有源配電網小電流接地故障暫態特征及其影響分析

秦蘇亞 薛永端 劉礫鉦 郭雨豪 徐銘銘

有源配電網小電流接地故障暫態特征及其影響分析

秦蘇亞1薛永端1劉礫鉦2郭雨豪1徐銘銘3

（1. 中國石油大學（華東）新能源學院電氣工程系 青島 266580 2. 廣西電網有限責任公司南寧供電局 南寧 530031 3. 國網河南省電力公司電力科學研究院 鄭州 450052）

隨著“雙高（高比例清潔能源、高比例電力電子裝置）電網”的普及，逆變型與旋轉型分布式電源（DG）接入配電網的滲透率越來越高，其對小電流接地故障暫態特征及暫態檢測的影響尚需進一步明確。該文建立了有源配電網接地故障等效電路，研究了不同DG類型（旋轉型、逆變型）、接入位置及接入數量時接地故障暫態特征的變化規律，并分析其對暫態選線/定位原理與裝置性能的影響。結果表明，由于DG接入不改變故障零模網絡，現有利用暫態零模信號的選線與定位方法在原理上仍能適用；旋轉型DG將使故障暫態電流的主諧振頻率及幅值增大，衰減時間分布范圍擴大，相應地，接地故障檢測裝置的采樣頻率與電流測量范圍應適度增加。仿真驗證了該文結果的正確性。

有源配電網 分布式電源 小電流接地故障 暫態特征 暫態選線 暫態定位

0 引言

對于不含分布式電源（Distributed Generation, DG）的常規不接地與諧振接地方式配電網，現階段關于單相接地（即小電流接地）故障穩態及暫態特性的研究已較為成熟，并提出了一系列接地故障選線及定位方法，其中利用暫態信號的選線與定位裝置近年在現場得到了廣泛應用[1-6]。隨著逆變型、旋轉型DG在配電網中的應用范圍越來越廣泛、滲透率越來越高[7-12]，亟須明確有源配電網中小電流接地故障的暫態特征如何變化、已有選線定位方法是否繼續適用、已有檢測裝置性能能否繼續滿足要求等一系列問題。

關于DG接入對小電流接地故障特征的影響方面，文獻[13]認為DG的接入會影響故障后各相之間的工頻與暫態電容電流的分布，對于各條線路出口的零序電流幾乎不影響；文獻[14]提出DG并網變壓器高壓側采用三角形聯結時，不影響系統零序電流分布，采用星形聯結并中性點接地時，零序電流大小和分布均受DG容量影響，但由于會改變系統接地方式，現場很少應用；文獻[15]提出，單DG接入配電網時僅改變了系統正序網絡拓撲，對零序網絡沒有多大影響，零序電流在系統中的分布與常規配電網相同。綜合上述文獻，關于有源配電網中小電流接地故障，可以得到定性結論：DG接入不會影響零模網絡中的暫態電氣量分布，但會改變線模網絡的暫態電氣量分布。上述分析均未區分逆變型DG和旋轉型DG的不同作用，未就接地故障暫態電氣量自身的特征（如主諧振頻率、幅值、衰減速度等）變化給出量化結論，也未涉及已有暫態檢測方法與檢測裝置性能的適用性問題。

本文建立了有源配電網單相接地故障等效電路，分析了不同DG類型、接入位置及接入數量對接地故障等值網絡的影響，研究了DG接入對故障暫態過程及暫態電氣量分布特征的影響，進而分析了DG接入對接地故障暫態選線、定位裝置適應性的影響，并利用數字仿真和現場數據進行了驗證。

