10kV配電網小電阻接地零序保護的可靠性分析

于尚斌

摘要：10kV配電網系統的容量與結構不斷擴大，小電阻接地系統在配電網系統中得到實際應用，選用合適的接地運行方式有助于提升配電網供電質量。對此，本文基于對小電阻接地系統單線接地故障的研究，分析了小電阻接地零序保護方案與配置，并提出了新型零序電流動態保護方案，以期能夠提高10kV配電網的配電質量。

關鍵詞：10kV配電網;小電阻接地;零序保護

前言

配電網系統出現的故障中最常見的是單向對地故障，選用小電阻接地運行的情況下，單向對地故障出現穩態規律與暫態規律，暫態過程不會受到影響，這也是接地方式有不同中性點的原因，因此在暫態過程中的故障信息能夠有效提高故障檢測效率。在10kV配電網系統中采用小電阻接地零序保護，也能更有效解決故障檢測與分析的問題。

1 小電阻接地系統單相接地故障分析與判斷

單相接地故障的定位可以分為三個部分，第一部分是確定故障線路，第二部分是確定故障的區間或分支，第三部分是確定故障的具體點[1]。C型行波法是根據行波的反射和折射原理，在線路發生故障后，由人工向故障線路發射一個行波信號，行波信號遇到線路波阻抗不連續點就會發生反射和折射，波阻抗不連續點包括線路的節點、端點和故障點在檢測點接收并識別來自故障點的特征波，根據特征波往返一趟的時間和波速來確定故障距離。如圖1所示，線路MN上F點發生接地故障，在0時刻由人工從檢測點M處向線路發射一個行波信號，行波信號到達故障點發生反射，在T時刻又返回到檢測點M。

如果線路上有分支點，則需要判斷故障區段。本文所指的線路區段包含了線路分支，把相鄰兩節點以及相鄰節點與端點之間的線路稱為區段。如圖3-2所示，帶分支的線路MN上共有5個區段，它們是主干線上的三個區段MA、AB、BN和兩個分支構成的區段AC、BD。在M點檢測反射回來的行波信號時，首先檢測到的是直接來自第一個分支節點A。

定位裝置如圖2所示，由電腦控制著信號發生器的開合，在線路發生故障后，向配電線路發射高壓脈沖信號，然后通過采集卡采集反射回來的信號，并將信號傳送到電腦中，經過電腦對波形和數據進行處理、分析和計算，最后確定故障點位置。

2小電阻接地系統單相接地故障仿真研究

2.1 故障模型分析

ATP/EMTP是當前國際上使用最為廣泛的一種電磁暫態分析程序版本，它能夠模擬仿真任意結構的控制系統與復雜的網絡，有著不同類型的數學模型，不但能夠用來進行暫態計算，還能夠提供不同電氣量之下的圖形描述。該軟件有著較為廣泛的應用，操作上簡單且靈活，在10kV配電線路的模擬分析當中，可以提供電壓與電流兩種信號的波形、數據，繼而能夠對行波信號進行綜合的分析。

實際當中的10kV配電線路的末端一般都會安裝變壓器，其繞組的電感與入口的電容會反射與折射行波信號。當遇到10μs以內沖擊波作用時，流過其中的電流小到可以忽略不計。因此，在對行波信號進行分析時，不論繞組的末端接地與否，變壓器都能夠使用一個入口的電容進行等效。入口處的電容取值與變壓器的額定電壓、容量大小具有關聯性，對于10kV的配電變壓器而言，單相入口的電容低于500pF。如圖4為仿真模型，由圖能夠看出，一方面，在線路的末端加上變壓器，波形會出現一定的變化。另一方面，入口電容產生變化，三個波形基本保持不變。繼而能夠判斷出行波的信號會受到變壓器的影響會出現變化[2]。

