小電流接地故障暫態(tài)分析及應(yīng)用探究

李季葛

（南京磐能電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

對于國內(nèi)35 kV 及以下變電站，中性點接地常規(guī)方式為經(jīng)消弧線圈接地或者中性點不接地，無論何種方式，發(fā)生單相接地故障時，由于消弧線圈影響或接地電阻較大，零序電流值比較小，產(chǎn)生的電弧穩(wěn)定性差，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)故障選線方法不佳，對故障線路的選線存在較大難度。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，線路發(fā)生小電流接地故障占比80%，雖然發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)仍能正常帶負(fù)荷，但是不及時處理接地故障線路，單相故障會有進一步發(fā)展成為相間故障的隱患，擴大變電站停電范圍[1]。

本文通過分析接地故障時線路中的零序網(wǎng)絡(luò)特征，結(jié)合接地故障時分布電容暫態(tài)特性，提出了暫態(tài)零序功率方向選線方法的基本原理及使用方法，通過分析故障時的零序暫態(tài)分量，進而準(zhǔn)確、快速的定位故障線路，以達到減小故障范圍的基本要求。

1 小電流接地故障暫態(tài)特征

1.1 零序分量暫態(tài)形成過程

對于中性點不接地系統(tǒng)，采用暫態(tài)過程對單相接地故障進行分析時，可以知道許多故障特征。通常發(fā)生接地故障情況下，電流的暫態(tài)數(shù)值要較穩(wěn)態(tài)數(shù)值大很多，數(shù)值可以達到穩(wěn)態(tài)數(shù)值的幾倍或者幾十倍。在進行暫態(tài)分析時，發(fā)生接地故障相的電壓會降低，由于線路與大地間存在分布電容，發(fā)生接地故障時，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。而此時，無故障相的電壓會升高，會對存在的分布電容產(chǎn)生充電效應(yīng)。線路發(fā)生接地故障與大地形成放電路徑，而非故障相與大地經(jīng)電源形成充電路徑，最終導(dǎo)致充電周期比放電周期長[2]。

1.2 暫態(tài)零序電流計算

本文利用Karenbaue 變換模型對小電流接地故障進行分析，如圖1 所示。圖中分析的是當(dāng)A 相出現(xiàn)短路故障的故障。圖中下標(biāo)為1 的數(shù)值表示的是兩相導(dǎo)體之間形成的正序分量，圖中下標(biāo)為2 的數(shù)值表示的是兩相導(dǎo)體之間形成的負(fù)序分量，下標(biāo)為0 的模量表示的是三相導(dǎo)體和大體形成的零模分量，在中性點不接地系統(tǒng)中，零模網(wǎng)絡(luò)的電源系統(tǒng)是開路系統(tǒng)。

圖1 單相接地故障分量等效網(wǎng)絡(luò)

對于感抗較大近似于開路的系統(tǒng)，線路中的電感和電阻由于對零模計算的影響較小，可以忽略，所以只對線路中電容進行計算，從而形成了等效網(wǎng)絡(luò)簡化模型，如圖2 所示。

圖2 等效網(wǎng)絡(luò)簡化模型

在簡化模型中，iL、iO、iC、UO分別為線路電感電流、線路零序電流、線路零序電容電流、線路零序電壓，Uk為虛擬電源在故障點處的壓降。RZ為線路三相電阻值之和，線路電感LZ的大小為兩個線模電感相加，LK表示的是采用消弧線圈接地情況下的消弧線圈電感值。

在線路接地電阻數(shù)值很小時，零模電容充電的時間很短，在這種情況下可以將消弧線圈的電感值等效為零。而發(fā)生接地故障的時候，絕大多數(shù)的情況下電壓都處在最大值的情況，根據(jù)暫態(tài)電流的特點，可以將暫態(tài)零序電流的值表示成如下公式的形式：

其中，IC、ω0、δ分別為穩(wěn)態(tài)下零序電容電流幅值、非故障相本身串聯(lián)諧振頻率、自由分流衰減系數(shù)。

從式（1）中可以知道，零序電流隨著時間周期性變化，當(dāng)時間為諧振周期的1/4 時，此時的暫態(tài)零序電流處在峰值即最大值。相較于穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)時的零序電流大好幾倍。通過采集暫態(tài)時的零序電流電壓值，分析故障時的那個周期與前一個周期電壓電流值的變化量，能高效選出故障線路。如果線路發(fā)生高阻接地故障時，加上消弧線圈滅弧影響，零序暫態(tài)分量會發(fā)生很大衰減，傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)量判據(jù)并不能有效選出故障線路，充分利用故障時那個周波量作為暫態(tài)判據(jù)，可解決此問題。