1 有源配電網小電流接地故障暫態等效電路解析模型

1.1 暫態等效電路的總體結構

如圖1所示為典型的含DG的10kV小電流接地系統配電網示意圖。其中，T1為110kV/10kV主變壓器；T2為接地變壓器；p為消弧線圈電感；開關S閉合為經消弧線圈接地系統、打開為不接地系統；共有條出線L1、L2、…、L；設單相接地故障發生在L1上，F為故障點位置；DG1與DG2為線路L1故障點上游、下游的分布式電源，DG為健全線路接入的分布式電源；T3、T4、T為DG并網變壓器，為了不改變系統接地方式，其高壓側均采用不接地方式；PCC1、PCC2、…、PCC為并網連接點。

圖1 有源配電網示意圖

根據圖1建立有源配電網單相接地故障等效電路如圖2a～圖2c所示，分為故障線路不含DG時、故障線路下游含DG時、故障線路上游含DG時單相接地故障等效電路，后文研究主要基于以上三種等值網絡進行分析。由于并網變壓器高壓側采用不接地方式，DG的接入對故障等效電路的零模網絡無影響，僅影響線模網絡（1模、2模網絡）。其中，f為故障點虛擬電源，1f、2f、0f分別為其1模、2模和零模分量；f為故障點過渡電阻；1a1、1a2分別為PCC1點到母線和故障點的1模阻抗，1b1、1b2分別為PCC2點到故障點和線路末端的1模阻抗，1Ln1、Z1Ln2分別為PCC點到母線與到線路末端的1模阻抗，1L2為不含DG的健全線路L2的1模阻抗，1T為主變壓器的1模阻抗，1d1、1d2及1dn分別為故障線路及健全線路L2、L負荷的1模阻抗，1DG1、1DG2、1DGx分別為故障線路上游、下游及某條健全線路的DG與其并網變壓器的綜合1模阻抗；0a、0b分別為故障線路故障點上游區段和下游區段的零模阻抗，0a、0b分別為故障線路故障點上游區段和下游區段的零模分布電容，02、0n分別為健全線路L2和L的零模分布電容，0L1、1L2分別為健全線路L2和L的零模阻抗。

圖2 有源配電網單相接地故障等效電路

圖2d為小電流接地故障復合網絡模型：從故障點看，1a(1b)、2a(2b)、0a(0b)分別為故障點上游（下游）1、2、0模阻抗；1a(1b)、2a(2b)、0a(0b)分別為故障點上游（下游）1、2、0模電流。

1.2 DG及并網變壓器等值阻抗

DG及并網變壓器的線模等效電路如圖3所示，其中，T、T分別為并網變壓器的漏感和漏阻，m、m分別為并網變壓器的勵磁電感和勵磁電阻，s、s分別為DG的等效線模電感和電阻。

圖3 DG及并網變壓器線模等效電路

DG及并網變壓器的綜合等值線模阻抗1DG為

式中，T=T+jT、m=m+jm分別為變壓器的漏阻抗和勵磁阻抗；s=s+js為DG等效阻抗。

因此由式（1）可得，旋轉型DG接入時有

也即，其在線模網絡的作用類似于小容量電源（即主變壓器），將影響故障點上游、下游或健全線路的線模阻抗。

因此由式（1）可得，逆變型DG接入時有

那么，其在線模網絡的作用類似于大容量負荷，幾乎不影響線模網絡。

同時，由于接地故障電流較小，系統正序電壓仍處于DG正常運行范圍（一般為0.9(pu)～1.1(pu)）之內，且DG本身必須要具有一定的低電壓穿越能力，此時DG運行狀態不調整，其等效阻抗在接地前后保持不變。

本節以下分析中主要針對旋轉型DG。

1.3 故障線路不含DG時的線模等值阻抗

此時式（4）可表示為

也即，當DG接入容量較小或者當DG接入位置遠離母線時，其對系統暫態電氣量的影響基本可忽略不計，因此本文主要分析了DG靠近母線且容量較大時對故障暫態電氣量的影響。

當DG總容量增大，特別是接近系統容量時，系統阻抗與DG等效阻抗相同，兩者等效并聯后整體變為0.5倍的系統等效阻抗，即母線處的線模阻抗（式（4）中的最后一項）將減小接近一半，將使故障點上游線模阻抗明顯減小。

