基于五次諧波的選擇性漏電保護研究

涂 建，黃貞輝 (.湖北師范學院 機電與控制工程學院，湖北 黃石 43500;.上海理工大學，上海 00093)

0 引言

對于中性點經消弧線圈接地的電網，由于消弧線圈的補償作用，故障支路的單相接地故障電流可能比非故障支路還小，并且其方向隨著補償狀態的變化而變化[1]，因此，已有的零序電流型、零序功率方向型已不能滿足選擇性要求。鑒于接地方式的不同，適應其選擇性要求的漏電保護方式也相應的不同，因此，為了能夠同時適應各種不同的中性點接地方式電網的選擇性要求，有必要使用新方法，應用新技術，提出一種能適用于各種不同接地方式的準確度較高的高壓電網選擇性漏電保護新方案。而基于五次諧波的選擇性漏電保護方案能同時滿足以上要求[2]，由相關參考文獻知傳統基于諧波方向型的選擇性漏電保護的準確度較低。因此，本論文就是在研究中性點經消弧線圈接地方式電網的基礎上為以前傳統的基于諧波方向型的選擇性漏電保護研究提供新的研究依據。

1 中性點經消弧線圈接地方式研究

中性點經消弧線圈接地方式是高壓電網中最常見的一種運行方式，中性點經消弧線圈接地電網漏電電流分布特點如下圖1所示[3]。

當三相電路對稱沒有故障現象時，中性點不會流過電壓，流過的電感電流也為零。當其中某一相發生單相接地故障時，中性點就會重新出現零序電壓，這樣就會有不同大小的感性電流流入大地。

同理可得，其它線路流入大地的電容電流，這樣就可以算出流經過渡電阻的電流大小為：

圖1 中性點經消弧線圈接地電網漏電電流分布特點

2 五次諧波特性研究

諧波是高壓電網中不可避免的成份，在電網發生各種不同類型的接地故障后，電網中的零序電壓和零序電流成分就會表現為有諧波成份，而各次諧波在大小和相位關系上仍具有工頻成分的特點。由于五次諧波不受變壓器接線組別的影響，且諧波中五次諧波含量相對來說含量較大，所以本論文采取五次諧波作為選線的依據。

電網中含有不同成分的高次諧波,主要是由于一些非線性負載的存在，致使在發電機繞組中感應出的電動勢不可能是規則的正弦波，此外，變壓器的鐵心屬同樣屬于非線性電感元件，即使加在線圈兩端的電壓是正弦波，變壓器的勵磁電流中也包含高次諧波分量。這些各次次諧波電流流經電機繞組和線路阻抗，就產生了各次諧波電壓。

通過故障支路五次諧波電感電流

由上面兩式得

上式表明，五次諧波的電容電流大約是電感電流的23倍，可見，五次諧波成分沒有完全被補償[4～5]。

因此可以利用零序電流和零序電壓中的五次諧波信號的分布特點來實現選擇性,有分析可知此方法不受中性點接地方式的影響，即構成了基于五次諧波方向型的選擇性漏電保護。

3 基于五次諧波的選擇性漏電保護方案確定

3.1 方案的確定

由前述的五次諧波特點可知，零序電壓和零序電流中的五次諧波相位穩定性較好，其幅度的穩定性則較差，因此，僅僅采取五次諧波的幅值作為判斷高壓電網哪條線路或母線發生故障不太準確。

因此可以采取零序電壓中的基波成分來啟動漏電保護。因為零序電流的五次諧波的幅值發生接地故障時表現為很大的幅值，其方向與正常的零序電流的五次諧波方向剛好相反。因此可以對所有線路的零序電流先進行幅值比較，其中幅值最大的前三個電流信號一定包含有故障線路，但是受各種因素的影響還不能完全確定是哪條線路，因此還要進一步對其相位進行比較，如果其中有一條線路的相位和其它兩條線路的相反，則此條線路即可判斷為故障線路，否則為母線故障。

根據以上研究依據，提出本論文的漏電保護方案為選擇性動作于零序電流五次諧波的幅值和相位比較并以80C196為核心的微機應用系統來進行選擇性漏電保護的新方案[6～10]。其硬件框圖如圖2所示：

