物聯網下諧波電流差動保護在小電流接地系統中的選線及定位研究

王 磊，鄒劍鋒，裘愉濤，江偉建，金 盛

(1.上海電力大學，上海 200090；2.國網嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

電力系統配電網中性點通常采用不接地、經高阻接地或者經消弧線圈接地的運行方式，其中中性點經消弧線圈接地方式以其較高的供電可靠性在我國小電流接地系統中得到了廣泛應用[1]。

配電網線路故障分為兩大類：短路故障和單相接地故障[2]。配電網中低壓線路一般距離較短、分段較多，僅采用傳統的電流保護或距離保護，在整定值與動作時間上難以配合。雖然發生單相接地故障后允許運行1～2 h，但在實際運行中，系統往往要求盡快找到故障點，防止瞬時故障發展成永久故障或者單相接地故障發展成相間短路故障。

差動保護具有速動性和絕對的選擇性，以及不受運行方式影響等優點，由于智能電網配用電業務終端點多、面廣且分散，配網差動保護一直沒有普及。隨著5G技術的不斷成熟，配網差動保護可以快速部署，而且初期投資成本相對低，后期擴容及維護很方便。不管是從目前的實際工程問題出發，還是今后的技術發展方向需要，都應將5G通信技術和電流差動保護理念融合，通過差動保護有效實現故障的切除，提高系統安全性和供電可靠性。

目前小電流接地系統單相接地故障常用的故障定位方法有[3-5]：①行波法和阻抗法；②人工注入信號法；③矩陣算法和遺傳算法；④基于暫態零序相關系數法。但是這些方法都有各自的缺點，無法準確實現故障的定位。

傳統配網通過建設全面的數據采集、可靠通信和高性能信息處理的智能結構已發生了巨大的改變[6]，再利用5G技術傳輸線路兩側電氣量信息，可以有效降低基建成本，實現縱聯差動保護。

本文研究在5G通信方式的基礎上，通過判定3次及5次諧波電流實現快速差動保護的可行性，利用仿真分析架空線路、電纜線路以及在線路首端或者末端，過渡電阻影響下差動保護可以有效減小故障范圍擴大，滿足供電可靠性要求，提升配電網繼電保護水平。

1 縱聯差動保護基本原理

縱聯差動保護通常基于功率方向、電流幅值和相位比較來區分區內或區外故障，可以根據不同的信息傳輸通道，采用不同的信息傳輸技術。在輸電線路中通常應用閉鎖式功率方向差動保護，傳輸數據相對電流保護較少，需要的通道帶寬小。與輸電網中性點直接接地不同，配網系統通常采用中性點經消弧線圈接地運行，發生單相接地故障時無法直接應用該原理實現縱聯差動保護。

傳統電流保護由于配網線路分段過多，使線路保護時限難以有效配合，不利于滿足選擇性要求。國網浙江嘉興分公司研究了5G通信下差動保護的應用，在不增加斷路器、利用現有線路分段結構的情況下，在多段重點線路兩側裝設基于5G通信網進行信息傳輸的差動保護，與電流三段保護相配合，不僅實現了故障選線，而且可以在雙重化原則下只切除故障線路故障段，避免故障范圍擴大，減少停電時間。配網經消弧線圈接地系統接線原理圖如圖1所示。

圖1 配網經消弧線圈接地系統接線原理圖

在圖1中，當中性點不接地系統發生單相接地故障時，可能會產生電弧，使非故障相電壓進一步升高，從而使設備絕緣破壞，發生永久性故障而降低供電可靠性。為了減小故障電流，通常在變壓器中性點安裝一個大電感(產生的感性電流與容性電流相抵消)。為了避免中性點產生諧振過壓，配網多采用過補償的方式，一般過補償度為5%～10%。在系統實際運行中，由于對地電容電流隨外界環境的變化而變化，因此多將上級變壓器容量的20%作為計算消弧線圈的標準[7]。

過補償理論計算公式：

(1)

式中IL——補償的電感電流；Kp——過補償度；IC∑——全系統對地電容電流之和。

1.1 相電流差動保護基本原理

相電流差動保護基本原理建立在基爾霍夫電流定理的基礎上，外部故障或者正常運行時，流過線路兩側的電流之和等于零。中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地故障時，由于不構成短路回路,接地短路電流比負荷電流小[8]。由于線路末端變壓器通常采用Y接地方式，發生單相接地故障后如果輸電線不斷，負荷電流依舊存在，線路末端電流幅值在相位故障前后未發生變化，故障相流過兩側電流之和為故障點電流，中性點經消弧線圈接地系統即使采用過補償方式，也會由于過補償度不大，使得故障點穩態電流很小，很難識別是否區內發生故障[9]。

