階梯式不接地電網單相接地故障分析及保護實現

丁網林，溫傳新，駱 健

（國網電力科學研究院南京中德保護控制系統有限公司，江蘇南京 210003）

為了保障供電的可靠性，35 kV以下的供配電系統多為中性點不接地或經過消弧線圈接地的系統。大型工業用戶的配電系統，同一電壓等級的配電系統中階梯式多級供電情況越來越多[1]。這一方面是因為大型工業用戶負荷比較分散決定的，另一方面階梯式供電方式也可以提高工業用戶的建設投資，保障供電的可靠性。但是階梯式多級供電對繼電保護的選擇性也提出了更高的要求，對于相間過流保護通過帶時限的配合可以很好地解決問題，但是對于線路的單相接地，傳統的小電流接地選線，在本系統中就失去了選擇性，有時還會造成上級保護的誤判和誤動。上級進線的誤動，造成相應的母線失電，給用戶造成巨大的損失。根據上述的分析可知，現有的小電流接地選線保護，對于階梯式供電中性點不接地系統失去了選擇性，實際應用中也經常出現誤動的情況。首先分析了階梯式不接地電網中發生單相接地故障時的電氣量特殊，然后針對現有小電流接地選線用于階梯式供電系統存在不足的現狀，提出了一種可靠性高、選擇性強的新方法，該方法很好地解決了用戶現場的問題。

1 系統故障特征分析

1.1 階梯式供電中性點不接地系統模型

如圖1所示，為階梯式n級供電系統的物理模型，規定進線側電流正方向為線路流向母線，而出線側電流正方向為母線流向線路。設第n段母線上所帶出線條數為m，每條線路對地電容為（i=1，2，…，m），第n-1段母線上出線條數為j，每條線路對地電容為（i=1，2，…，j），第n-2 段母線上出線條數為w，每條線路對地電容為（i=1，2，…，w）。不考慮相間電容，設系統電動勢為E，不考慮級聯系統的電壓壓降。

n段母線上每條出線對地電容電流為：

n段母線的進線對地電容電流為：

同理，n-1段母線的進線電容電流為：

1.2 單相接地物理量分析[2，3]

1.2.1 P1點發生A相接地時的零序電氣量特征

如圖2所示，設第n段母線的第k條出線的P1點發生A相接地故障，則故障點處各相電壓和零序電壓為：

故障線路各相對地電容電流為：

則非故障線路側各相對地電容電流和零序電流為（i≠k）：

第n段母線進線各相對地電容電流和零序電流為：

設第n段母線與第n-1段母線之間的級聯線為第n-1段母線的第r條出線，則該條出線的對地電容電流和零序電流為：

同理可得，第n-1段母線進線零序電流為：

設第n-1段母線與第n-2段母線之間的級聯線為第n-2段母線的第z條出線，則該條出線的零序電流為：

由式（19）可知，在第n段母線出線發生故障時，第n段母線進線零序電流為n段母線上每條出線對地電容電流之和與系統接地電流之差，考慮系統接地電流肯定大于n段母線上每條出線對地電容電流之和，所以第n段母線進線零序電流方向為母線流向線路。由式（23）可知對于n-1段母線出線而言其零序電流方向為線路流向母線。同理由式（24）和式（25），n-1段母線進線零序電流方向為母線流向線路。n-2段母線出線零序電流方向為線路流向母線。

由式（11）可知故障線路零序電流方向為線路流向母線?？梢娺@種情況下，級聯線路零序電流方向和故障線路零序電流方向相同。

1.2.2 P2點發生A相接地時的零序電氣量特征

如圖3所示，當在n段母線與n-1段母線之間的級聯線P2點發生A相接地故障時，同上分析過程可得各段母線的進線和出線的零序電流如下。

第n段母線進線零序電流為：

第n-1段母線出線（第r條出線）零序電流為：

第n-1段母線進線的零序電流為：

第n-2段母線出線的零序電流為：

1.2.3 P3點發生A相接地時的零序電氣量特征

如圖4所示，當在n-1段母線與n-2段母線之間的級聯線P3點發生A相接地故障時，同上分析過程可得各段母線的進線和出線的零序電流如下。

第n段母線進線零序電流為：

第n-1段母線出線（第r條出線）零序電流為：

第n-1段母線進線的零序電流為：

第n-2段母線出線的零序電流為：

從上面對P2點和P3發生A相接地的零序電氣量特征的分析可知，對于級聯線路，作為進線側的零序電流方向均由母線流向線路，作為出線的零序電流方向均由線路流向母線。總之各級級聯線路流過的零序電流與故障線路的零序電流方向相同。