圖2 選擇性漏電保護硬件結構圖

零序電壓回路由五次諧波提取電路、整流濾波和中斷產生電路組成；零序電流回路由五次諧波提取電路、I-U變換、放大電路等組成；零序電流回路再通過幅值、相位比較回路與零序電壓回路一起通過光電隔離電路進入以最新 16 位單片機 80C196為核心的微機系統[9～12]。

3.2 實驗驗證

將漏電故障點接到線路4的A相末端，修改過渡電阻的大小值，從0Ω 到5000 Ω以500 Ω步長間隔進行實驗分析，得到實驗數據結果如表1所示。

同理，將漏電故障點接到母線的A相末端，修改過渡電阻的大小值，從0 Ω到5000 Ω以500 Ω步長間隔進行實驗分析，得到分析數據結果如表2所示。

從表中數據可以看到，當線路和母線分別發生接地故障時，隨著過渡電阻的增大，選線判據1(比幅)的各條線路的的零序電流五次諧波的幅值逐漸減小，其中排名前三的線路為線路2、3、4，其中，線路4的幅值又為最大。而選線判據2(比相)的結果表明，當線路4發生單相故障時，其相位與其它線路的相位相反，總的判據結果和選線結果顯示線路4發生；當母線發生故障時，線路2、3、4的相位相同，總判據結果和選線結果則表明母線漏電。從而驗證了方案的正確性。

表1 線路4經不同過渡電阻漏電時保護選線情況

表2 母線經不同過渡電阻漏電時保護選線情況

5 結語

在以中性點經消弧線圈接地方式為研究對象的分析基礎上，本論文采取選擇性動作于零序電流五次諧波的幅值和相位比較并以80C196為核心的微機應用系統來進行選擇性漏電保護的新方案[13]。充分利用了故障時信號中的五次諧波特點和幅值、相位比較的優點，同時避免了各種外部因素對選線結果的影響 ，從而進一步提高了諧波方向型漏電保護方案的準確度。

參考文獻：

[1]鄒有明,張根現,劉士棟,等.工礦企業漏電保護技術[M].北京：煤炭工業出版社,2004.

[2]國家煤礦安全監督局. 煤礦安全規程[M].北京：中國法制出版社，2005.

[3]杜生華. 基于小波分析的暫態量選線式礦井漏電保護研究[D].焦作：河南理工大學，2006.

[4]丁 寧.井下高壓配電裝置微機綜合保護器的研究 [D].焦作：河南理工大學，2009.

[5]涂 建,鄒有明,張亞邦,等.諧波方向型原理在礦井高壓電網單相接地保護中的應用[J].煤礦安全,2007, (5):41～43.

[6]涂 建, 張先鶴，劉金華. 傳統諧波方向型高壓電網漏電保護方案的改進與仿真分析[J]. 煤礦安全, 2008, (12):18～21.

[7]胡天祿.零序電壓隨r，C，R變化的規律[J].中國礦業大學學報,2002. 31(3)：306～309.

[8]肖 鵬.基于小波分析的小電流接地系統單相接地故障選線研究[D].北京：華北電力大學，2000.

[9]徐政譯.電力系統諧波-基本原理、分析方法和濾波器設計[M].北京:機械出版社,2003.

[10]Yasmine ASSEF, Patrick BASTARD, Michel meunier. Artificial neural networks for single phase fault detection in resonant grounded power distribution systems. IEEE transactions on power delivery, 1996,19(3): 566～572.

[11]Detjen E R, Shan K R. Grounding transformer applications and associated protection schemes[J]. IEEE Trans Ind Appl, 1992.28(4):237～243.

[12]Teo C Y, He W X, Chan T W. Phase Co-ordinate Approach to Calculate Earth-fault Current and Shock Voltage[J]. IEE Proceedings of Electric Power Applications, 1997,144(6):441～445.

[13] Su Qianli, Dong Xinzhou, Shi Shenxing. a New principle of fault line selection for distribution[C]. IEE Developments in Power System Protection.Conference Publication,2001,379～382.