1.4 故障線路含DG時的線模等值阻抗

當DG接在故障線路下游時，故障線路含DG時單相接地故障等效電路如圖2b所示，此時故障點上游線模阻抗與故障點下游線模阻抗發生些許變化。

而故障點下游線模阻抗變為

由于|1DG2|遠小于負荷與線路的線模阻抗，故障點下游線模阻抗可近似為故障點與DG之間線路的線模阻抗與DG及并網變壓器的綜合線模阻抗之和，即

特別地，當DG接在母線出線口時，式（13）變為

當DG接在母線末端時，式（13）可簡化為

1.5 有源配電網接地故障的簡化等效電路

綜合上分析可知，DG接入對零模網絡無影響，僅旋轉型DG接入故障線路時或接入健全線路靠近母線位置時，將使線模阻抗減小。當DG接入之后接地故障暫態等效電路如圖4a所示，其中1、1為DG接入后的線模電感、電阻，等于故障點上游線模電感/電阻與下游線模電感/電阻的并聯；0、0與常規電網相同，包含了故障點到母線間的線路零模電感、電阻與接地變壓器的零模電感、電阻；∑為系統對地零序分布電容之和；3p為消弧線圈等效電感。

圖4 簡化后的有源配電網單相接地故障等效電路

2 DG接入對小電流接地故障暫態過程的影響

由于逆變型DG對于暫態過程的作用與大容量負荷相近，旋轉型DG接入健全線路且遠離母線時對線模阻抗影響也較小，可忽略它們對接地故障暫態過程的影響。以下主要分析旋轉型DG接入故障線路及健全線路靠近母線處的情況。

2.1 對衰減因子的影響分析

暫態電流的衰減因子可表示為

2.2 對主諧振頻率的影響分析

故障點暫態電流的主諧振頻率可表示為

上節分析的衰減因子表征接地故障暫態過程的持續時間，越大，衰減速度越快，對于故障檢測的影響越不利。而電纜線路的衰減速度快于架空線路[20]，又因為對一確定系統，相同故障距離，電纜線路故障時的主諧振頻率高于架空線路，因此電纜線路對故障檢測裝置采樣頻率的要求高于架空線路。

2.3 對暫態電流幅值的影響分析

由式（16）可得DG接入小電流接地系統接地故障時主諧振分量最大故障點暫態電流幅值表達式為

當故障初相角=π/2時，暫態電流幅值最大，可表示為

DG接入后，線路上電壓被抬高[21-22]，即故障點虛擬電源幅值m將增大，同時線模阻抗將減小，上述兩個因素都將使暫態電流幅值增大。

再考慮到母線電壓將有適度增大，暫態電流幅值將提高40%及以上。

2.4 典型情景下暫態參數變化范圍

上述關于衰減因子、諧振頻率及暫態電流幅值極限值變化的分析中，往往需要較為極端的條件，如DG總容量接近于系統容量且接入位置靠近母線、故障點位于母線等。實際中，由于DG容量有限、DG接入位置和故障點位置的分散性，再考慮到本文簡化模型的誤差，上述參數的變化將較理論值偏小。

設典型情景1：架空線路配電網，系統電容電流為3A，故障點距母線15km，故障點過渡電阻為5Ω，對應較小的衰減因子（較大的衰減時間）和較小的電流幅值。典型情景2：電纜線路配電網，系統電容電流為100A，故障點距母線1km，過渡電阻為10Ω，對應較大的衰減因子（較小的衰減時間）和較大的電流幅值。設典型情景3：電纜線路配電網，系統電容電流為100A，故障點距母線1km，故障點過渡電阻為200Ω。典型情景4：電纜線路配電網，系統電容電流為100A，故障點距母線1km，過渡電阻為1kΩ。

