基于無功電流的中性點不接地系統小電流接地選線方案

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

目前對于中性點不接地系統中單相短路故障的保護方法主要利用穩態量和暫態量。基于穩態量的保護方法主要包括：零序電流幅值法、零序電流比相法、零序電流群體比幅比相法、零序功率方向法、負序電流法和諧波法等。零序電流幅值法比較故障后各回饋線的零序電流幅值，幅值最大的饋線為故障線路[1]；然而此種檢測方法靈敏度低，選線結果的可靠性受系統運行方式、線路長度和過渡電阻等影響。零序電流比相法比較故障后各回饋線零序電流方向，若某回饋線電流方向與其他饋線方向相反，則此饋線為故障線路[2]；然而此方法同樣受過渡電阻影響，當過渡電阻阻值較大時，零序電流方向難以準確比較。零序電流群體比幅比相法首先選出故障后零序電流幅值較大的三回饋線，在這三回饋線中比較零序電流方向，方向與另外兩相反的為故障線路[3]；此方法綜合了零序電流比幅和零序電流比相法，選線精度有一定程度提高，但仍無法消除過渡電阻對選線可靠性的影響。零序功率方向法的原理是故障饋線零序電流方向滯后于零序電壓90o，而非故障饋線零序電流方向超前零序電壓90o，因此零序功率小于0的饋線為故障線路[1]；此方法在本質上仍為零序電流比幅比相法的推廣，因此其可靠性仍受過渡電阻影響。負序電流法的原理是故障后選擇負序電流最大的饋線為故障線[4]，但此方法的可靠性受系統對稱性和負荷影響。諧波法主要針對中性點經消弧線圈接地的系統。基于暫態量的故障選線方法包括首半波法和小波變換法等。首半波法的前提是故障發生在相電壓接近最大值的瞬間，故障線路暫態零序電流和電壓在故障初始階段極性相反而非故障線路二者極性相同的[5]，但此極性關系成立時間極短，且受故障初相角和過渡電阻影響。小波變換法對故障后的零序暫態電流進行小波變換，通過選取合適的小波基可實現對故障饋線和非故障饋線的區分[6]；但由于零序暫態電流受過渡電阻的影響，因此基于小波變換法的故障選線方法同樣存在一定程度局限性。還有一些基于神經網絡等智能算法的選線方法[7-9]，需要大量的故障后電氣量進行訓練，實際中難以實現。

根據前面的分析，現有中性點不接地系統小電流接地選線方法可靠性仍受過渡電阻和運行方式等多種因素的影響，存在一定局限性。仍有必要對小電流接地選線方法進行進一步研究。針對中性點不接地系統，下面提出一種基于故障相無功電流變化的新型小電流接地系統故障選線方案。通過比較故障前后的相電流無功分量變化大小選擇故障饋線，提高了選線方案的耐受過渡電阻能力。

1 基于無功電流的小電流接地選線原理

典型中性點不接地系統結構如圖1所示。

圖1 中性點不接地系統結構

中性點不接地的配電網系統中變壓器多采用三角形/星型的接線方式，其中高壓側繞組為三角形接線，低壓側繞組為星型接線，發生單相接地故障后，由于中性點不接地系統無法形成故障電流通路，系統可在此狀態下持續運行數小時。但出于系統安全角度考慮，仍需對故障饋線進行判斷并清除故障。

以包含兩回饋線的中性點不接地系統為例，正常運行與發生單相接地故障后的中性點不接地系統無功電流分布情況如圖2所示。

(a)正常運行時無功電流情況

(b)單相故障后無功電流分布情況圖2 中性點不接地系統單相接地故障后無功電流分布

圖2(a)和圖2(b)分別為正常運行時和饋線2的A相短路故障后的無功電流分布情況，系統中的無功電流主要由負荷電流無功分量和線路對地電容電流組成。以A相為例，設饋線1和饋線2的A相負荷無功電流分別為Iqa1L和Iqa2L，三相母線電壓為Ua、Ub和Uc。饋線1、饋線2和母線對地等效分布電容分別為C1、C2和Cb。如圖2(a)所示的正常運行情況，饋線1和饋線2各相無功電流Iqa1和Iqa2可表示為

Iqa1=Iqa1L+jωC1Ua

(1)

Iqa2=Iqa2L+jωC2Ua

(2)

如圖2(b)所示的第2回饋線A相金屬短路后，由于系統中性點不接地，A相電壓降為0，B相和C相電壓上升為線電壓。各相之間的線電壓不變，兩回饋線所帶負荷可正常運行，負荷電流不變。此時饋線1和母線的A相對地電容電流為0，非故障相對地電容電流增加。饋線2的A相由于接地，其所流過的電容電流為各回饋線及母線的非故障相電容電流之和。此時饋線1和饋線2的A相無功電流Iqa1f和Iqa2f可表示為

Iqa1f=Iqa1L

(3)

(4)

故障相各回饋線的無功電流變化量ΔIqa1和ΔIqa2分別為

ΔIqa1=jωC1Ua

(5)

