淺析零序電流有功分量方向接地選線保護原理

摘要：隨著我公司電力改造步伐的加快，越來越多的變電站進行了徹底的現代化改造。在現有的供電范圍中，有很大部分是35KV以下的小電流系統，在改造過程中引進了比較先進的小電流接地選線裝置進行接地判斷。本文在綜述國內外小電流接地系統單相接地故障保護現狀的基礎，分析目前各種保護原理的優點與不足，提出一種新穎的零序電流有功分量方向保護原理，并對接地選線保護裝置的動作參數進行論述。

關鍵詞：小電流接地系統 接地保護 選擇性 動作參數

0 引言

小電流接地系統的優點是單相接地電流較小，單相接地時不形成短路回路，電力系統安全運行規程規定可繼續運行1～2h，但是長時間的接地運行極易形成兩相接地短路，弧光接地還會引起全系統過電壓。因此，接地選線保護裝置近年來在現場得到了廣泛應用，為保證電網的安全運行起到了積極的作用。目前，部分裝置在使用中的表現并不能令人滿意，誤動、拒動現象時有發生，這需要有新的接地選線保護方法。本文在對常用的接地選線保護原理進行分析比較的基礎上，提出一種新的保護考慮方向——零序電流有功分量方向保護，彌補現有裝置的不足。

1國內外研究現狀

國外對接地保護的處理方式各不相同。俄羅斯的小電流接地系統采用中性點不接地方式和經消弧線圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。

日本的小電流接地系統中高阻抗和不接地方式均有采用，但電阻接地方式居多。其選線原理較為簡單，不接地系統主要采用功率方向繼電器，電阻接地系統則采用零序過電流保護瞬間切除故障線路。近年來，在如何獲取零序電流信號以及接地點分區段方面作了不少工作，并已將人工神經網絡應用于接地保護。

美國由于歷史原因，電網中性點主要采用電阻接地方式，也利用零序過電流保護瞬間切除故障線路。但是，故障跳閘僅用于中性點經低阻接地系統，對高阻接地系統接地時僅有報警功能。

法國過去以低電阻接地方式居多，采用零序過電流原理實現接地故障保護。隨著城市電纜線路的不斷投入，電容電流迅速增大，故已開始采用自動調諧的消弧線圈以補償電容電流。為解決此系統的接地選線問題，提出了利用Prony方法和小波變換以提取故障暫態信號中的信息(如頻率、幅值、相位)，以區分故障與非故障線路的保護方案，但還未應用于具體裝置。

挪威一公司采用測量零序電壓與零序電流空間電場和磁場相位的方法，研制了一種懸掛式接地故障指示器，分段懸掛在線路和分叉點上；加拿大一公司研制的微機式接地故障繼電器，也采用零序過電流的保護原理，其軟件算法部分利用了沃爾什函數，以提高計算接地故障電流有效值的速度。

我國配電網和大型工礦企業的供電系統大多數采用中性點不接地或經消弧線圈接地的運行方式，近年來，一些城市電網改用電阻接地的運行方式。礦井6～10kV電網過去也一直是用中性點不接地方式，隨著井下供電線路的加長，電容電流增大，近年來消弧線圈在礦井電網得到了推廣應用，并主要采用消弧線圈并、串電阻的接地方式。

國內從50年代就開始了對接地保護原理和裝置的研究，并相繼推出了幾代產品。目前國內的選線裝置主要基于零序電流原理、零序功率方向原理、首半波原理、諧波電流方向原理和“信號注入法”原理。在選線方案上，除常規的絕對定值保護方案外，還有群體比幅比相方案，最大Isinφ或Δ(Isin φ)方案。

2接地選線保護原理

2.1零序電流原理 該原理是基于故障支路零序電流大于非故障支路零序電流的特點，區分出故障和非故障線路，從而構成有選擇性的保護。這種原理在電網的電容電流較小，又存在長線路的情況下較難滿足選擇性的要求。同時，當接地點存在電阻時，易發生拒動現象。

2.2零序功率方向原理 零序功率方向保護原理是利用故障線路零序電流滯后零序電壓90。非故障線路零序電流超前零序電壓90。的特點來實現的。目前采用這一原理實現的裝置在實際電網中應用較多，但對中性點經消弧線圈接地的系統此原理無效。

2.3首半波原理

該原理是基于接地故障發生在相電壓接近最大值瞬間這一假設。它利用故障線路中故障后暫態零序電流第一個周期的首半波與非故障線路相反的特點實現選擇性保護。但該原理不能反映相電壓較低時的接地故障，且受接地過渡電阻影響較大，同時也存在工作死區。

