包括3種：

第一是非故障線路零序電流之和，相位滯后零序電壓90°；

第二是消弧線圈產生的補償電流，相位超前零序電壓90°；

第三是中性點電阻產生的電流，相位滯后零序電壓180°，此電流為有功分量。

永久性單相接地故障發生時，連接在消弧線圈上的電阻通過斷路器或者雙向晶閘管接入，使通過故障點的電流加大。

I=IR+IL+IC

簡單來說，

因為電感電流與電容電流互為補償關系，因此IL+IC≈ 0，因此I≈IR。

由此可知，并聯在消弧線圈上的電阻R取值合適，就可以加大流過故障點的有功電流分量，而有點電流分量加大后導致通過故障點的零序電流增加，而非故障線路通過的電流較小，由此可以判斷故障線路和非故障線路。當故障線路選出后，并聯小電阻的退出可以通過斷開斷路器來完成。

圖2展示了故障和非故障線路零序電流向量。由圖2可見，系統發生單相接地故障時，消弧線圈在沒有并聯電阻的前提下，通過故障線路的零序電流可能比非故障線路的零序電流小，這樣的情況下就難以判斷故障和非故障線路；如果消弧線圈并聯小電阻，通過故障線路的電流只有并聯電阻產生的零序電流，故障線路的零序電流增大后，就可以判斷故障線路和非故障線路。

4.消弧線圈短時投切并聯小電阻的理論和實際效果

從理論的角度來看，消弧線圈并聯電阻后，既能使用消弧線圈本身的優點，同時又能避免消弧線圈難以判斷故障和非故障的缺點。同時，并聯電阻運行時間短，對電路系統產生影響小，因此中性點經消弧線圈接地系統，用短時投切并聯小電阻進行故障選線是一個可供選擇的方案，這對進一步保證供電質量、提高供電可靠性具有很大益處。

從運行的角度來看，由于供電局新改造的短時投切并聯小電阻的消弧選線裝置，還沒有按投入并聯小電阻的方式整定，所以實際運行中的選線正確性效果還暫時未能驗證。不過，根據兄弟單位供電局的短時投切并聯小電阻消弧選線裝置的實際運行情況來看，選線準確性幾乎達到了100%。

結語

隨著相關技術和配電網的發展，中性點經消弧線圈接地方式逐漸得到廣泛使用，然而消弧線圈產生的電感電流抵消了故障線路中的電容電流，給選線準確性帶來了難題。本文針對目前供電局消弧選線裝置普遍存在實際選線準確性較差的情況，通過零序電流有功分量法的計算方法，從并聯小電阻的接地選線原理進行研究分析，闡明了短時投切并聯小電阻方案的可行性，同時驗證了該方案選線的準確性。

參考文獻

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