基于Δi-PCA原理的分布式小電流接地選線保護方法研究

繆欣 黃海悅

（1.東方電子股份有限公司，山東煙臺 264000；2.東方電子集團有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

我國中低壓配電網線路總長度約占整個電網的95%，配電網故障占整個電網故障的70% 以上。單相接地故障是配電網常見的臨時性故障，占配電網故障總量的80% 左右[1-2]。由于中低壓配電網的中性點一般非有效接地，因此在單相接地的情況下，并不需要立即切除，根據章程規定可以繼續運行1～2 h。單相接地故障如果得不到及時處理，可能會讓健全線路因過電壓發生絕緣擊穿，進而發展為相間短路故障，造成故障擴大化[3-5]。

單相接地故障處理面臨的主要困難是工頻故障電流微弱與電弧不穩定，同時線路無法形成回路，接地故障電流是分布電容電流，數值比負荷電流小很多，故障特征也不明顯，從而給故障的準確研判和定位帶來很大的挑戰[6-8]。

目前常見的小電流接地選線在單相接地故障處理方面大多采用暫態法[9]和穩態法[10]，其中，對于暫態法，暫態特征僅在接地瞬間存在，一旦漏檢就無機會再次檢測，對互感器的要求低；對于穩態法，穩態特征始終存在，對互感器精度要求高[11-12]。無論是暫態法還是穩態法，都需要采集線路上的零壓和零流，無法在不停電、不改造和更換現有設備的基礎上實現單相接地故障的準確研判。

為解決以上問題，本文提出了一種基于相突變電流不對稱（Δi-Phase Current Asymmetry，Δi-PCA）原理的分布式小電流接地選線保護方法，無須停電和增加互感器以及更換現有設備，只要檢測線路中的A、B、C三相電流即可實現對10 kV 小電流接地系統實時檢測預警，精確研判單相接地故障和故障選線跳閘。

1 基于相突變電流不對稱原理的區段定位策略

1.1 相突變電流不對稱（Δi-PCA）算法原理

基于電路理論基礎，采用電路解析方法，對小電流接地系統單相接地故障進行分析。在單相接地故障時，如圖1所示，健全線路以及故障所在線路的故障下游的終端，同一點測得的三相突變電流相同，三相電流突變量就是接地故障時的電容電流量；故障所在線路的故障上游的終端，兩健全相的突變電流相同，而與故障相在幅值和波形上差異較大，接地點則為全網電容電流量及可能中性點零序電流之和。利用此差異特征進行單相接地選線和定位。此方法不受中性點接地方式等因素影響，耐過渡電阻能力強。

圖1 發生單相接地故障時Δi-PCA 分布示意圖

分析故障前各線路各相的相電流表達式如下：

式中：inp為故障前某條線路的某相電流量，n為線路編號，p為A、B、C 任一相；inpC為該相電容電流量；inpL為該相負荷電流量；Cnp為本線路某相對地電容；uN為中性點對地電壓；ep為電源某相電壓。

故障后，以線路1的A 相接地故障為例，故障點之前故障相測量電流量表達式如下：

式中：i1Af為圖1中故障時線路1的A 相電流量；i1ACf為線路1的A 相電容電流量；i1ALf為線路1的A 相負荷電流量；if為單相接地故障點電流，且if≠0；C1A為線路1的A 相對地電容；uNf為中性點對地電壓；eA為電源相電壓。

而非故障線路及故障線路非故障相及故障點之后的測量電流表達式如下：

式中：n為線路編號；對于故障線路，p為非A 相及故障點之后的A 相；對于健全線路，p為A、B、C 任一相；inpf為非故障線路及故障線路非故障相及故障點之后的某相電流量；inpCf為該相電容電流量；inpLf為該相負荷電流量；Cnp為本線路某相對地電容；uNf為中性點對地電壓；ep為電源某相電壓。