(6)

由式(5)、式(6)可以看出，故障饋線的故障相無功電流變化最大。

2 基于無功電流的小電流接地選線判據

根據上節分析，小電流接地系統中，單相故障后的相電流變化主要為無功電流變化。通過比較各回饋線中故障相無功電流變化量可識別故障饋線。設故障相為φ，故障前各回饋線φ相的無功電流可表示為Iqφn，其中n為母線上的饋線序號。故障后各回饋線故障相無功電流可表示為Iqφnf，單相故障后各回饋線的故障相無功電流變化量可表示為ΔIqφn

ΔIqφn=|Iqφn-Iqφnf|

(7)

其中，

Max(ΔIqφ1，ΔIqφ2，……ΔIqφn)

(8)

所對應的饋線即為故障饋線。例如，當A相發生單相接地故障后，若Max(ΔIqA1，ΔIqA2，……ΔIqAn)為ΔIqA3，則故障位于饋線3。

故障相的故障前無功電流可通過相電流Iφn與母線電壓夾角θφn計算，θφn表示饋線n的φ相電流與母線電壓的夾角，電壓超前電流時夾角為正。

Iqφn=Iφn×sin (θφn)

(9)

考慮到金屬性單相接地故障后故障相電壓有可能降為0，此時故障相電壓與電流的夾角難以準確測量，因此單相故障后以超前非故障相線電壓與故障電流夾角90°的位置作為參考電壓角度。以A相單相接地故障為例，故障后各回饋線A相無功電流可表示為

IqAnf=IAn×sin (θBC+90)

(10)

將式(9)和式(10)代入式(7)后根據式(8)即可選出故障線路。

3 仿真研究與驗證

3.1 仿真模型

利用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件搭建如圖1所示的仿真模型，其為一個單電源供電的10 kV配電網，變壓器低壓側為星型不接地連接。母線共有5回饋線，為檢驗此方法在電纜線路和架空線線路中的適應性，其中饋線1至饋線3為電纜線路，饋線4和5為架空線。仿真模型中各回饋線均使用頻率特性模型。仿真驗證中分別將短路點設置在饋線首端和末端，故障在仿真開始0.2 s后發生，且在仿真結束前故障不消失。各回饋線的長度和所帶負荷如表1所示。

表1 仿真模型中各回饋線參數

3.2 仿真結果及研究

分別以線路分布電容最大和最小的饋線1和饋線4為例，對所提小電流單相接地選線判據的性能進行仿真驗證。

饋線1末端發生A相金屬性短路時，各回饋線A相無功電流變化量如圖3所示。

圖3 饋線1的A相金屬性接地后各回饋線的無功電流變化情況

如圖3所示，故障發生后，各回饋線的故障相無功電流變化量上升。其中饋線1的故障相無功電流變化量遠大于其他饋線，根據所提選線判據，可正確判斷饋線1發生單相接地故障。

當饋線1末端發生帶100 Ω過渡電阻的A相短路接地故障時，各回饋線的故障相無功電流變化情況如圖4所示。

如圖4所示，與金屬性故障相比，帶100 Ω過渡電阻后，各回饋線故障相無功電流變化量的最大值降低，但饋線1的故障相無功電流變化量仍明顯大于其他饋線，利用所提選線判據仍可實現故障饋線的正確識別。

表2 不同饋線發生單相短路故障后選線判據可靠性對比

圖4 饋線1的A相帶100 Ω過渡電阻接地后各回饋線的無功電流變化情況

對其他線路上的單相短路故障進行仿真研究，分別對金屬性故障和帶100 Ω過渡電阻時的選線判據可靠性進行驗證，仿真結果如表2所示。

由表2結果可知，金屬性接地故障時，故障饋線的故障相無功電流變化量遠大于非故障饋線。利用所提選線方案能可靠選出故障饋線。當單相接地故障帶過渡電阻時，考慮100 Ω過渡電阻，由表2中所示的仿真結果可知，雖然無功電流變化量的最大值較金屬性故障時有所減少，但故障饋線和非故障饋線之間仍存在明顯差異，所提選線方案有較強的耐受過渡電阻能力。前面仿真中考慮了架空線和電纜線路，由仿真結果可知所提選線方案對于中性點不接地系統中架空線和電纜線路的單相接地故障均具有較高精度的選線結果。

4 結 語

針對中性點不接地系統單相接地故障后故障饋線難以準確識別的問題，分析了各饋線故障相無功電流變化情況，并在此基礎上提出了基于故障相無功電流變化量的故障選線方案。通過理論分析，中性點不接地系統發生單相接地故障后，故障饋線的故障相無功電流變化量遠大于非故障饋線故障相。基于此特征構造故障選線判據，實現了對中性點不接地系統故障饋線的識別。利用PSCAD軟件搭建中性點不接地系統仿真模型，考慮到架空線和電纜的混合架線方式，對所提選線方案進行驗證，仿真結果表明所提選線方案能準確識別故障線路，有較高的帶過渡電阻能力。