2.2 故障信號分析

對信號進行檢測是對10kV配電線路進行故障定位的重點，若是可以檢測到精準的特征波信號，便可以實現快速的定位。除此之外，反射波的信號和線路拓撲結構，具有一定的關聯性。因此，在進行故障定位的時候，該配電線路當中的具體區段、節點、端點和變壓器均需要當做重點進行分析。如圖5所示為一條10kV的配電線路，其使用中性點不接地的方式。在一相線路的MN上出現故障之后，會從檢測點M向線路發射出一個行波的信號，該信號在線路波的阻抗不連續點處持續反射，該信號在傳播的途徑當中，遇到的波阻抗不連續點如下：

（1）線路的節點，如A、B、C等;

（2）線路的端點，如D、E、K、N等;

（3）母線區域，如M點。

提出的C型行波定位法針對的主要是10kV配電系統，對該線路進行故障定位，通常是將注入的脈沖信號幅值設置為10kV，其脈沖的寬度是2μs，這樣便能夠對定位的有效距離與精度進行保障

在線路的節點附近，行波信號可以反射或是折射，其反射、透射的系數則是由各節點區域的線路波阻抗決定。從M點檢測到的首個行波開始，在下面的時間內，將相繼檢測各個不連續點的反射波。為了可以更加清晰地對行波信號進行分析，需使用小波包對分解與重構信號，在高頻帶信號當中尋找各個不連續點發出的反射信號[3]。

3小電阻接地系統的零序電流保護分析

3.1小電阻接地系統的零序電流保護配置

小電阻接地運行下的零序電流保護相對容易，一般情況下分為兩部分組合接地變壓器零序電流保護與饋線零序電流保護。接地變壓器零序電流保護需要裝設大于一級零序電流保護，加強保護出現故障后的線路后備以及出現接地故障的配電網系統母線。設備的動作保護定值需要有較高的靈敏度，同時還要避開接地線路電流，防止出現靈敏度在兩條饋線接地時偏高的情況，配電網饋線的動作整定值也要與其相匹配，保護動作時間也要超過母線相連設備保護啟動時間最大值。饋線零序電流保護需要保障動作整定值具備高靈敏度，防止出現靈敏度在兩條饋線同相接地時較低的情況，要與接地變保護動作整定值相匹配，保護啟動時間也要容許存在一定延時現象。單電源配電網結構相對簡單，能夠和相電流保護動作時間相匹配，保護啟動時間也要比電流二段時間長[4]。

3.2 新型零序電流動態保護方案

配電網在小電阻接地運行下，如果多條饋線在相同的相對接地條件下發生故障，則接地電流明顯低于單個饋線的電流。配電網饋線起始位置的零序保護容易被拒絕。同時，零序保護對地的變換情況也會逐步失靈，導致大規模的電路斷流。分析了多條饋線在小電阻接地過程中的短路故障，得出了多條饋線與一條饋線之間的接地故障關系。在小電阻接地系統中，當母線電壓升高后，如果由于相同或相對接地誤差導致多條饋線發生故障，零序電流與單條回線故障相同，僅當電路存在接地故障時。確保在多條饋線發生故障的情況下，一次設備的保護協調和繼電保護效果仍然適用，并且故障點的準確性和故障類型不會改變。

結論：準確檢測小電阻接地系統的零序電流是零序保護正確運行的前提。小電阻接地系統中出現單相接地故障會產生較大的零序電壓和零序電流。產生零序電流的原因是在故障點施加零序電壓，回路由接地變壓器的故障支路和接地支路組成。采用新型的零序電流動態保護方案相對而言操作便捷，需要將母線動態電壓數值添加到原有電流保護上，具有較大使用價值。

參考文獻：

[1]韓志成，齊俊山.小電阻接地系統零序電流的選取問題比較[J].冶金動力，2021（05）：12-14.

[2]楊健康.小電阻接地系統單相接地故障下零序保護分析[J].農村電氣化，2021（10）：69-70.

[3]張健，馬偉，朱亞奇，閔浩.10 kV配網中性點小電阻接地系統的研究與設計[J].電力系統保護與控制，2019，47（14）：109-115.

[4]董凱達，蔡燕春，金震.小電阻接地配電網零序保護的改進研究[J].供用電，2020，37（06）：48-52.