在上述典型情景下，分別計算不含DG時的接地故障暫態參數（衰減時間、主諧振頻率和暫態電流幅值）及DG接入后暫態參數的變化范圍，結果見表1。

表1 不同情景下接地故障暫態參數及其變化范圍

Tab.1 Ground fault transient parameters and their range of variation under different scenarios

由表1可以看出，在非極端條件下，DG總容量較?。?MW）且故障點位置不在母線上時，由于暫態衰減過程中衰減時間與衰減因子成反比，衰減速度越快，衰減因子越大，越不利于故障檢測，DG接入后衰減時間有所減小，因此衰減因子有所增大。同時，主諧振頻率及暫態電流幅值雖然有所增大，但增大幅度有限。當故障點到母線距離一定時，衰減因子會隨過渡電阻的增大而增大（衰減時間減?。髦C振頻率與暫態幅值會隨著過渡電阻的增大而減小。

對比情景2與情景4，可發現，對于有源配電網高阻接地故障，從原理上來講，當過渡電阻達到幾千歐姆甚至上萬歐姆時，暫態選線與定位方法的原理繼續適用；從具體選線與定位裝置來講，高阻故障檢測方法的范圍既要取決于電壓互感器、電流互感器的傳變精度大小，還要取決于不同廠家的采樣頻率和測量精度的不同，目前主流廠家針對高阻接地故障能檢測到2kΩ，部分廠家能夠做到更高甚至達到5kΩ。

3 DG接入對已有暫態檢測方法的影響

由于逆變型DG對暫態過程的作用接近于大容量負荷，已有的利用暫態線模信號的方法也能繼續適用于僅含逆變型DG的有源配電網。正常運行時逆變型DG可能向系統注入諧波電流，并進一步轉換為接地故障的諧波電流，轉換機理和過程與非線性負荷相同[23]，將有利于利用諧波電流或暫態電流的檢測技術。

旋轉型DG接入健全線路時，故障線路（含故障點上、下游）與不含DG的健全線路線模電流幅值基本相同；由于從系統電源分得更多的電流，DG所在健全線路的線模電流幅值將增大，但仍明顯小于故障線路。

旋轉型DG接入故障線路時，故障出線口的線模電流將有較明顯的減小，而健全線路的線模電流略微減小，但故障線路的線模電流仍明顯大于健全線路。故障點上、下游線模電流的分布特征與DG接入位置相關，DG接入故障點下游時，故障點上游的線模電流幅值將減小，而故障點與DG間的線模電流幅值將增大，且可能與上游線模電流幅值相當；DG接入故障點上游時，DG與母線間各檢測點的線模電流幅值減小，而故障點下游暫態線模電流幅值略微減小。

鑒于DG高壓側采用不接地方式，DG接入不改變零模網絡結構，暫態電氣量在零模網絡內的分布特征也不受DG影響，已有的利用暫態零模信號的接地故障選線與定位方法均能適用于有源配電網。

因此，對于含旋轉型DG的有源配電網，DG的接入會影響暫態電流在線模網絡內的分布規律，但不影響在零模網絡內的分布規律。利用暫態零模量的小電流接地故障檢測與診斷方法，如暫態零序電流特定頻率分量法[24-25]和暫態零序容性電流或無功功率方向法[26]、暫態電流相似性定位方法、暫態投影定位方法[27]等，仍能適用；但由于DG的接入改變了線模電氣量的幅值，從而利用各相電氣量以及各相之間電氣量幅值的定位方法（如相不對稱法，負序電流法[28]）將不再適用。

