一種諧振接地系統故障殘余電流有功分量測量裝置

曾定邦，黃繼盛，石定中，蘭飛

（云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

目前，我國中壓配電網中性點主要有不接地、諧振接地（也稱消弧線圈接地）和低阻接地（也稱小電阻接地）3 種方式。不接地系統與諧振接地系統應用最為廣泛，其中，中性點經消弧線圈接地方式占比約30%左右，我國城市中壓配電網中廣泛應用[1]。

諧振接地配電系統中發生單相接地故障時，消弧線圈能夠產生感性無功電流，實現對接地故障電流中電容電流的補償。理想條件下配電網的接地故障的電流為容性電流，消弧線圈一般采用過補償方式，補償后故障電流大幅下降，一般設置為10 A 以內，大量的電弧性瞬時接地故障在電壓過零時電弧將自行熄滅。然而隨著城市供電規模和用能密度的上升，單個變電站的配電網規模不斷擴大，總的線路對地電容電流不斷增加，需配備更大容量的消弧線圈容量。消弧線圈只能產生感性無功電流，不能補償線路泄漏電流、消弧線圈自身的阻性電流和非線性負荷等導致的接地故障電流中的有功分量部分[2]。考慮實際運行中消弧線圈采用過補償方式，接地故障的殘余電流由補償平衡后的感性無功殘余電流和阻性有功殘余電流兩部分組成。若有功分量過大，將直接導致現場故障熄弧的效果大幅下降[3-5]。因此準確掌握諧振接地配電網單相接地故障的殘流特征，特別是有功分量的大小，可及時調整消弧線圈的運行參數，對提高電網供電的可靠性以及保障系統的安全運行具重要的現實意義。

本文介紹了一種用于諧振接地系統故障殘余電流有功分量的測量裝置，該裝置采用分布式同步測量的方案，在變電站中同步采集故障發生過程中的中性點對地電壓、中性點入地電流和各饋線的零序電流，提取各電壓電流信號的工頻基波分量，通過精準地計算補償后殘余電流相對中性點對地電壓的相位，實現故障殘余電流有功分量的測量。裝置包含中性點電壓檢測單元、中性點零序電流檢測單元、饋線零序電流檢測單元和后臺分析系統組成，其中各檢測單元具備GPS/北斗時鐘或B 碼對時接口，具備本地同步采樣和故障錄波功能，含時標錄波數據與后臺分析系統用自主無線實現數據的匯集。

1 接地故障殘余電流的有功分量

諧振接地配電系統的等值電路如圖1 所示。圖中，UA、UB、UC和IA、IB、IC分別為配電線路的三相相電壓和相電流，CA、CB、CC分別為三相對地電容，rA、rB、rC分別為三相對地的泄漏電阻，L和rL為消弧線圈的電感和等值電阻，Rf為接地故障的過渡電阻[6]。

圖1 諧振接地配電系統的等值原理

諧振接地系統發生接地故障時，消弧線圈的電感與電網三相總的對地電容構成了串聯諧振回路，假設過渡電阻為Rf，則等值電路如圖2所示。其中C為系統對地總電容，iC為系統電容電流，L為消弧線圈的電感，iL為消弧線圈的電感電流，R∑為系統總的對地損耗電阻，i∑為故障電流的有功分量，L0為線路的等效電感。

圖2 諧振接地配電網單相接地故障等值回路

由于線路的等效電感相對消弧線圈的電感小很多，工程中可以等效考慮到系統電容中，其帶來的誤差不大。因此，工頻穩態故障電流和中性點零序電壓的關系為[8-10]。

由于電感電流和電容電流的相位相反，過補償方式下，加和的電流相量與中性點零序電壓相量為垂直關系，故障電流的有功分量則與零序電壓相量方向一致。

2 測量原理

由上文分析可知，若故障電流無有功分量，則故障電流與中性點零序電壓的相位關系為90°，而系統總的對地損耗電阻的加入，將改變故障電流和中性點零序電壓的相位關系，因此通過測量故障后穩態工頻故障電流If和中性點零序電壓U0的相位差變可間接獲得有功殘流分量。

配電網發生接地故障往往發生在相電壓的峰值時刻，其初始故障角集中在90°附近，因此零序電壓和零序電流初始時刻均有顯著的暫態過程，其中包含豐富的高頻衰減分量，這對工頻時域信息的提取十分不利，因此測量需盡量避開該段錄波數據，取用故障穩定后的同步采集數據。為選取合適的數據段完成裝置的計算與測量，需分析故障暫態數據的基本特征。

為使分析簡潔明了，同時考慮到高頻分量先忽略過渡電阻和泄漏電導的影響。當接地故障的過渡電阻較小時，電容電流的自由振蕩頻率較高，消弧線圈的感抗遠大于零模電容的容抗，且遠大于三相線路在零序回路中的等值電感，所以消弧線圈的電阻RL與L可以忽略不計，故暫態電容電流瞬時表達式與中性點不接地系統形式完全一致。列寫出消弧線圈回路的方程：

