中低壓配電網小電流接地故障暫態方向多級保護技術

摘 要：在中低壓配電網小電流接地故障暫態方向多級保護技術中，根據配電網的拓撲結構和運行參數設計暫態方向多級保護饋電線路，并將其劃分為多個保護區域。基于故障電流的暫態特性，設定暫態方向多級保護的判據，準確識別小電流接地故障的方向和位置。通過整定保護級差，確定各級保護動作的時間間隔，確保故障發生時，離故障點最近的保護裝置能夠先動作，從而迅速隔離故障區域。這種時間級差的合理設置，既保證保護的速動性，又避免不必要的誤動作。最終實現的小電流接地故障暫態方向多級保護能有效應對小電流接地故障。試驗結果表明，在引入暫態方向多級保護技術后，故障點的電壓和電流較之前得到顯著改善，電壓由13.6kV降至4kV，電流由5.8A降至1.9A，展現其強大的自主性和高效性，可以為配電網的安全穩定運行提供有力保障。

關鍵詞：中低壓配電網；小電流；接地故障；暫態方向；多級保護技術

中圖分類號：TM 773" 文獻標志碼：A

中低壓配電網小電流接地故障是配電網中種常見的電氣故障。當發生小電流接地時，該系統的三相線路電壓變化不大，且不會對負載的供電產生較大影響[1]。然而，雖然這種故障電流較小，但仍對電力系統的穩定運行造成威脅，因此需要及時檢測和隔離。設備絕緣老化會使設備的絕緣阻值降低，導致絕緣性能下降，存在隱患；接地電阻增高則會使接地電流較小，故障難以被檢測到，存在安全隱患；而靜電擊穿則可能由系統中存在較高的靜電電壓引起，導致發生小電流接地故障[2]。針對中低壓配電網小電流接地故障，可采用小電流接地故障暫態方向多級保護技術提高故障處理能力。該技術通過分析故障發生時的暫態電流和電壓信號，結合配電網的拓撲結構和運行參數，對故障位置進行準確判斷和快速隔離。在維修方面，需要對接地故障進行處理。同時，也需要對配電網的設備和線路進行定期檢查和維護，以減少小電流接地故障的發生概率。

1 設計暫態方向多級保護饋電線路

當設計中低壓配電網小電流接地故障暫態方向多級保護饋電線路時，需要根據配電網的拓撲結構和運行參數，將饋電線路劃分為多個保護區域[3]，如圖1所示。

每個保護區域配置相應的保護裝置，以實現故障的快速檢測和隔離功能。當檢測到故障發生時，保護裝置將記錄故障發生時的暫態信號[4]，并計算與正常狀態時的差異，用來判斷故障發生的方向，暫態方向判斷公式如公式（1）所示。

（1）

式中：Δl為時間窗口；t為故障時間；If（t）和Id（t）為故障發生后的電流信號；dt為積分運算，計算在時間窗口Δl內信號值的總和。

根據保護區域的位置和重要性，配置不同級別的保護裝置。高級別的保護裝置具有更短的故障檢測和隔離時間，以確保重要負荷的供電可靠性。同時，通過設定暫態方向多級保護判據，實現各級保護裝置的協調配合，避免誤動作和擴大故障范圍。

2 設置暫態方向多級保護判據

多級保護判據的基本原理是根據故障發生時電氣量的變化特征，結合保護裝置的安裝位置和靈敏度[5]，將電網劃分為不同的保護區域，并為每個保護區域配置相應級別的保護裝置。這些保護裝置通過檢測電氣量的變化來判斷故障是否發生在保護范圍，并決定是否啟動保護動作。

2.1 電流保護判據

電流保護判據是基于故障發生時電流的變化特征來判斷故障位置和性質的。其中，常用的是過電流保護和零序電流保護。

過電流保護判據如公式（2）所示。

IDgt;IS （2）

式中：ID為檢測到的電流值；IS為設定的過電流保護定值。

當檢測到的電流值超過設定的定值時，保護裝置將啟動過電流保護動作。

零序電流保護判據如公式（3）所示。

3I0gt;IS0 （3）

式中：I0為零序電流；IS0為設定的零序電流保護定值。

零序電流保護主要用于檢測接地故障，當零序電流超過設定的定值時，保護裝置將啟動零序電流保護動作[6]。

2.2 電壓保護判據

電壓保護判據是基于故障發生時電壓的變化特征來判斷故障位置和性質的。常用的有低電壓保護和過電壓保護。

低電壓保護判據如公式（4）所示。

Ult;US （4）

式中：US為檢測到的電壓值；US為設定的低電壓保護定值。

當檢測到的電壓值低于設定的定值時，保護裝置將啟動低電壓保護動作。

過電壓保護判據如公式（5）所示。

Ugt;Umax （5）

式中：Umax為設定的過電壓保護上限值。

當檢測到的電壓值超過設定的上限值時，保護裝置將啟動過電壓保護動作。

3 整定保護級差

在中低壓配電網中，兩點接地故障的處理對保障系統的穩定性和連續性至關重要。當兩端接地點均有較低的轉換電阻時，短路電流明顯增加，容易觸發短路保護，從而迅速隔離故障區域。然而，當其中一個或多個接地點過渡電阻較大時，故障電流可能不足以觸發傳統短路保護裝置的閾值，這需要引入更精細的小電流接地故障暫態方向多級保護技術。

假設故障電流為If、過渡電阻為R，那么故障電流與過渡電阻間的關系如公式（6）所示。

（6）

為應對小電流接地故障，設置多級保護判據，并整定相鄰開關間的時間極差。時間極差Δt的確定需要考慮多個因素，例如本級保護延時元件的超前誤差、下一級保護延時元件的滯后誤差、分段開關分閘時間及電壓恢復時間等[7]。在兩點接地故障的情況下，由于故障電流可能較小，對速動性有更高的要求，因此時間極差Δt應相應縮短。

