諧振接地電網單相接地故障選線的研究

王衛增

摘要：在小電流接地系統單相接地選線中，為了進一步解決諧振接地電網的單相接地選線問題，以及現場應用中現有方法存在的選線不準確問題，通過對補償電網零序測量電流分布進行詳細分析，同時在小電流接地選線計算和判斷中，融入消弧線圈補償電流，提出了一種新的小電流接地選線算法，該算法通常情況下主要針對諧振接地電網，同時分析單相接地故障工頻穩態量。EMTP仿真分析顯示該算法具有較高的保護裕度。通過掛網運行試驗，該方法選線準確性得到了證明。

關鍵詞：單相接地小電流接地電網小電流接地選線故障

1 諧振接地電網零序測量電流的分布

當單相接地故障發生在諧振接地電網上時，其零序網如圖1所示。在圖1中，Ci、Gi、TA、Gw、L分別代表第i條線路的三相對地電容之和、第i條線路的三相對地有功損耗等值電導之和、線路電流互感器、消弧線圈的有功損耗等值電導與并(串)電阻的和、消弧線圈的補償電感。

[I01][I02][I0k][I0n][TA1][c1][g1][g2][c2][gi][ci][gk][ck][En][cn][TAn][E][R][TAk][L][TAN][gN][TA1][TA2][I01][I0N]

圖1 零序網絡圖

1.1 非故障線路的零序測量電流

在電流方面，如圖1所示，流經非故障線路零序電流TA為：I0i=U0(Gi+jwCi)。在阻尼率方面，架空線通常為(3～5)%，如果出現嚴重污染，或者出現受潮時其阻尼率可達10%。對于電纜來說，其阻尼率一般為(2～4)%，當絕緣嚴重老化時其阻尼率可達10%。在這種情況下，導納角的范圍在84.2°～88.9°之間，如圖2所示。

1.2 故障線路的零序測量電流

流經故障線路零序電流TA如下式，如圖1所示。

式中：電流下標 j分別取值0，1，2，3時，在這種情況下分別代表不補償、欠補償、全補償和過補償，如圖2所示。

①欠補償，即ωCi>，則脫諧度和電網各線路的對地電容電流的分布決定著I0kj，這時I0kj可能在第I或第Ⅲ象限。當ωCi->ωCk時，在這種情況下，I0kj位于第Ⅲ象限。在線路線較短或電纜架空線混合電網中發生單相接地故障。由于Gk很小，對于脫諧度來說，如果稍大點就能滿足條件。②全補償，即ωCi=時，在這種情況下I0kj位于第Ⅱ象限。③過補償，即ωCi<時，在這種情況下I0kj位于第Ⅱ象限。

受零序電壓的影響和制約，在對電網進行補償的過程中，故障線路的零序電流I0kj隨著消弧線圈補償電流的增大，將沿著圖2中的虛線從第Ⅲ象限逐漸移向第Ⅱ象限。虛線的斜率在一定程度上受消弧線圈的銅損等值電導的影響和制約。

1.3 消弧線圈補償電流

通過對圖1進行分析可知，消弧線圈的補償電流可以用下面公式進行標示：I0N=U0(GN-j/ωL)

2 諧振接地電網單相接地選線

在諧振接地電網中，當發生單相接地故障時，如圖2所示，在這種情況下，在一個非常寬松的范圍內，故障線路的零序測量電流發生相應的波動，并且其波動的范圍從第Ⅲ象限到第Ⅱ象限。對于非故障線路的零序測量電流來說，通過理論方面的分析可知，通常情況下主要是位于第Ⅰ象限，在非故障電流、故障線路的零序測量電流之間有著明顯的分界線，對故障線路通過各線路的零序測量電流進行相應的判斷，但是保護裕度比較小。對于零序電流互感器來說，其特點表現為非線性、非一致性，進而在一定程度上使得零序電流和電壓的相位測量誤差等在客觀上普遍存在著，并且，在實際應用的過程中，對于故障線路難以進行準確的判斷。

2.1 各線路零序測量電流與補償電流的融合

2.1.1 非故障線路的融合電流

I′0ij=I0i+I0n=U0[Gi+GN+j（ωCi-1/ωL）]

