小電阻接地系統(tǒng)高阻弧光接地故障特征分析*

張勇志，張棟柱

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山 528400；2.湖南英科電力技術(shù)有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式作為配電網(wǎng)的主要接地方式之一，其優(yōu)點(diǎn)之一在于發(fā)生單相接地故障時(shí)，較大的故障電流使故障線路帶有明顯的故障特征，保護(hù)可快速動(dòng)作并切除故障線路[1-2]。然而，目前10kV饋線常配置的階段式零序電流保護(hù)對單相經(jīng)高過渡電阻接地故障的靈敏度較低，可耐受的過渡電阻值約為100W，遠(yuǎn)不能滿足高阻檢測的需求。雖然高阻接地故障的接地電流較小，但其通常是由架空線路斷線掉地、樹枝掛碰以及電纜絕緣受潮等原因引起[3-4]，若不能排除故障，將可能擴(kuò)大故障范圍，甚至引發(fā)人身安全事故。因此，不管是從系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的角度考慮，還是從人身安全的角度考慮，提高小電阻接地系統(tǒng)保護(hù)對高阻接地故障的靈敏度至關(guān)重要。

高阻接地故障的顯著特征是故障電流小，這就導(dǎo)致一些單純基于電流有效值的保護(hù)算法的靈敏度大大下降。因此，本文作者從高阻接地故障的發(fā)生機(jī)理出發(fā)，結(jié)合線路的零序電流、母線的零序電壓以及兩者之間的關(guān)系，分析小電阻接地系統(tǒng)高阻接地故障的暫穩(wěn)態(tài)特征，為研究具有高靈敏度的保護(hù)算法提供相關(guān)的思路和可行性的方向。

1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障分析模型

1.1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障模型

圖1為帶4條饋線的小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖。圖中，Rg為接地小電阻，其接在曲折變壓器（Zigzag Transformer）的中性點(diǎn)上，阻值為10 W；H1～3為非故障線路，F(xiàn)為故障線路。故障點(diǎn)P帶有過渡電阻Rf，其可為線性電阻，也可為非線性電阻。

圖1 小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障示意圖Fig.1 Single-phase grounding faultin low-resistance grounding system

1.2 電弧模型

由于發(fā)生高阻接地故障時(shí)，通電導(dǎo)體與高阻介質(zhì)之間通常存在著電弧燃燒現(xiàn)象[5]，所以對電弧進(jìn)行建模顯得十分必要。

現(xiàn)有的電弧模型大致可分為兩大類：一類是關(guān)注電弧燃燒的內(nèi)部物理特性而建立的物理模型，而另一類則是關(guān)注電弧外部電氣特性的黑盒子模型[6]。由于外部電氣特性往往是問題研究的重點(diǎn)，所以黑盒子模型更為常用。常用的黑盒子模型有Cassie、Mayr、Schwarz以及控制論電弧模型[6]。表1給出上述電弧模型的適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)。可以發(fā)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)節(jié)難是上述模型應(yīng)用的一大阻礙，而控制論電弧模型的參數(shù)調(diào)節(jié)相對而言更為靈活，實(shí)用性更好。故本文后續(xù)分析均采用控制論電弧模型來模擬非線性接地電阻。

表1 常用電弧模型比較

現(xiàn)給出控制論電弧模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：g為電弧電導(dǎo)，G為電弧穩(wěn)定電導(dǎo)，T為時(shí)間常數(shù)。其中G、T的計(jì)算公式如下：

式中：α為比例系數(shù)，通常取[7]2.85×10-5；im為電弧電流峰值，可近似取為故障點(diǎn)直接接地時(shí)的電流峰值；larc為電弧弧長；Vp為平均穩(wěn)態(tài)電壓梯度，在電弧電流為1.4～24 kA范圍內(nèi)時(shí)，一般取[8]15 V/cm。

2 高阻弧光接地故障暫態(tài)特征分析

在PSCAD軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用一500W的線性電阻和控制論電弧電阻串聯(lián)來模擬非線性電弧故障。故障點(diǎn)設(shè)為線路中點(diǎn)。

2.1 電壓電流波形畸變

故障電流的波形如圖2所示。

圖2 故障電流波形Fig.2 Waveform offaultcurrent

從圖中可見，由于電弧燃燒的熱效應(yīng)，故障電流在過零點(diǎn)附近存在明顯的畸變，即“零休”現(xiàn)象。由于零序分量對接地故障最為靈敏，故障線路零序電流i0F、非故障線路（H2）零序電流i0H2以及母線零序電壓u0的波形如圖3所示。其中，采樣點(diǎn)均為保護(hù)安裝處且采樣頻率為5 kHz。

圖3 零序電壓電流波形Fig.3 Waveform ofzero-sequence voltage and current

圖中，由于故障線路的零序電流是接地小電阻支路與所有非故障線路的零序電流之和，且接地小電阻遠(yuǎn)小于線路的對地容抗，所以故障線路的零序電流波形與故障電流相似，其在過零點(diǎn)附近也存在明顯的畸變。而由于非故障線路主要為線路對地容抗，其大小隨頻率的增大而下降，故高頻分量較容易通過，其畸變程度較高。現(xiàn)對上述3個(gè)信號（穩(wěn)定后）進(jìn)行頻譜分析，如表2所示。