4 DG接入對暫態特征及對暫態檢測裝置性能的影響分析結論

綜合第2節分析可知，DG對暫態檢測裝置性能可能的影響，主要體現在旋轉型DG接入故障線路以及靠近母線處的健全線路時，即相比于常規配電網，含有旋轉型DG的有源配電網中，接地故障暫態電流的持續時間、主諧振頻率與幅值的分布范圍均增大。當DG容量接近系統總容量時，主諧振頻率在不接入DG時的范圍為350～2 190Hz[20]，接入DG后，根據上文分析可知主諧振頻率變為350～ 3 066Hz，提高40%左右。同樣地，衰減因子將比不接入DG時增大約1倍、暫態電流幅值將比不接入DG時提高40%以上。因此，要求選線與定位裝置的采樣頻率、選取的特征頻段、錄波數據長度與電流測量范圍都要適度增加，參考國家電網公司DL/T 872—2016規約實施細則、國家電網公司配電自動化系統安全防護方案、暫態錄波型故障指示器技術條件和檢測規范等標準，根據上文分析可知DG接入之后選線與定位裝置的采樣頻率將增加到7～8kHz、選取的特征頻段將增加到3次諧波150～3 000Hz、錄波數據長度與電流測量范圍都要增大到原來數值的2倍以上。

對于系統中已經安裝的選線和定位裝置，需要重新計算DG帶來的影響，影響不大時也可以不用更換新設備。

另一方面，暫態電流幅值增大將有利于提高接地故障檢測的可靠性。

不同廠家的暫態選線與定位裝置，其采樣啟動方式、采樣頻率、錄波數據長度、選取的特征頻段范圍、測量電流范圍等都有所不同，因此，即使已有暫態選線與定位原理仍能適用，但由于接地時暫態信號的頻率、持續時間（取決于衰減因子）、幅值的變化，仍有可能使已有裝置失效或者可靠性降低。其中，采樣頻率和測量電流范圍的影響較大，而由于暫態檢測方法在部分頻段和部分時間范圍內仍有效，錄波數據長度和選取的特征頻段范圍的影響較小。

5 數字仿真驗證

在不同的DG類型、接入位置及接入數量時，故障點處典型暫態零模電流波形、暫態零模電流主諧振頻率及幅值的變化情況如圖5所示，其中雙旋轉型DG接入時，DG1固定于故障點上游距母線6km處，DG2接入位置變化。

由圖5可以看出，逆變型DG接入配電網時，對故障點暫態電流基本無影響。而接入旋轉型DG時，暫態電流的頻率與幅值增大，衰減時間略有減小，DG位于故障點處時主諧振頻率最大，DG遠離母線時暫態電流幅值逐漸增大。當故障線路接入雙旋轉型DG時，諧振頻率主要取決于離故障點近的DG。從圖5d可以看出衰減因子受過渡電阻的影響，當故障點到母線距離一定時，衰減因子會隨過渡電阻的增大而增大。

不同位置與數量的旋轉型DG接入時（單個DG分別位于健全線路L2首端、故障點上游/下游距母線6km/18km處；兩個DG時，DG1和DG2分別位于故障點上游和下游距母線6km和18km處），各出線口的暫態零模和線模電流及故障線路故障點上、下游暫態零模和線模電流幅值的分布特征分別如表2和圖6所示。

表2 各出線的暫態零模及線模電流的分布特征

Tab.2 Distribution characteristics of transient zero-mode and line-mode of each line（單位：A）

由表2和圖6可以看出，旋轉型DG接入時，有源配電網中零模電流的分布特征與常規配電網相同；而各線路出口處及故障線路故障上游、下游線模暫態電流的分布特征根據DG接入位置不同有較大變化。由圖6b可以看出，常規配電網中故障點上游暫態線模電流幅值明顯大于故障點下游線模電流幅值；當DG接入故障點上游時，DG上游側線模電流幅值明顯減小，而DG到故障點間以及故障點下游各檢測點的線模電流幅值基本不變；DG接入故障點下游時，故障點上游線模電流幅值明顯減小，而故障點下游到DG接入點處線模電流幅值明顯增大，與故障點上游線模電流幅值相當，DG下游側線模電流幅值也略有減??；當DG同時接入故障點上游和下游，其對暫態線模電流幅值的影響是DG分別接入故障點上游和下游時的疊加，由疊加定理可知此時由于DG的同時接入故障點上、下游，使得暫態線模電流不再滿足無DG接入時故障暫態電流在線路上“故障點上游線模電流幅值較大而故障點下游暫態電流幅值較小”的分布特征，這使得原有利用暫態線模電流幅值的檢測方式不再有效。

