基于零序分量的配電網單相接地故障檢測系統

王卓然，李　強，周飛航（西安理工大學，陜西西安710048）

基于零序分量的配電網單相接地故障檢測系統

王卓然，李強，周飛航
（西安理工大學，陜西西安710048）

基于對配電網絡輸電線路發生的單相接地故障時的零序電壓、零序電流進行實時分析，提出基于零序電流的故障定位方法適用于中性點不接地系統發生配電網單相接地故障。期間詳細介紹了零序電壓、零序電流的產生原理和相關特性，并提出零序電流采集系統的基本結構、對零序電流的濾波以及放大處理，分析了零序電流相位的提取和計算，總結了應用零序電流在故障定位中的應用前景。

配電網；單相接地故障；零序分量；故障檢測與定位

1　引言

電力作為國家生產和人民生活必不可少的基礎性能源，在國民經濟快速發展的過程中發揮著不可替代的重大作用。隨著國家經濟的高速發展，電力系統配電網的網絡拓撲規模越來越大，鋪架的線路距離越來越遠，電力系統配電網的穩定性與可靠性直接關乎國家生產的穩定與人民生活的幸福，一旦配電網發生單相接地故障時，需要第一時間定位故障點，并盡快排除故障［1－3］。

當下國內外很多專家學者致力于配電網單相接地故障檢測的研究當中，對于配電網故障選線技術取得了一些成果，目前配電網單相接地故障的定位方法有很多種，如工人登桿檢測法、阻抗法、信號注入法等，但效果都因為各種原因而不太理想。本文從零序電流、零序電壓的特性出發，提出了基于零序電流相位的單相接地故障定位方法。本文提出的定位方法主要是基于零序電流互感線圈的使用和對零序電流相位的相關計算，下面將逐一介紹。

2　零序電流原理

電力系統中的供電線路是三相對稱的，所以發生接地故障時短路電流分量也是對稱的，在配電網輸電系統發生不對稱接地故障的時候，對稱性就發生了相應的改變，配電網中會出現三相不對稱的電壓分量和電流分量。此刻需要對三相不對稱的電路進行轉換，使其變為三相對稱電路來進行分析，在線性電路里應用疊加原理對電流分量進行疊加分析。

2.1接地故障點各分量分析

在三相電中，對于任意不對稱的三相向量可分解為三組對稱的分量：正序分量、負序分量、零序分量。假設三相向量分別為Fa、Fb、Fc，角標0、1、2分別代表零序分量、負序分量以及正序分量，即：

電網正常運行時，三相中只存在正序分量。一旦配電網發生單相接地故障時，系統中就會同時存在正序分量、負序分量以及零序分量，其中零序分量、負序分量會對電力設備造成嚴重的影響。當配電網發生單相接地故障時，正序分量表現為三相對稱、大小相等，并且相位順時針方向相差120°，負序分量也呈現出三相對稱且大小相等，只不過相位逆時針方向相差120°，零序分量三相對稱、大小相等、相位相同，并且只有在發生單相接地故障時才出現，如圖1所示。

圖1　三相向量分解圖

由于在配電網發生單相接地故障時，系統中才存在零序電流，在仔細分析零序電流的相位特性后，特此提出基于零序分量的單相接地故障定位法，文中將重點對零序電流的一些特性，尤其是對發生單相接地故障接地點前后變化的零序電流特性做出分析。

2.2接地故障點零序電流分量的等效電路

配電網三相電在P點發生單相接地故障時，假設接地的相為C相，則Upa＝0。由于P點三相對地阻抗不等，則系統中三相電壓及電流不對稱。對于C相來說，P點接地處的零序電壓作為激勵源。圖2（a）、2（b）所示為零序等效圖。圖中Up0為故障接地點的零序網絡激勵，Ip0為線路的零序電流，Zp0為線路的零序阻抗。

圖2　故障前后零序分量等效圖

2.3故障點零序電流分量的計算

C相的P點發生單相接地故障時，很顯然有如下關系：UPc＝0，IPa＝0，IPb＝0。

根據圖2所示的零序網絡等效電路可得：

UPc＝－Zp0Ip0（2）

由圖2可知，在配電網發生單相接地故障時，接地點前后的零序電流的相位相差180°，即相位的相反的。那么，當配電網監測到某個區域零序電流的相位發生180°的變化時，即可判斷故障點的線路區間。

3　零序電流采集系統

零序電流的相位采集系統主要組成部分如圖3所示，主要包括零序電流互感器、UAF42有源帶通濾波電路、AD8628放大電路以及零序電流計算電路。

3.1零序電流互感器

圖3　零序電流相位采集系統

零序電流互感器的感應原理與普通的電流互感器的感應原理是一樣的，但是在其使用方式上有別于普通的電流互感器。普通的電流互感器需要3個感應線圈分別穿過三相線中的每一相，檢測到的只有其中一相的電流值，零序電流互感器需要三相線同時穿過一個線圈，檢測到的則是零序電流。

零序電流互感器的一次繞組是中性線，在三相正常運行時，三相線路中的電流向量和為零，一次繞組中無電流通過，互感器的鐵心就不會產生磁通，二次繞組中就不會有感應電流。配電網發生單相接地故障時，三相線路中的電流向量和不為零，有電流流過一次繞組，互感器的鐵芯將會產生磁通，二次繞組感應出電流，此電流就是零序電流。