表2 零序電壓電流的頻譜分析結(jié)果

從表中可得：零序電壓電流中主要含有奇次諧波，比如3次、5次以及7次諧波，而偶次諧波的含量很少。因此利用奇次諧波的含量大小來反映高阻弧光接地故障的發(fā)生是一種可行的方法，但需要考慮電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的諧波含量大小，特別是在大量電力電子設(shè)備應(yīng)用的背景下。此外，正如前面分析所得，非故障線路的總諧波畸變率（THD）遠(yuǎn)大于故障線路。若直接利用此特點(diǎn)來判斷線路是否發(fā)生故障，則同樣需要考慮系統(tǒng)諧波，那么閾值的選取將變得十分困難。同時(shí)需要注意的是，當(dāng)電弧的非線性程度不高時(shí)，電壓電流中的諧波含量將大大減少。

2.2 零序電壓電流伏安特性

電弧燃燒主要的特征之一就是電流過零點(diǎn)附近所發(fā)生的熄滅和重燃。故障線路以及非故障線路的零序電壓電流伏安特性曲線如圖4所示。其中，各量均換算成基準(zhǔn)值為相應(yīng)最大值的標(biāo)幺值。

圖4 零序電壓電流伏安特性曲線Fig.4 Volt-ampere characteristic ofzero-sequence voltage and current

圖4 （a）中虛線部分為故障點(diǎn)的伏安特性曲線。以故障電流由負(fù)變正的過程為例進(jìn)行分析。當(dāng)電流接近零點(diǎn)時(shí)，曲線的斜率發(fā)生了突變，由原來的1突變成一較大值；當(dāng)電流離開零點(diǎn)時(shí)，曲線的斜率又突變成一較小值；當(dāng)電流遠(yuǎn)離零點(diǎn)后，曲線的斜率變回1。這一過程正是電弧熄滅和重燃的動(dòng)態(tài)反映。從圖4（a）可見，故障線路的伏安特性曲線與故障點(diǎn)的相似，其在電流過零點(diǎn)附近斜率同樣存在突變現(xiàn)象。而非故障線路的伏安特性曲線就顯得雜亂無章，其斜率在多個(gè)點(diǎn)處均發(fā)生了突變。其原因一方面是非故障線路零序電流的畸變程度高，另一方面是非故障線路主要以對地容抗為主，理想情況下其伏安特性曲線是個(gè)圓。

3 高阻弧光接地故障穩(wěn)態(tài)特征分析

3.1 零序電流特征

由于高阻弧光接地故障的故障電流遠(yuǎn)小于金屬性接地故障，這就導(dǎo)致許多基于工頻電流大小的算法的靈敏度大為下降，而降低保護(hù)整定值是提高靈敏度最直接的方法。以現(xiàn)有的階段式零序電流保護(hù)為例，其II段保護(hù)定值需要躲過線路的最大電容電流以及正常狀態(tài)下的最大不平衡電流[9-10]。一般情況下，線路的最大電容電流遠(yuǎn)大于不平衡電流，所以保護(hù)定值以躲開最大電容電流進(jìn)行整定。若降低II段保護(hù)定值，以躲開最大不平衡電流進(jìn)行整定，則保護(hù)的靈敏度是提高了，但是失去了選擇性。這時(shí)可以考慮加入反時(shí)限動(dòng)作特性來確保選擇性，如圖5所示。此時(shí)需要考慮其與保護(hù)I段的時(shí)間配合。

圖5 零序電流反時(shí)限動(dòng)作曲線Fig.5 Zero-sequence currentinverse-time action curve

此外，也可以考慮將所有線路的零序工頻電流進(jìn)行比較。如前所述，故障線路的零序電流是接地小電阻支路與所有非故障線路零序電流之和，所以故障線路的零序電流將大于非故障線路。而且與消弧線圈不同，接地小電阻電流不會與系統(tǒng)的電容電流抵消，其對故障線路零序電流是助增作用。因此，零序電流明顯大于其他線路的就是故障線路。

3.2 零序電流-電壓特性

由于線路零序電流的信息量有限，所以可以考慮加入母線零序電壓對其進(jìn)行補(bǔ)充。由于零序電壓和零序電流都會隨著過渡電阻的增大而減小，所以其也能反映過渡電阻的大小。

若忽略線路的阻抗，那么非故障線路的零序電流與零序電壓的基波有效值之比就等于該線路的對地導(dǎo)納，而故障線路的該比值約等于3倍接地小電阻分之一。由于線路對地導(dǎo)納相對較小，所以故障線路的該比值將大于非故障線路。

4 結(jié)論

小電阻接地系統(tǒng)適用于以電纜線路為主的大中型城市配電網(wǎng)，但由于現(xiàn)配置的保護(hù)對高阻弧光接地故障的靈敏度低，故障往往不能被切除。針對這一問題，主要從波形畸變、伏安特性和零序工頻電流及其與零序工頻電壓的關(guān)系對高阻弧光接地故障的暫穩(wěn)態(tài)特征進(jìn)行分析，為研究相關(guān)算法的提供一些可行的思路。此外，由于發(fā)生高阻弧光接地故障時(shí)的電氣量較小，目前現(xiàn)場所用的測量儀器不能滿足對小信號的測量精度，所以需要研發(fā)相關(guān)的測量設(shè)備。同時(shí)，對于高阻弧光接地故障是直接出口跳閘還是發(fā)出警報(bào)后再進(jìn)行巡線排除仍需要一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。