式中，RL為消弧線圈電阻，N為消弧線圈分接頭匝數，ΦL為消弧線圈鐵芯中的磁通，表達式為：

式中τL=LC/R是消弧線圈的時間常數，暫態電感電流為：

式中ILm為電感電流幅值，ILm=Um/ωL，對于中性點經消弧線圈接地的配電網系統，流經故障點的電流為：

式（6）由兩部分組成，一部分為流過接地點的穩態電流，即電容電流與電感電流的工頻量之差，另一部分為暫態量，包括振蕩衰減分量與直流衰減分量。根據實際配電網的接地故障錄波數據可知，振蕩衰減分量即暫態高頻分量一般衰減較快，故障發生后20～40 ms 便可忽略其帶來的影響。直流衰減分量主要受消弧線圈的參數影響，若阻尼較大則衰減很快，一般60 ms 后也可忽略其影響。為提升測量的精度，可選取故障100 ms 后的數據來提取工頻時域數據，也可通過分析設置滑動時窗來分析信號的頻帶能量分布，當工頻能量占比超過90%時，截取數據完成工頻時域信息的提取。

截取待分析的同步錄波數據后，已20 ms為時窗，利用傅里葉算法完成中性點電壓和故障線零序電流工頻時域信息的提取，通過多個周波數據的分析，得到故障電流If和中性點電壓U0的相位差δ(k,k=1,2,...n)，其中n為獲取的錄波正工頻周期數。最終利用計算獲得的工頻故障電流If和δ，通過式（7）計算得到I∑。

3 裝置結構及系統組成

諧振配電網接地故障殘余電流有功分量測量裝置如圖3 所示，整體裝置由中性點電壓檢測單元、中性點零序電流檢測單元、饋線零序電流檢測單元和后臺監測分析系統組成。其中中性點電壓檢測單元通過消弧線圈的電壓互感器采集并記錄中性點對地電壓u0(t)；中性點零序電流檢測單元通過消弧線圈的穿心式電流互感器采集并記錄感性補償電流iL(t)；饋線零序電流檢測單元分別采集各條饋線的零序電流，獲取接地故障電流if(t)。上述三類數據采集單元分別獲取電壓和電流時序數據并形成本地的錄波數據，通過自主無線將錄波文件上傳后臺監測分析系統，通過前文介紹的原理完成數據的分析和計算，最終得到諧振配電網接地故障殘余電流的有功分量。

圖3 接地故障殘余電流有功分量測量裝置

中性點電壓、電流和各饋線零序電流的檢測單元采用共硬件平臺的方案，具體功能支持現場設定，基本的結構組成如圖4 所示。

圖4 中性點電壓、電流和饋線零序電流檢測單元結構

4 應用實例

為驗證研發裝置的現場應用效果，在某110 kV 變電站的10 kV Ⅰ段母線進行了現場應用測試。該段母線共有出線7 條，其中3 條饋線以電纜為主，電纜長度分別約為23 km、18 km、和13 km，其余4 條饋線以架空為主，線路總長度約80 km。理論計算該段母線的整體電容電流約63 A，中性點采用自動跟蹤的消弧線圈接地。進入雷雨季節，該變電站的2 條架空線路為主的饋線頻繁出現了由于接地故障導致的選線跳閘情況，通過對歷史數據的分析，現場可能存在接地故障殘余電流有功分量超標的情況。

現場測試過程中共發生2 次永久性接地故障，裝置實現了所有測量點的分布式同步采集與故障錄波，同步時間精度小于10 μm，采樣頻率為10 kHz，實測中性點電壓和故障饋線的零序電流數據如圖5 所示。

圖5 現場分布式同步故障錄波數據

圖6 工頻有效值計算結果

中性點對地電壓與故障饋線零序電流工頻時域信號的相位差計算結果如圖7 所示。

圖7 中性點對地電壓與故障饋線零序電流工頻相位差

后臺分析系統利用同步錄波數據，完成了中性點對地電壓和故障饋線零序電流的工頻量有效值的計算，結果如圖6 所示。

接地故障殘余電流有功分量的測量結果如圖8 所示。

圖8 接地故障殘余電流有功電流分量

分析兩次故障下的檢測和分析數據可知，故障發生后工頻零序電流與零序電壓的相位差由30°左右逐漸變大，100 ms 后逐漸穩定，達到83°左右，其特征規律與前述分析的結論一致。以穩定后的計算結果為有效的測量結果，則該變電站的接地故障的有功殘流約占整體故障殘余電流的12%，有效值最大約為3.2 A，導致接地故障的殘流有效值達到約15 A，故障電弧熄滅的難點加大。

5 結束語

本文設計了一種諧振配電網接地故障殘余電流有功分量的測量裝置，裝置由中性點電壓檢測單元、中性點零序電流檢測單元、饋線零序電流檢測單元和后臺監測分析系統組成。裝置采用同步測量中性點對地電壓、零序電流和各饋線零序電流，通過傅里葉算法提取工頻時域信號，計算接地故障殘余電流與中性點對地電壓的相位差，最終得到殘余電流的有功分量。該裝置采用分布式安裝、就地同步高速采樣錄波和無線遠傳分析監測后臺的結構模式，方便在變電站安裝應用。開展的現場應用測試證明了該設備采用的理論方法的正確性，驗證了裝置的檢測功能。

同步高精度記錄配電網發生接地故障過程中的電壓、電流信號，深度挖掘其所含信息，精準地掌握配電網運行的關鍵參數，如對地電容、不平衡電壓、對地泄漏電導等，對提升配電網運行的可靠性和安全性，提高配網運維的效率，有著十分重要的現實意義。