通過分析可以看出，在暫態(tài)電路中，零序電流可以分解成多個正弦信號的疊加，并且這些正弦信號按照指數(shù)衰減。從方向上比較，故障線路中的容性電流通過線路流向母線，而非故障相電流從母線流向線路，從數(shù)值上比較，故障線路的零序電壓電流幅值比非故障線路的大很多，結(jié)合這些特征，通過濾波采集到有效工頻內(nèi)的零序電壓、零序電流即可進行選線判斷[3]。

2 暫態(tài)零序功率方向原理

結(jié)合單相接地故障的暫態(tài)特征，知道零序電流與電壓具有圖3 中的向量關(guān)系。圖3 中，Ih表示的是流過消弧線圈的電流值；3I1-1表示的是發(fā)生接地故障的線路中的零序電流值；3I1-2表示的是沒有發(fā)生故障的線路中的零序電流值。

圖3 零序電流與零序電壓相量關(guān)系圖

根據(jù)向量圖中的零序電流與零序電壓的關(guān)系可以分析出，在中性點不接地系統(tǒng)中，故障線路與非故障線路的零序功率的無功分量在數(shù)值上要大于并且方向上相反。在中性點不接地系統(tǒng)中，零序功率方向選線就是利用此原理進行的。當(dāng)在正方向出現(xiàn)線路故障時，零序功率的無功分量Q＞0；當(dāng)反方向發(fā)生故障時，零序功率無功分量Q＜0。無功功率分量可以用如下公式計算：

其中，U0、I0分別表示的是零序電壓有效值以及零序電流有效值，φ表示的是故障線路中零序電壓與零序電流的相位差。發(fā)生故障的線路，零序電壓滯后于零序電流一定角度，φ值為負(fù)值，Q小于0；而非故障線路，零序電壓超前于零序電流一定角度，φ值為正值，Q大于0。

3 零序功率方向選線方法特點分析

3.1 零序功率方向選線方法優(yōu)勢

在中性點不接地系統(tǒng)中利用零序功率方向選線方法進行故障線路判斷，可以不受消弧線圈和間歇性電弧的影響。因為暫態(tài)過程中的特征分量主要是諧波分量，充分利用暫態(tài)信號中的無功分量，即使故障發(fā)生在電壓過零點附近的情況，暫態(tài)過程仍然非常明顯，因此對故障判斷的初相角幾乎沒有影響。

利用零序功率方向選線方法進行故障判斷，有效地解決了發(fā)生間歇性接地故障的判斷問題。當(dāng)線路上發(fā)生弧光接地或者間歇性接地故障時，暫態(tài)時的零序電壓電流量變化很大，通過計算暫態(tài)時的數(shù)據(jù)，使故障的檢測保證了非常高的可靠性[4]。

3.2 零序功率方向選線方法劣勢

3.2.1 小電流接地系統(tǒng)中有可能誤判

在小電流接地系統(tǒng)中，由于發(fā)生單相接地故障的時候零序電流非常小，為了保證零序電流整定值的靈敏性，在對其整定的過程也設(shè)定比較小的整定電流值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相負(fù)荷不平衡的狀況時，系統(tǒng)中會出現(xiàn)一定的零序電流和零序電壓，如果零序電流整定值太小，就會發(fā)生保護系統(tǒng)誤動作現(xiàn)象。例如，在電弧爐負(fù)荷系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)三相負(fù)載不平衡，系統(tǒng)中就有很大概率產(chǎn)生零序電流和零序電壓，實際測量時零序電壓值可以達到20 V 左右，在這種情況下，利用功率方向選線就需要將故障動作零序電壓值適當(dāng)調(diào)高，但是同時需要保持零序電流保護值，避免靈敏度降低[5]。

3.2.2 外部電磁干擾有可能引起誤判

當(dāng)一次回路控制電纜出線接地不良或者線路屏蔽不佳的情況發(fā)生時，在設(shè)備周圍就會發(fā)生交流電源的電磁干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致零序電流回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。經(jīng)過整定后的零序電流同樣很小，這樣就導(dǎo)致了對于存在感應(yīng)電流的線路會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生動作。如果系統(tǒng)中其他回路發(fā)生接地故障，零序電壓判斷就可能無法判斷故障發(fā)生動作。

4 結(jié)論

小電流接地故障電流微弱、電弧不穩(wěn)定一直是供電部門檢測的難題。故障電流中暫態(tài)分量遠大于穩(wěn)態(tài)分量，充分利用故障時的暫態(tài)分量，并結(jié)合中性點不接地系統(tǒng)及消弧線圈接地系統(tǒng)零序電流暫態(tài)特性：故障線路零序容性電流通過線路流向母線，而非故障線路零序容性電流通過母線流向線路；在零序電容電流值上故障線路也遠大于非故障線路，提出了中性點不接地系統(tǒng)暫態(tài)零序功率方向選線方法。利用此種選線方法可靠性、靈敏度均較高。