1.3 傳統接地保護及漏電保護特性分析及缺陷

1.3.1 基本原理介紹

傳統的小電流接地保護原理有：

（1）基于零序電流和零序電壓的五次諧波原理[4]；（2）基于出線端的零序功率方向的原理[5，6]。

1.3.2 缺陷分析

（1）對于單級供電中性點不接地系統，只有出線端的零序電流，不存在級聯線路零序電流的問題，所以傳統的利用零序電流方向的小電流接地保護原理方法能很好地解決不接地系統單相接地造成的問題。

（2）對于階梯式多級供電中性點不接地系統，當某級母線的出線發生單相接地故障時，由1.2分析可知，該級母線以上的各級級聯線路流過的零序電流與故障線路的零序電流方向相同，大小相似，利用零序電流方向很難保證故障識別的選擇性。

2 新型保護原理

2.1 同一條線路既作進線又作出線電流特性分析及解決

2.1.1 P1點發生A相單相接地故障分析

當P1點發生A相接地故障時，第n段母線與第n-1段母線之間的級聯線路在n-1側 （出線端）的零序電流見式（23），其方向為線路流向母線，在n側（進線端）的零序電流見式（19）,其方向為母線流向線路.對于重要負荷線路正常都裝設光纖差動保護，則級聯線路在n-1側（出線端）的零序差流為：

由式（34）易知當第n段母線出線故障時，級聯線路在n-1側（出線端）的零序差流為級聯線路本身零序電容電流的大小，方向為由母線流向線路。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相反。

2.1.2 P2點發生A相單相接地故障分析

當P2點發生A相接地故障時，第n段母線與第n-1段母線之間的級聯線路在n-1側 （出線端）的零序電流見式（27），其方向為線路流向母線，在n側（進線端）的零序電流見式（26），其方向為線路流向母線，則聯線路在第n-1段母線出線側零序差流為：

由式（35）易知當第n段母線與第n-1段母線之間的級聯線路發生單相接地故障時，級聯線路在n-1側（出線端）的零序差流為系統接地電流與該級聯線路本身電容電流之差，方向為由線路流向母線。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相同。

2.1.3 P3點發生A相單相接地故障分析

同2.1.3分析，當P3點發生A相接地故障時，級聯線路在第n-2段母線出線側零序差流方向為線路流向母線。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相同。

此時第n段母線與第n-1段母線之間的級聯線路在n-1側（出線端）的零序電流見式（31），其方向為線路流向母線，在n側（進線端）的零序電流見式（30）,其方向為母線流向線路，則級聯線路在第n-1段母線出線側零序差流為：

由式（36）易知此時該級聯線路零序差流方向為母線流向線路。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相反。所以利用級聯線路零序差流方向可以保證在級聯線路上一級發生故障時，該級聯線路不會誤動。

2.2 新型判據原理

2.2.1 差流原理

由2.1分析可知，當級聯線路發生區外的單相接地故障時，由出線端計算出的零序差流大小為本線路的電容電流，方向為自上級母線流向線路；當發生區內故障時，計算出的零序差流大小為系統接地電流與下級各個線路電容電流之差，遠大于區外故障時的零序差流，方向為自線路流向上級母線。因此，通過設定零序差流的門檻和判斷差流方向可以有效地進行單相接地故障地判別。

2.2.2 方向比較（縱聯方向）

由上2.1分析可得，當級聯線路下級母線出線發生單相接地故障時，線路末端（進線端）的零序電流方向為由母線流向線路。而當線路本身發生區內單相接地故障時，線路末端的零序電流方向為由線路流向母線。而級聯線路上級線路發生單相接地故障時，可以通過首端的零序電流方向判別。因此，在傳統的基于零序功率方向判據基礎上，增加線路出線側零序差流方向的判斷，可以可靠地判別線路本身區內故障與下級母線出線發生的故障。

3 具體裝置的實現

根據上面分析可得，級聯線路故障時基于零序差流的動作方程為：

基于方向比較原理的動作方程為∶

動作區域分別如圖5、圖6所示。

4 結束語

分析了階梯式供電中性點不接地系統中發生單相接地故障時的零序電流特性，特別是發生區內和區外故障時級聯線路中出線側和進線側電流的大小和方向。在指出傳統的接地保護原理的不足的基礎上，詳細闡述了在級聯線路發生區內單相接地故障與下級母線出線發生單相接地故障時流過線路兩端的零序電流。提出了基于線路兩端零序差流與對雙端零序電流方向判別的接地保護原理。通過試驗和現場運行情況表明了該保護原理的可行性。

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