在故障前后，可以認為系統電壓保持不變，且負荷電流由于線電壓依然對稱而可以認為不變，則故障線路故障點前的故障相電流突變量表達式由公式（1）和（2）推導如下：

在故障前后，健全線路和故障線路非故障相及故障點之后的相電流突變量表達式同樣由公式（1）和（3）推導如下：

當10 kV 配網系統發生單相接地故障時，由公式（5）分析可知，健全線路的三相相電流突變量為對地電容電流，其特征是幅值大小相等、波形一致，具有對稱性。故障線路兩個非故障相的突變電流是相同的，而故障相的突變電流除了故障點的故障電流外還包含了故障點的對地電容電流，如公式（4）表達式分析結果，為所有非故障線路對地電容電流的相量和，表現特征是遠大于非故障相Δi，且波形不一致，具有不對稱性的特征。因此，公式（4）和公式（5）的故障相和非故障相的Δi表達式，就是基于Δi-PCA 原理的保護判據基本理論公式，此理論公式可以作為小電流接地系統發生單相接地故障時的判斷依據。

1.2 采用Δi-PCA 技術實現單相接地故障的研判

10 kV 配電線路發生單相接地故障的時候，配電網架結構將發生突變，線路上相應的電流相量也會發生突變。通過在10 kV 配電線路上合理布置基于Δi-PCA 原理的故障檢測裝置，在發生接地故障時實時采集線路上的A、B、C 三相電流，然后利用Δi-PCA 算法獲得有效的研判數據，無須零壓和零流的測量就能實現對10 kV線路小電流中性點不接地系統的故障檢測，同時把結果上報配網主站，實現精準的接地故障定位和選線。

2 相突變電流不對稱系統啟動和動作判據主要邏輯

2.1 Δi-PCA 啟動和動作判據主要邏輯

式中：k0為啟動系數；Δiset為相突變電流量最小定值；ip為某相電流量，p為A、B、C 三相電流中任一相。

在啟動判斷中，采用慣性數據窗方法，增強抗干擾能力。數據窗均滿足啟動判據時，才確認可能有單相接地故障導致相突變電流，然后置啟動標志確認啟動。否則，就確認不啟動。

在設計啟動元件時，采用一旦滿足啟動算法，就立刻鎖存啟動時刻采樣數據指針，捕捉啟動點用于后續判斷和識別數據記憶存儲的啟動計算等。一般啟動元件配置在采樣處理部分要求每個采樣間隔處理一次，保證啟動的實時性和靈敏性。啟動元件邏輯框圖如圖2所示。

圖2 Δi-PCA 啟動元件邏輯框圖

動作判據由主判據相不對稱元件、輔助判據元件和控制字組成，再加上必要的延時，綜合決策結果。Talarm為告警時間，整定范圍0.00～300 s；ttrip為跳閘時間，整定范圍0.0～300 s。動作判據邏輯圖如圖3所示。

圖3 動作判據主要邏輯示意框圖

2.2 Δi-PCA 啟動和動作的返回

（1）啟動返回判據：

（2）啟動長時返回判據：

（3）動作返回判據：

式中：3i0ppt為當前采樣點一個周波3i0（3i0=ia+ib+ic）計算采樣值中峰峰值差的絕對值；3i0pp1T為記憶第一個周波3i0計算采樣值中峰峰值差的絕對值；kr為返回系數，整定范圍0.10～1.0；t為啟動或動作返回時間；trtrip為動作返回時間定值。

設備啟動與動作返回邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 設備啟動與動作返回邏輯示意圖

3 故障檢測和判斷

3.1 單相接地故障檢測

發生單相接地故障時，接地故障類型可能千差萬別，種類非常多，但總體上可以按照永久性故障、間歇性故障和瞬時性故障三種類型劃分，如圖5所示，其識別原則如下：

圖5 單相接地故障判斷依據示意圖

（1）永久性故障判據：

式中：kfr為可靠系數，范圍0.10～1.0；tforever為永久性故障時間，范圍0～10 s。

（2）間歇性故障判據：

式中：kwr為可靠系數，范圍0.10～1.0；twork為本次啟動后工作時間。

（3）瞬時性故障判據：

式中：ktr為可靠系數，范圍0.10～1.0；ttransient為瞬時性故障時間。

3.2 過電流檢測

采用三相電流分相過流判斷邏輯與限時動作的方式。在啟動元件未動作時，滿足過流條件并延時到告警；在啟動元件動作時，滿足過流條件并啟動點計時25 ms先發閉鎖信號，并延時到告警。當過電流檢測動作時，發出告警信號，并給出相應的動作報文和就地指示燈。在動作后不滿足過電流動作判據時，過電流檢測瞬時自動返回。