差動保護整定公式：

Iset=KerKstKnpIkmax

(2)

式中Ker——誤差系數，取0.1；Kst——同型系數，取0.5；Knp——非周期分量系數，取1.5～2.0；Ikmax——外部故障時最大通過短路電流。

1.2 零序電流縱聯差動保護基本原理

零序電流差動保護基本原理與故障相電流差動保護相似，區別在于采用兩側零序電流之和作為判別發生區內或者區外故障的標準。

故障線路兩側所接變壓器為Y接線方式，中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地后，三相線電壓依舊保持對稱，線路末端零序電流為零。如果故障線路與線路末端變壓器之間還有分段線路，此時線路末端零序電流為分段線路對地電容電流之和，若該線路為電纜線路且線路較長，則零序電流較大。

差動保護整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax

(3)

式中I0kmax——本段線路末端發生接地故障最大零序電流。

當線路發生區內故障時，兩側零序電流之和：

(4)

由式(4)可知，發生單相接地故障時流過繼電器零序電流之和實際就是故障電流和本線路非故障相對地電容電流之和。如果中性點經消弧線圈接地，接近于完全補償，故障電流就會很小。本線路對地電容電流僅與本線路對地電容大小有關(電纜線路越長，零序電流越大)，與故障點是否在區內無關，所以零序差動保護無法實現故障點的選線及定位。

2 諧波電流差動保護基本原理

一般情況下，小電流接地線系統按中性點接地方式分為不接地和經消弧線圈接地兩種形式[10]。當中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地故障時，由于配網變壓器飽和等原因，電流波形會發生畸變，短路瞬間產生大量高次諧波成分，其中奇數次諧波含量較大，高次諧波含量會隨諧波次數的增大而減小。由于故障點、消弧線圈、變壓器等電氣設備的非線性影響，故障電流中存在諧波信號，其中以5次諧波分量為主[11]。如果變壓器繞組三角形連接，則3次諧波就會形成環流，不會流入電力系統中，而如果線路兩側變壓器為Y形接線方式且與線路末端變壓器間存在其他分段線路，通常含有較大3次及5次諧波，經幾個周期衰減后消失[12]。

(5)

當發生單相接地時，三相n次諧波的電流表達式如下：

IL(n)=Eφ(n)/(nωL)

(6)

IC∑(n)=3Eφ(n)nωC∑

(7)

Ik(n)=IC∑(n)-IL(n)

(8)

式中IL(n)——消弧線圈產生的n次諧波電流；L——消弧線圈電感值；Eφ(n)——系統n次諧波相電勢；IC∑(n)——全系統n次諧波非故障相對地電容電流之和；C∑——全系統非故障相對地電容之和；Ik(n)——故障點n次諧波電流。

對于中性點經消弧線圈接地系統，補償后故障點的基波電流很小；對于n次諧波，容性電流為原來的n倍，而補償的感性電流僅為原來的1/n，故補償電流可以忽略不計。因此，基于高次諧波可以構造縱聯差動保護，實現故障定位。

(9)

式中ia(n)，ib(n)，ic(n)——n次諧波三相電流瞬時值；Im(n)——n次諧波電流幅值。

當諧波次數n=3k，n=3k+1和n=3k-1時，諧波電流的方向與零序、正序及負序電流的方向一致，縱聯差動保護采用三次諧波電流之和(相當于采用三相電流之和)作為判據，電流值較大，靈敏性相對于5次諧波大大提高。

差動保護整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax(n)

(10)

式中I0kmax(n)——本段線路末端發生接地故障時n次諧波最大零序電流。

當線路發生區內故障時，兩側電流之和：

(11)

IC(n)=3Eφ(n)nωCi

(12)

由式(12)可見，諧波次數越高，故障線路本身對地電容電流值越大。對地電容電流值越大，差動保護靈敏性越低。

3 Matlab仿真

通過 Matlab Simulink 建立10 kV中性點經消弧線圈接地過補償運行方式的小電流接地仿真系統。設置三相電壓源為110 kV[13]；變壓器T1額定容量為20 MVA，變比為110 kV/10.5 kV；按照過補償8%設置消弧線圈，根據式(1)可以得出消弧電感為6 H，仿真模型有4條出線，線路1，2，43末端接變壓器T2，變比為10 kV/400 V，容量為640 kvar，高壓側Y形聯結,低壓側Y形聯結中性點直接接地，接負載500 kW，功率因數0.85。為了仿真，在0.3 s時設置單相接地，將線路首端靠近母線的一側稱為母線側，線路末端遠離母線的一側稱為對側，分別在線路1靠近母線側d1，線路41靠近母線側d2和對側d3，線路42靠近母線側d4，過渡電阻分別在0，100 Ω進行仿真。線路阻抗參數如表1所示。線路類型長度如表2所示。

