小電流接地系統單相接地故障暫態特征研究

張聞一

（國網吉林供電公司，吉林吉林，132011）

0 引言

小電流接地系統中最常發生單相接地故障現象，當不可避免發生接地故障時，該系統中的非故障相電壓會升高，瞬時弧光過電壓的可能性非常大，極易形成更大的相間短路故障現象，甚至燒毀設備引起火災。小電流接地系統危險性很高，但發生單相接地故障后不會立馬斷電，還可維持幾個小時的送電運行，所以，這一優點使得小電流接地系統在我國配電網中仍被廣泛采用。吉林電網50余座66kV變電站，主要采用主變壓器中性點不接電或經消弧線圈接地的小電流接地系統，小電流接地系統的故障研究對于吉林電網安全穩定運行起著關鍵作用。多年數據顯示，在吉林電網系統中4/5的配網故障都是小電流系統單相接地故障，故小電流接地系統的單相接地故障的預測、定位等故障排查和維修處理的研究具備很高的現實意義[1]。

1 小電流接地系統單相接地故障暫態電路原理

根據電路原理圖，經拉氏變換等一系列運算后可計算出暫態電容電流數值：

暫態電感電流：

暫態接地電流:

在配電網中發生小電流單相接地故障時,暫態特征和穩態特征在數值上和傳播規律上區別很大。在系統不同頻率電路中，電感與電容所作用的阻值不同，由于非故障相電壓升高，瞬時弧光過電壓,這時產生的暫態值大概是穩態值的幾十倍,因此在暫態過程中消弧線圈無法準確實現完全補償作用；在單相接地故障點暫態狀態下電路中電容電流衰減較快，暫態電感中電流衰減較慢[2]。暫態接地電流的大小和頻率隨暫態電容電流的變化而變化，且故障合閘角和接地電阻的故障位置會影響電流的變化。一般暫態接地電流的特點是持續時間短但是電流幅值大。

圖1 單相接地故障暫態電流等效電流

2 故障點上游與下游暫態電流分析

■2.1 適用于定位的小電流接地故障暫態等值電路

現有的小電流接地故障暫態研究方法適用于計算故障點暫態電壓電流的大小，但是不適合故障檢測定位，因為系統無法檢測到故障點上游和下游間的數據異常。利用小電流發生單相接地故障時處于故障點的暫態邊界條件，結合著名的卡倫鮑厄變換構建小電流接地故障復合網絡模型，可得到適用于定位故障位置的暫態等值電路，如圖2所示。將復雜的電路結構用一簡單的電路代替，但保持相同的作用效果。i0b和i0l分別為故障點上、下游暫態零模電流；L0b、L0l和R0b、R0l分別代表故障點到母線間線路和到線路末端的等效總電感和總電阻；C0b處于上游，為對地總電容，C0l為故障點下游總電容，一般總系統的總對地電容數值與C0b大小相差無幾。Lp為電路中消弧線圈的等效電感；開關Kp是中性不接地方式和經消弧線圈接地方式的轉換關鍵。

■2.2 故障點上游與下游的暫態電流計算

根據圖2所示小電流接地故障暫態等值電路，為方便計算上下游暫態相關數據，做了進一步簡化。實際情況下過渡電阻較小，可近似認為Rf=O，Lx和Lp線對實驗結果和計算過程的影響極小，在電路中便去掉這兩個元件，簡化為圖3，這是只含零模的簡單等值電路。由此可見，低阻抗接地時，故障點上游與下游兩側暫態過程互不影響。設Um為系統相電壓最大值，故障點虛擬電源為：

圖2 定位用小電流接地故障暫態過程等值電路

圖3 單相接地簡化暫態等值電路

3 綜合暫態電流相似性與極性的區段定位算法

■3.1 單獨使用相似性進行定位分析

我們使用ρbl來表示故障點上游與下游暫態電流i0b與i0l間的相似度，計算方式如下：

blρ的絕對值在0到1之間，且值越大，說明上游與下游暫態電流間的相似度越高。利用上下游零模暫態電流間相似性的計算得出定位原理，通過計算相鄰檢測點p和q間暫態零模電流相關系數ρpq，如果ρpq的絕對值小于ρT的值。則認為p和q檢測點暫態電流不相似，判斷其為故障區段；否則為正常區段。其中ρT預設值的大小范圍在0.5到0.8之間。

當故障點位于分界點的附近，或者上下游之間暫態電流有較強的耦合時，會有ρpq大于等于–1，小于等于–ρT結果，此區域的故障信息會被誤識別為正常信息。此時，會有兩種可能結果：如果整個故障線路上任意p、q兩點間檢測的暫態電流均是相似的，那么將默認線路末端檢測點為故障點；另一種情況是，計算的p、q兩監測點間暫態電流本是相似的，只是相似性不高，那么此區間會被誤判為故障區間。因此，單獨利用暫態電流相似性關系來實現故障區域定位是達不到定位要求的。