2.4諧波電流方向原理 由于電力電子傳動裝置在供電網中的推廣應用，以及電源變壓器鐵芯非線性的影響，電網中除存在基波成分外，必然還包含一系列諧波成分。故可利用5次或7次諧波電流的大小或方向構成選擇性接地保護。對于中性點經消弧線圈接地系統，因消弧線圈的作用是對基波而言的，5次或7次諧波電流的分布規律與中性點不接地電網一樣，故該原理仍然可行。但由于5次或7次諧波含量相對基波而言要小得多，且各電網的諧波含量大小不一，故以此原理構成的保護其零序電壓動作值往往很高，靈敏度較低，在接地點存在一定過渡電阻的情況下將出現拒動現象。

3零序電流有功分量方向原理

針對上述各種理論存在的不足，采用零序電流有功分量方向原理，可彌補其不足。為說明該原理，先以中性點經電阻接地的系統為例進行說明。流過故障線路始端的零序電流可分2部分：中性點電阻器RN產生的有功電流，相位滯后于零序電壓90。流過非故障線路的零序電流只有由本支路對地電容產生的容性電流，相位超前零序電壓90。

由于有功電流只流過故障線路，與非故障線路無關，因此，只要以零序電壓作為參考矢量，將此有功電流取出，就可十分方便地實現接地選線保護。這就是零序電流有功分量方向保護的基本原理。有功分量的取出，可采用軟件或硬件相敏整流的方法即可方便實現。

對中性點經消弧線圈接地系統，目前主要采用消弧線圈并(串)電阻運行的派生接地方式，且消弧線圈本身的有功成分較大(實測單相接地時其有功電流達2～3A)。當此系統發生接地故障時，故障線路始端所反映的零序電流除增加一部分電感性電流外，其余二部分與電阻接地系統相同，因此上述原理仍然可行。

對于中性點不接地系統，當發生接地故障時，流過故障和非故障線路的零序電流皆為容性，且方向相反。此時，可采用移相的方法，使故障、非故障線路的零序電流分別與零序電壓反相位、同相位，相當于將它們變成了有功電流。因此，對于中性點不接地系統，該保護原理實質上是零序功率方向原理的延伸，但經過上述處理后，相當于將原有的零序電壓、零序電流比相范圍從原有的90擴大到180從而創造了更好的選線條件。

可見，采用此種保護原理，可滿足各種中性點接地方式下的接地選線保護問題。以此原理研制成功的接地選線保護裝置，目前已在我國大部分礦井電力網得到應用，收到了很好的保護效果。

4接地選線保護裝置的動作參數分析

接地保護的動作參數主要包括電網零序電壓、零序電流和動作電阻。

日本對6～10kV電網各種單相接地狀態下的故障點電阻做過一些實測和統計。他們認為單相接地保護能檢測出1kΩ以內的故障即可，對于高阻值接地故障一般可以不予考慮；而對消弧線圈系統，則定義故障點電阻在4kΩ以下為接地故障，對應的零序電壓動作值設定為10～25V。因當采用消弧線圈接地方式后，和不接地系統相比，在同樣的接地點電阻值下，零序電壓都將有較大幅度的提高，從而能反映較高阻值的接地情況。

由于中壓電網的接地保護不保護人身安全，因此，可不將接地點電阻作為動作值要求，而將零序電壓作為裝置起動整定值。筆者在設計接地保護裝置時，通過對有關項目論證并結合煤礦電網特點，對中性點不接地系統，零序電壓動作值取為10V左右；采用消弧線圈后，其動作值則取為20V左右。

對于零序電流動作值，可采用群體比幅方案，避免“絕對定值”方案帶來的整定麻煩。電網的自然不平衡電壓雖較低（經我們對全國幾十個礦井的測量，6～10kV電網的自然不平衡電壓大多在1V以下），但當出現電壓互感器高壓熔斷器熔斷的情況時，在開口三角處將出現約100/3V的電壓，此時若再碰上電網的少量不平衡電流(據實測有時可達0.3～0.5A)，保護裝置勢必會誤動。因此除群體比幅方案外，還應給零序電流設一定動作值門檻，此門檻值一般取為0.5～1A。

5小結

現有的小電流接地系統接地選線保護原理，皆有一定的局限性。而如果采用零序電流有功分量方向保護原理后，可較好地適用于不同中性點接地方式下的接地保護。接地選線保護裝置應由零序電壓起動，其動作值對不接地系統取在10V左右，對消弧線圈接地系統則應有所提高；選線方案可采用“群體比幅”加零序電流動作門檻的方法。

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