①欠補償，由上式可知，當I/wL>wCi，這時I′0ij就在第Ⅳ象限。自動跟蹤補償消弧線圈通常情況下在接近全補償狀態下運行，甚至手動調諧的固定補償，也不會在過大的脫諧度狀態下運行，在電網中，與某一單線路的對地電容電流相比，其補償電流一般比較大，對于補償電網來說，I/wL>wCi的條件總能滿足。如圖3，I′0k1所示。②全補償，即=ωCi>ωCi，I′0ij在第Ⅳ象限，如圖3，I′0k2所示。③過補償，即>ωCi>ωCi，I′0ij在第Ⅳ象限，如圖3，I′0k3所示。

2.1.2 故障線路的融合電流

[I0k=I0k+I0N=][][i=1，i≠k][Gi+j ωCi =I0k0][][i=1，i≠k][-U0][（ ）]

對于I0k來說，中性點不接地電網故障線路的零序測量電流I0k0恒在第Ⅲ象限，如圖3所示。

2.2 諧振接地電網單相接地故障選線算法

2.2.1 各線路故障判斷電流

①非故障線路。由于I′0ij在第Ⅳ象限，則必有I0ij在第Ⅳ象限(如圖4所示)。I0kj=I′0ijej90°=U0[(1/ωL-ωCi)+j(Gi+GN)]。②故障線路。由于I0k在第Ⅲ象限，那么I0kk在第Ⅵ象限(如圖4所示)。

[I0kk=I0kej90°=U0(ωCi-jGi)][][i=1

i≠k][][i=1

i≠k]

2.2.2 線路故障判斷量

由各線路零序測量電流和本線路故障判斷電流分別“點積”求得各線路故障判斷量。

①非故障線路。Pi=I0ijI0i=I0ijI0icosφi，即Pi=i0i(j)i0ij(j)。式中，n代表一個工頻周期的采樣點數。對于I0i、I0ij來說，由于位于第Ⅰ象限，所以夾角<90°，Pi>0。② 故障線路 Pk=I0kjI0kk=I0kjI0kkcosφ，即PK=i0kj(j)i0kk(j)。I0kj主要是位于第Ⅱ象限，但是有些情況下位于第Ⅲ象限，出現這種現象主要是受補償電網對脫諧度的影響。當I0jk靠近負實軸時，此時比較靠近第Ⅱ象限，當I0kk位于第Ⅳ象限時，這時與實軸非常靠近，在這種情況下，I0kjI0kk之間的夾角必然大于90°，并且接近180°，此時必有Pk 小于0。

實際電網在運行過程中，由于非故障線路零序測量電流I0i是故障線路零序測量電流I0k0的總和，所以故障

判斷量Pk在符合方面需要與非故障判斷量Pk相反，進

而在一定程度上可以保證該選線方法的保護裕度比較大。

3 仿真分析

按2.2節進行低阻接地和高阻接地，采用EMTP軟件對有18條線路的10kV配電網的3種線路分別進行仿真。電網參數及仿真結果如表1所示。

①在保護裕度、保護靈敏度方面，中性點經消弧線圈并(串)電阻接地方式通常情況下與消弧線圈接地方式相比往往更高。②無論是保護裕度，還是保護靈敏度，對于全補償來說這些都是最大的。欠補償和過補償在保護的靈敏度方面都會出現不同程度的降低。保護靈敏度受脫諧度的影響和制約，當脫諧度越高時，那么對應的保護靈敏度就越低，原因與①相同。③零序電壓和電流的相位關系在該選線方法中沒有涉及，在安裝接地選線裝置的過程中，零序電流與零序電壓之間確定的相位關系可以不予以保證。通過“自檢電路”可以驗證零序電流互感器的安裝是否同方向。④本選線方法在一定程度上使用了本線路測量零序電流和補償電流的融合量，進一步對故障線路進行判斷，但是沒有與其它線路測量零序電流的相位進行比較。

4 結論

按照2.2公式進行編程，同時采用DSP板，分別制作4臺試驗樣機，同時運行在2臺6kV和2臺10kV的電網上。該算法選線準確性高得到初步的運行證明，在靈敏度方面，對單相高阻接地故障比較高。在試驗樣機中，一方面采用了本文提出的算法，另一方面還采用了前1/10周波暫態分析法的算法，進而提高了對瞬時單相接地故障選線的準確性。

參考文獻：

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