■3.2 綜合暫態電流相似性和極性的故障定位

故障區段判定流程如下：

（1）首先，檢測到的第一組兩側暫態電流不相似的區段可直接判定為故障區段；

（2）其次，兩側檢測點暫態電流已經相似但第二步檢測顯示極性相反的區段依舊判定為故障區段；

（3）最后，從母線開始檢測一直都是正常區段，則故障區段為最后一次檢測點的下游區段。

前兩條判斷依據可以總結為：兩側暫態零模電流相關系數ρpq滿足ρpq＜ρT的首個區間段。

■3.3 糾正電流互感器TA極性反接分析

現實生活中，經常使用TA作為量程擴大儀器，利用暫態零模電流極性進行定位的前提是三相電的TA極性一致[3]。當三相電中出現任意兩相TA極性反接時，就會造成測量失去準確度，造成最終的故障區段誤判。在故障點上游線路由故障點流向母線的電感電流，在等效電路中，也相當于由母線流向線路的電容電流，和在電路中故障點下游從母線流向線路的電容電流的電流方向相同，此段線路的對地電容也稱為工頻零序電流。上下游電路的電流方向相同時，通過計算相鄰檢測點p和q間暫態零模電流相關系數ρpq都是大于0的。以相鄰的p、q檢測點為例，當p和q間三相電的TA極性反接時，將剩下的所有的p和q之間的暫態零模電流系數ρpq和工頻零序電流相關系數ρpqS同時加上負號來對應電流方向改變以后的電路計算。因此，用為負值的工頻零序電流相關系數ρpqS乘于同為負值的暫態零模電流的相關系數ρpq，極性方面負負得正，那么計算結果就正好只有數值而沒有方向了，這樣就避免了TA量程擴大器反接的影響，補救后的暫態零模電流相關系數ρpqF可表示為：

■3.4 綜合區段定位算法的實現流程

按照上述算法建立小電流接地系統單相接地時暫態故障點定位的系統，在硬件設施上主要由核心主站、中間通信系統和終端變電所組成。終端變電所要求具備故障線路判別功能，為加強此功能的判別效率，可以安裝自動化故障指示器，來檢測并記錄出線開關處饋線終端的情況，為p、q點之間零模電流計算提供條件。系統核心主站根據所有末端線路自動化器械顯示并提供的零模電流狀態完成故障點定位過程，故障點的定位流程如下：

（1）小電流接地系統發生單相接地情況時，電壓會發生很大的變化，系統末端變電所相關設備察覺到零模電壓變化后立即開始檢測，選擇出故障線路，并將線路結果和暫態零模電流向上一級傳遞給到主站。

（2）除了電壓變化，電流情況也會突然改變，若檢測到零模電流突變，則會觸發各出線的饋線終端系統，檢測并記錄故障零模電流，整理匯報到主站。

（3）主站接收變電所終端數據和饋線終端設備的數據，不需要所有的數據都進行處理，所以對除正常線路以外的異常線路各終端記錄的零模電流數據進行濾波處理，提取暫態分量和工頻分量數據以供后續使用。

（4）從異常線路前端開始，逐一排查并計算各相鄰檢測點p和q間暫態零模電流相關系數ρpq和工頻零序電流相關系數ρpqS，和補救后的暫態零模電流相關系數ρpqF。

（5）因為多了一種極性判斷流程，所以檢測無論ρpqF系數正負，若監測到某區段上下游兩側的暫態零模電流相關系數ρpq小于設定門檻值ρT的最小值，則我們選定該區段為故障區段。

（6）若經檢測并計算后，所有p、q兩點間暫態電流相關系數ρpq均大于門檻值ρT，則規定最后一組p、q兩點間的下游位置為故障區段。

4 結語

在小電流接地系統發生單相接地時的故障暫態特征基礎上進一步研究實現故障區段定位模型，可解決消弧線圈過補償造成的問題。綜合利用故障點上游和下游暫態零模電流的似性和極性兩種判定關系，可避免單獨使用暫態電流相似性定位方法的盲區判斷，更為準確地確定故障區段[4]。對于過補償方式的經消弧線圈接地系統，可利用故障工頻零序電流的符號與系數的計算使其不受經消弧線圈接地系統中TA接線極性反接的影響，糾正暫態零模電流的極性關系進行定位判斷。本文方法克服了單純利用暫態電流相似性定位算法的不足，去除了極性反接的影響，提高了小電流單相接地系統暫態定位技術的可靠性和適用性。