圖6 故障點上、下游零模及線模電流分布特征

針對不同線路結構、故障初相角、故障點過渡電阻以及故障位置等情況，并改變系統結構與線路參數（如架空電纜混合），大量仿真結果均能驗證上述分析結論的正確性。

6 結論

本文建立了有源配電網接地故障等效電路，研究了不同DG類型（旋轉型、逆變型）、接入位置及接入數量時接地故障暫態特征的變化規律，并分析了其對暫態選線/定位原理與裝置性能的影響。結果表明：

1）逆變型DG作用與（非線性）大容量負荷相似，不影響接地故障暫態分布規律，也可近似認為不影響暫態特征，已有暫態選線與定位的原理和裝置仍能適用。

2）旋轉型DG作用與小容量電源相似，盡管不影響暫態電氣量在零模網絡內的分布規律，但會使得接地故障暫態線模零模諧振頻率、持續時間、電流幅值的變化范圍擴大，且影響暫態電流在線模網絡內的分布規律。當DG容量接近系統總容量時，衰減因子將增大約1倍、主諧振頻率將提高40%左右、暫態電流幅值將提高40%以上。因此，利用暫態零模信號的選線與定位方法仍能適用，而利用線模信號的定位方法將可能不再適用，已有選線與定位裝置的采樣頻率、選取的特征頻段、錄波數據長度、電流測量范圍需要適度調整，一般來講選線與定位裝置的采樣頻率增加到7～8kHz、選取的特征頻段增加到3次諧波150～3 000Hz、錄波數據長度與電流測量范圍都要增大到原來數值的2倍以上。

對于DG接入后暫態量特征變化給不同暫態選線、定位與分界方法帶來的量化影響需要進一步分析、驗證。

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Transient Characteristics and Influence of Small Current Grounding Faults in Active Distribution Network

Qin Suya1Xue Yongduan1Liu Lizheng2Guo Yuhao1Xu Mingming3

（1. New Energy College China University of Petroleum (East China) Qingdao 266580 China 2. Nanning Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co. Ltd. Nanning 530031 China 3. Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company Zhengzhou 450052 China）

With the popularization of "double high (high proportion of clean energy, high proportion of power electronic devices) power grid". The penetration rate, of inverter-type and rotating distributed power supplies (DG) into the distribution network, is getting higher. Its influence on the transient characteristics and transient detection of single-phase grounding faults need to be further clarified. In this paper, the grounding fault equivalent circuit of active distribution network is established. The variation law, of grounding fault transient characteristics under different DG types as well as different access locations and access numbers is studied. Its impact on the device performance and the principle of transient line selection and location method is analyzed. The results show that since the access of DG does not change the faulty zero-mode network, the existing line selection and location method using the transient zero-mode signal can still be applied in principle. The access of rotating DG will increase the main resonant frequency and amplitude of the fault transient current, and expands the distribution range of attenuation time. Correspondingly, the sampling frequency and current measurement range of the grounding fault detecting device should be moderately increased. Simulation and field fault data verify the correctness of the results.

Active distribution network, distributed generation(DG), small grounding fault, transient characteristics, transient line selection, transient fault locating

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201716

TM713

國家自然科學基金項目（52077221）和國家電網總部科技項目（SGHADK00PJJS1900078）資助。

2020-12-30

2021-07-07

秦蘇亞 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為配電網接地故障檢測與保護等。E-mail：qinsuya@126.com

薛永端 男，1970年生，教授，博士生導師，研究方向為配電網接地故障保護與電氣安全防護。E-mail：xueyd70@126.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）