小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法分析

田志存

（寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏中衛(wèi)751200）

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法分析

田志存

（寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏中衛(wèi)751200）

為了提高中壓配電網(wǎng)（3～66 kV）供電可靠性，我國中壓電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)非有效接地方式，俗稱“小電流接地方式”。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障選線且切除故障，避免事故擴(kuò)大，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性就顯得尤為重要。對現(xiàn)有故障選線原理及方法進(jìn)行歸納、分析和比較，總結(jié)出進(jìn)一步尚需解決的問題，并給出結(jié)論。

中性點(diǎn)非有效接地；故障選線；穩(wěn)態(tài)方法；暫態(tài)方法

目前，我國中壓配電網(wǎng)（3～66 kV）普遍采取中性點(diǎn)非有效接地方式，即小電流接地方式，主要包括中性點(diǎn)不接地（NUS）、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（NES）、中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地（NRS）及在這3種方法基礎(chǔ)上的改進(jìn)型接地方式等[1]。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于故障點(diǎn)電流較小，且配電網(wǎng)故障線路線電壓保持對稱、大小不變，按照電力系統(tǒng)規(guī)程規(guī)定，電網(wǎng)可以繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，提高了配電網(wǎng)供電的可靠性。但隨著配電網(wǎng)電纜線路的使用和配電網(wǎng)饋線的增多，如果配電網(wǎng)長時間帶故障運(yùn)行，接地故障將會擴(kuò)大至2點(diǎn)或多點(diǎn)短路接地，引起的弧光過電壓將會導(dǎo)致全系統(tǒng)的過電壓，進(jìn)而損害電力設(shè)備，致使電力設(shè)備不正常運(yùn)行，破壞電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，所以必須快速、準(zhǔn)確找出故障予以切除[2]。

電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，小電流接地故障中單相接地故障的發(fā)生率最高，所占比例達(dá)70%左右。由于穩(wěn)態(tài)時故障線路故障信號較小，尤其是配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用諧振接地方式，將會使得故障信號變得更小，導(dǎo)致故障選線難度增大，所以小電流接地故障選線問題一直沒有得到完美的解決，為此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。根據(jù)故障時配電網(wǎng)各饋線特征電氣量變化差異性等原理提出的方法主要分為穩(wěn)態(tài)方法、暫態(tài)方法、信號注入法、信息融合等[3]。筆者歸納了目前所提出采用的故障選線方法，分析了它們的選線原理、使用條件和比較了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，對最新的研究成果和改進(jìn)措施進(jìn)行了總結(jié)，并對未來選線技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 小電流接地故障選線方法

1.1 小電流接地故障穩(wěn)態(tài)選線方法

1．1．1 零序電流幅值比較法

利用故障線路和非故障線路零序電流大小不同的特點(diǎn)進(jìn)行故障選線。但當(dāng)電網(wǎng)中性點(diǎn)諧振接地時，由于消弧線圈產(chǎn)生的電流對故障線路起補(bǔ)償作用，故障線路零序電流近似等于或小于非故障線路零序電流，所以無法采用此方法進(jìn)行故障選線[8]。

1．1．2 零序電流方向法

利用故障線路和非故障線路零序電流流向反向的特點(diǎn)進(jìn)行故障選線。但當(dāng)電網(wǎng)中性點(diǎn)諧振接地時，當(dāng)消弧線圈采用過補(bǔ)償時，故障線路和非故障線路零序電流流向相同，尤其對于間歇性接地故障，零序電流波形嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算相角，所以無法準(zhǔn)確進(jìn)行故障選線。

1．1．3 零序電流有功分量法

故障線路零序有功分量為消弧線圈和非故障線路產(chǎn)生的有功電流分量之和，由于有功電流只流過故障線路，所以利用故障線路和非故障線路有功電流幅值不同來選線。但當(dāng)消弧線圈和非故障線路產(chǎn)生的有功分量較小，并且極易受到不平衡電流等因素的影響時，必須同時取得零序電壓信號，很難準(zhǔn)確檢測，無法保證其可靠性。

1．1．4 五次諧波幅值和方向法

故障電流含有大量諧波信號，以五次諧波為主，由于五次諧波在消弧線圈產(chǎn)生的感性電流太小，為工頻的1/25，所以可忽略不計。五次諧波在故障線路與非故障線路的幅值、大小不同，通過比較比幅、比相等方法可以進(jìn)行故障選線[9]。但由于五次諧波含量較小，當(dāng)有電弧現(xiàn)象時穩(wěn)定性較差，極易受諧波源和不平衡電流中諧波分量等因素的影響。多次諧波平衡方法也無法徹底解決單次諧波信號小的問題。