表1 線路阻抗參數表

表2 線路類型長度表

d1故障時線路1母線側零序電流測量值如圖2所示。由圖2可知，0.5 s時故障線路產生一個零序電流。由于補償電感較大，非周期分量隨時間衰減慢慢為零，補償后電流幅值僅為10 A左右，差動保護很難進行故障選線及定位。d1故障時線路1兩側3,5次諧波零序電流幅值如圖3和圖4所示。

圖2 d1故障時線路1母線側零序電流測量值

圖3 d1故障時線路1兩側3次諧波零序電流幅值

圖4 d1故障時線路1兩側5次諧波零序電流幅值

由圖3和圖4可以看到，在單相接地后，故障線路母線側測量得到3,5次諧波零序分量突然變大，分別為50 A和70 A左右，與基波零序電流相比數值大大增加。而正常運行時，由于系統電流不含諧波，3,5次諧波零序分量為零；即使正常運行時由于非線性負荷使得系統含有少量3,5次諧波，本線路內沒有故障點，故兩側3,5次諧波零序分量之和為零。因為線路1末端所接變壓器高壓側為Y接線方式，因此遠離母線側測得3,5次諧波零序分量為零，與是否發生單相接地無關。3次諧波零序電流值如表3所示。5次諧波零序電流值如表4所示。

表3 3次諧波零序電流值

表4 5次諧波零序電流值

電流方向規定母線流向線路為正。從表3和表4可得，3，5次諧波在線路區內發生故障時差動電流都遠大于區外故障時兩次諧波零序電流之和，靈敏性遠遠高于基波零序電流差動保護，但缺點是受過渡電阻影響極大，隨著過渡電阻的增加，諧波零序電流迅速減小。隨著人民生活水平的提高，實際運行的配網中含有大量整流、電弧爐及電氣機車等諧波源，諧波零序電流較多，減小了過渡電阻的影響。

由于配網中有時采用三角形的接線方式，3次諧波電流會在繞組內形成環流，故采用5次諧波零序電流。在表3中，由d3故障可見，故障線路兩側均有較大諧波零序電流，故障線路至末端變壓器間線路越長，零序諧波電流越大。d3與d2故障的區別是線路首端與末端諧波零序電流不同，由于諧波時電感值增大5倍，不同位置故障使得零序電壓分布不同，進而造成零序電流分布發生變化，可見此時靈敏性很高。在表3中，d4與d3故障時線路42兩側電流相位相反但是幅值變化不大，這是由于其相對電纜線路架空線諧波零序電流較小，可以忽略不計。如果電纜饋線多于兩條，故障線路后存在電纜線路，則與d3故障時故障線路情況相似，不會出現無法定位故障的問題。

綜上所述，由表4可以看出，以5次諧波零序電流幅值比較差動保護，在通常情況下可以有效將故障點定位。

4 結語

經消弧線圈接地的小電流接地系統發生單相接地故障時，零序和負序電流較小。由于受到系統本身三相不對稱或者負荷變動的影響，配電網分支眾多、架空電纜混合現象普遍，負荷短時變化大、線路異動率高。近年來，受到分布式電源大量增加等的影響，小電流接地系統故障選線及定位的可靠性一直是一個難以解決的問題[14-15]。隨著具備雙向、實時、高效等特點的電力物聯網建設的開展，通過合理應用通信技術，促使電力傳輸的利用率、穩定性等得到有效增強，進而促使電力運行穩定性得到保證。電力物聯網將通過全面的數據采集、可靠通信和高性能信息處理使傳統配網保護技術產生巨大改變，通過物聯網建設，采用5G無線通信系統(具備足夠的帶寬)實現電流幅值比較差動保護。5次諧波零序電流差動保護有以下特點。

(1)受過渡電阻影響較大。由于饋線末端變壓器中性點不接地，發生單相接地故障后線路末端諧波零序電流為零。

(2)同一母線饋線越多，諧波零序電流差動保護越靈敏，線路中電纜線路越多越靈敏。

(3)一條饋線分段越多，每段越長，諧波零序電流差動保護越靈敏。線路中電纜線路越多越靈敏。

最后通過Matlab仿真驗證了配電網電流差動保護方法的可行性，可以實現快速準確地選線及定位，既提高了故障定位的準確度又滿足了實際工程需要，大大提高了配電網供電的可靠性。