常用的零序電流互感器按照其結構劃分，可以分為開合式和固定穿心式。開合式互感器應用方便，在不改動電纜的情況下即可進行拆裝和更換，故本系統采用開合式零序電流互感器。

3.2有源帶通濾波器

零序電流互感器中感應到的零序電流存在雜波信號，為了避免雜波信號對系統正常運行的干擾，應當濾除雜波信號只保留50Hz的基波電流信號。本次采集系統選用了前后兩級帶通濾波器對采集來的零序電流進行濾波處理，前一級濾波主要過濾掉雜波，因此前一級濾波器為中心頻率為50Hz，帶寬為10Hz的帶通濾波器。由于在系統中存在放大器對微弱的零序電流信號進行放大，因此有可能造成狀態飽和，導致輸出的波形出現飽和失真，為此后一級濾波器的作用就是得到規則的正弦信號［4］。

本系統采用的是UAF42有源帶通濾波器。配置中心頻率為：

配置Q值：

3.3放大器

本文采用AD8628放大器為前一級濾波器輸出的零序電流信號進行放大，如圖4所示，其中放大的倍數設置為100倍，n＝Ra／Rb。

圖4　放大器AD8628

零序電流在經過濾波放大后進行相位提取。本文采用10位AD轉換器對零序電流采樣20個點，設為Dn，采樣頻率設為1kHz。

把采樣得到的20個點進行比較，當Dn和Dn＋1兩點符號不同時，停止比較，并記錄此時n的值。

圖5　相位采集圖

當Δt＝1ms，由式（5）、式（6）推得：

θ＝ΔT×360／20ms＝（n＋1／2）18

當Dn≤0，Dn＋1＞0時，如圖5所示，可得：

當Δt＝1ms，ΔT代入式（7）中得：

如果找到相鄰的監測點的相位值相反。那么可以判斷單相接地故障就發生在這個區間內。

4　配電網仿真模型實驗

利用Matlab仿真軟件對該系統搭建仿真模型，然后通過仿真出的零序電流波形證明該方法的正確性。

圖6所示為搭建的仿真模型，各項參數設置如下：三相電壓源為10kV，接地方式為中性點不接地系統，電流電壓頻率統一為50Hz，配電線路為分布式輸電電路，各線路的長度分別為50km、70km、80km，線路各參數為正序電阻＝0.01389Ω／km，正序感抗＝0.8997mH／km，正序容抗＝13.01pF／km，零序電阻＝0.3964Ω／km，零序感抗＝4.3313mH／km，零序容抗＝7.571pF／km；線路對地的電容都設為1uF，發生接地故障時的接地電阻設為300Ω。

圖6　仿真模型

仿真出的零序電流、電壓波形如圖7所示。基于上述仿真模型，對系統參數進行修改，包括接地電阻大小、線路長度等，在此過程中發現線路越長對地的零序電流就越大，檢測就越準確，且接地電阻的大小對故障的判斷幾乎沒有影響。

圖7　零序分量故障前后波形

5　誤差分析

由于配電網絡拓撲結構復雜，環境差異也很大，使得實際得到的零序電流相位與實際情況存在不同程度的誤差，因此需要采取相應的措施，盡可能地提高采集零序電流相位的精確度。

配電網單線接地故障可能造成零序分量的相位和幅值發生變化。故障點前后的零序電流相位理論上相反，但在進行相位判斷上只要是近似相反都應該認為是發生了接地故障。

至于提高采集零序電流相位的精度，在考慮成本因素的情況下，應該選購精度相對較高的零序電流互感器。這樣可以從根本上提高采集精度。

6　結束語

本文中對電力系統配電網的單相接地故障進行了介紹與分析，提出通過分析故障前后的零序電流的相位來對故障區域進行定位。

文中重點分析闡述了零序分量的產生與特征，通過分析發現在故障前后零序電流的相位差發生了180°轉變，再配合高精度AD數據采集，通過有源帶通濾波器以及放大器可以實現對配電網三相點零序電流的采集、過濾、放大與分析。

基于目前國內電力系統配電網單相接地故障檢測研究的現狀，零序電流的故障定位方法的提出對于進一步研究在線故障定位提供了重要的參考［6］。

［1］李雅潔，孟曉麗，史常凱.基于零序量采集值的配電網故障定位［J］.中國電力，2011，44（5）：10－14.

［2］郭玉會，戚宇林.基于零序電流的單相接地故障定位系統［J］.電力學報，2012，（6）.

［3］夏楠，姜彤，張利.中性點不接地系統負荷電流對零序電流采集的影響分析［J］.電氣應用，2010，5.

［4］張麗敏.基于UAF42通用有源濾波器的設計［J］.內蒙古電大學刊，2002（1）：97－98.

［5］張利，夏楠，姜彤.中性點不接地系統單相接地故障的定位方法［J］.電力系統及其自動化學報，2010（4）：36－40.

［6］季濤，孫同景，薛永端等.配電網故障定位技術現狀與展望［J］.繼電器，2006，33（24）：32－37.

Single phase grounding fault detecting system based on zero sequence component

WANG Zhuo－ran，LI Qiang，ZHOU Fei－hang
（Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an 710048，China）

Based on the zero sequence voltage and zero sequence current of the single phase to earth fault in the transmission line of the power distribution network，a fault location method is proposed based on zero sequence current，which is suitable for the single phase earth fault in the system of neutral point grounding.The generation principle and correlation characteristics of zero sequence voltage and zero sequence current are introduced in detail，and basic structure of the zero sequence current acquisition system and the filtering of the zero sequence current are presented.The extraction and calculation of the phase of zero sequence current is analyzed.Finally，the application prospect of the application of the grounding fault detecting system of the zero sequence current is summarized.

distribution network；single phase grounding fault；zero sequence component；fault detection and location

TM862

A

1005—7277（2016）01—0051—04

王卓然（1987－），男，碩士研究生，主要研究方向為配電網技術及電力自動化技術。

李強（1961－），男，教授，碩士生導師，主要研究方向為配電網技術、電力自動化及電弧爐控制等技術。

2015－12－02