1．1．5 零序?qū)Ъ{法

通過配電網(wǎng)各個支路測得零序電流和電壓，計算故障時各線路等效零序電導(dǎo)，比較線路之間導(dǎo)納分布象限來選線，按照故障相線路的等效零序?qū)Ъ{分布，故障線路等效導(dǎo)納位于直角坐標(biāo)系其中第二、第三象限，并且正常相的零序?qū)Ъ{分布在第一象限的這一特點(diǎn)來選擇故障線路。該算法具有較好的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，但是如果線路發(fā)生間接性接地故障時，此方法無法準(zhǔn)確選線[10]。

1．1．6 負(fù)序電流法

由于負(fù)序電流在發(fā)生小電流接地故障時分布特征與零序電流類似，且故障線路的負(fù)序電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非故障線路，所以將比較各個饋線負(fù)序電流大小和方向作為選線判據(jù)[11]。但負(fù)序電流的獲取比零序電流復(fù)雜，而且在線路正常運(yùn)行情況下，通常也會存在大量負(fù)序電流，所以負(fù)序電流法選線準(zhǔn)確度和可靠性較差，實(shí)際運(yùn)用少。

1.2 小電流接地故障暫態(tài)選線方法

1．2．1 暫態(tài)零序能量法

通過對各個饋線支路瞬時零序能量積分，比較各個饋線暫態(tài)零序能量大小和極性來作為選線判據(jù)。但是，暫態(tài)電流中有功分量的比例較小，特別是金屬性接地時，準(zhǔn)確性差[12]。

1．2．2 首半波法

當(dāng)發(fā)生小電流接地故障時，通過故障發(fā)生首半波內(nèi)的故障相基波暫態(tài)電流與暫態(tài)電壓相位相反來判別故障線路，但由于故障后首半波的暫態(tài)電流幅值太小，且易受諧波干擾，所以用此方法選線可靠性差[13]。

1．2．3 小波分析法

近年來，許多學(xué)者將小波分析應(yīng)用到故障選線中，將故障信號用小波變換處理，得到模極大值，根據(jù)各個線路的零序模極大值的幅值和極性來判別故障線路。由于暫態(tài)特性較為復(fù)雜，特別是故障暫態(tài)的頻率成分和衰減特性，以及頻譜能量嚴(yán)重受到故障條件的影響[14]。

1.3 其他故障選線方法

1．3．1 模型參數(shù)識別法

首先對配電網(wǎng)建立外部故障下各個饋線等值模型，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算模型參數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，通過測量數(shù)計算參數(shù)吻合來進(jìn)行故障選線。

1．3．2 人工智能法

目前，運(yùn)用較成熟的人工智能算法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依據(jù)電氣特征量與故障間的映射作出判斷。而模糊控制根據(jù)輸入信號利用現(xiàn)有判據(jù)進(jìn)行故障選線，依據(jù)模糊理論得出隸屬度函數(shù)，最終根據(jù)信息得出故障線路[15]。

1．3．3 信息融合法

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)故障復(fù)雜程度越來越高，單一判據(jù)無法確保對所有類型的接地故障作出準(zhǔn)確的判斷。基于小波技術(shù)提取的暫態(tài)故障信息含有豐富的暫態(tài)頻譜信息，用來提高接地故障檢測的靈敏度，但抗干擾能力不強(qiáng)，易發(fā)生誤判，因此利用穩(wěn)態(tài)故障檢測算法彌補(bǔ)暫態(tài)算法抗干擾能力不足的特點(diǎn)，利用穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)選線判據(jù)的融合來實(shí)現(xiàn)故障的識別、判斷和得出綜合判據(jù)進(jìn)行選線[16]。

2 結(jié)論

由于小電流接地穩(wěn)態(tài)方法嚴(yán)重受到消弧線圈、間歇性電弧故障、零序有功分量小、檢測裝置精確性等因素的影響，故障選線準(zhǔn)確度和可靠性差，無法確保繼電保護(hù)設(shè)備能準(zhǔn)確動作。暫態(tài)選線方法盡管能克服穩(wěn)態(tài)選線方法的局限性，但比較容易受到系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障類型、故障時刻等因素的影響。雖然基于現(xiàn)代信號處理技術(shù)的小波變換和人工智能融合了現(xiàn)代數(shù)學(xué)處理方法，在理論上能夠提高選線準(zhǔn)確度，但實(shí)際效果還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

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〔編輯：劉曉芳〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.001

2095-6835（2017）15-0001-02