過電流檢測判據：

式中：IA、IB、IC為三相電流有效值；Iset為過電流檢測整定值；tOC為過電流檢測告警時間。

啟動元件動作t≥25 ms置閉鎖標志。

過電流檢測判斷依據如圖6所示。

圖6 過電流檢測判斷依據示意圖

3.3 剩余電流告警

剩余電流保護是指保護裝置接入外部流出和流回的電流線路（如相線和中性線），正常時大小相等、方向相反則其和流為零，被保護部分有接地故障時將有電流通過地流回，導致保護安裝處電流不再平衡產生所謂的“剩余電流”，當剩余電流達到一定值時保護動作。

剩余電流告警動作判據：

式中：3i0=ia+ib+ic；3I0set為零序電流定值；trd為剩余電流動作時間。

3.4 CT 斷線告警

CT斷線/缺相告警功能，采用最大電流高于起判準確電流定值而小于1.5倍額定電流時，任一相或兩相電流值變化量高于門檻值時，經延時判斷是否發生了CT斷線或缺相。在啟動元件未動作時，符合判據條件下，延時25 ms置閉鎖標志，延時3 s給出告警信號，并給出相應的動作報文和就地指示燈；在啟動元件動作時，符合判據條件下，啟動點計時25 ms置閉鎖標志，延時3 s給出告警信號。

4 應用實踐

某電力公司10 kV 線路多數不具備零序電壓互感器和零序電流互感器，目前運行中的存量配電終端多數不具備單相接地告警功能。如改造一次設備（增加零序互感器）并更換二次終端，改造成本太高，同時還需要停電，從而影響了系統的整體可靠性。采用基于Δi-PCA原理的單相接地檢測裝置完美地解決了該難題。

4.1 改造前提條件

（1）每條線路具備Ia、Ib、Ic三相電流。若現場只有A、C 兩相電流，可以增加開口電流互感器卡在B 相上（變比與其他兩相相同）。

（2）配電終端上具備冗余遙信。

（3）配電終端上具備通過101規約將接地告警遙信增加到之前的遙信點表中并轉發主站的能力。

4.2 改造方案

4.2.1 變電站10 kV 出線單相接地解決方案

如圖7所示，在每個10 kV 間隔柜的二次小室內卡導軌安裝單回線路單相接地檢測裝置，所有單相接地檢測裝置與變電站內自動化設備按照IEC 101規約上送單相接地故障遙信。每個二次小室內增加電源端子及電流轉接端子，其中一個間隔還需要安裝電源模塊和電源總開關，接入單相接地裝置的電流回路優選測量CT以保證測量精度。

圖7 變電站10 kV 出線單相接地解決方案

4.2.2 開閉所10 kV 進出線單相接地解決方案

如圖8所示，在投運的自動化設備機柜上安裝兩個機架式線路單相接地檢測裝置，接地檢測裝置級聯完成單相接地故障檢測。按照IEC 101規約上送單相接地故障遙信。自動化設備機柜內增加電流轉接端子，以便將每回路三相電流串連接入單相接地裝置。接入單相接地裝置的電流回路優選測量CT 以保證測量精度，沒有測量CT時也可以接入保護CT。

圖8 開閉所10 kV 進出線單相接地解決方案

4.3 模擬實驗

如表1所示，模擬實驗驗證了裝置單相接地故障判斷功能的正確性，表明采用基于Δi-PCA 原理的分布式小電流接地選線保護方法能大大提高單相接地故障防御能力，避免了傳統的人工巡查、拉路選線的弊端，大幅提升了選線正確性，提高了工作效率。

表1 單相接地模擬實驗

5 結語

近年來，隨著國內配電自動化建設的大力推廣，大量配電成套設備接入配電自動化系統，大大提高了用電的安全性和穩定性。本文提出的基于Δi-PCA 原理的分布式小電流接地選線保護方法，有效解決了在單相接地故障處理上困擾電力公司的難題，在不停電、不改造現有設備的前提下，在提高故障時研判的精準度，縮短故障檢修時間，優化故障處理流程等方面具有明顯的優勢，可廣泛應用于10 kV 小電流接地系統，具有很高的現場工程應用價值。