根據系統特性和實際運行經驗[8]，設定合適的時間極差范圍Δt lt;0.5s。確保當兩點接地故障發生時，中低壓配電網系統能夠迅速定位并隔離故障區域，減少故障對中低壓配電網的影響。同時，為提高保護的可靠性和準確性，還結合其他故障檢測手段，實現對兩點接地故障的處理。

4 實現小電流接地故障暫態方向多級保護

多級保護策略在中低壓配電網中至關重要，通過設定各線路開關設備的保護動作時間形成時間級差，確保發生故障時精確有序地隔離故障區域。針對小電流接地故障，變電站系統巧妙地利用較長的動作延時，不僅提升故障處理的靈活性，而且更為多級開關間提供實現選擇性動作的可靠途徑[9]。不僅優化故障處理流程，而且還提高配電網的安全性和穩定性。多級保護配置如圖2所示。

圖2中，饋線分段由n個開關劃分，每段配置接地方向保護。根據開關位置設定保護動作時間，時間級差Δt設為0.5s，分段開關的保護動作時間如公式（7）所示。

Tn=T0+（n-1）Δt （7）

式中：T0為第n個開關的保護動作時間。

針對中低壓配電網小電流接地故障，通過識別供電方向與暫態方向確認故障點，結合保護延時和暫態無功算法，實現故障自愈，方法如下。

首先，通過測量配電網中的電流和電壓相位差，確定供電方向和暫態方向的變化，進而識別故障點所在的大致位置。故障前后相位差的變化如公式（8）所示。

Δθ=θp-θ （8）

式中：θp和θ分別為故障后和故障前電壓和電流間的相位差。

θp和θ如公式（9）所示。

（9）

式中：∠（V，I）為電壓V和電流I間的相位差。

假設故障點位于第i個和第i+1個開關之間，計算故障發生前后該段線路上的暫態無功功率變化量ΔQ來確定故障點的位置。暫態無功功率變化量如公式（10）所示。

ΔQ=Qp-Q （10）

式中：Qp和Q分別為故障發生前后第i個開關所在段線路的暫態無功功率。

結合預先設定的保護延時時間Tn，當ΔQ超過設定的閾值并且達到或超過Tn時，判斷該段線路存在小電流接地故障，并觸發相應的故障隔離和保護動作。

5 試驗測試分析

5.1 試驗準備

利用先進的EMTP-ATP電力仿真軟件，構建典型的10kV配電網模型，以模擬和分析不同接地方式下的配電網性能。該模型基于110kV/10kV變電站與饋線標準參數，在搭建中變壓器的接線方式選用P/P0型結構。通過控制開關G的狀態，靈活地切換中性點的接地方式。當開關G斷開時，配電網處于中性點不接地狀態；而當開關G閉合時，中性點則通過消弧線圈接地，為配電網提供額外的保護，配電網仿真模型如圖3所示。

在仿真模型中，設定H1至H5作為暫態無功功率的檢測點。出口斷路器G1處于合閘狀態，而G2處于分閘狀態。假設在h處發生故障，配電網架空線路參數見表1，設置變壓器參數見表2。

當電壓相位初始設定為90°時，單相接地故障發生。此故障導致故障點的電壓和電流瞬態變化顯著。故障點的電壓和電流波形圖如圖4所示。

在配電網中進行小電流接地故障暫態方向多級保護技術的現場試驗，部署6臺饋線終端裝置。經過精心處理現場采集的數據，獲取故障位置的接地故障波形，如圖5所示。

5.2 試驗結果分析

由圖5可知，中低壓配電網的小電流接地故障經暫態方向多級保護技術處理后，電壓從13.6kV降至4kV，電流從5.8A降至1.9A，明顯改善。該技術不依賴主站通信，能獨立可靠地檢測并隔離故障，體現其自主性和高效性。盡管配置保護延時整定值稍顯煩瑣，但是該技術顯著縮短故障查找時間，縮小停電范圍，尤其在復雜環境下優勢顯著，為配電網安全穩定運行提供有力保障。

6 結語

中低壓配電網小電流接地故障暫態方向多級保護技術，以其卓越的性能和獨特的優勢，為配電網的安全穩定運行提供有力保障。未來，隨著技術不斷完善和應用推廣，中低壓配電網小電流接地故障暫態方向多級保護技術將在提高配電網運行可靠性、保證供電質量方面發揮更重要的作用。

參考文獻

[1]劉勇，劉大鵬，穆勇，等.不接地系統跨線兩點相繼接地故障多級保護技術[J].供用電，2024，41（5）：56-63.

[2]韋明杰，王聰博，余越，等.適用高比例分布式光伏接入的配電網多級保護優化配置方案[J].電力系統自動化，2023，47（22）：55-65.

[3]艾青偉.配電網自動化系統中的小電流接地故障區段定位方法設計與實現[J].電子技術，2023，52（12）：118-120.

[4]張斌，張文波.一種基于電荷電壓波形相似性的小電流接地故障檢測方法[J].電力安全技術，2023，25（12）：54-58.

[5]許桐浩，劉利則，呂陸，等.改進特征向量中心性小電流接地故障選線方法[J].計算機仿真，2023，40（8）：130-135.

[6]黃呂超，何清余，崔明濤，等.暫態方向法對配電網單相斷線不接地故障的適應性分析[J].電工電能新技術，2023，42（12）：39-46.

[7]李衛豐，王超，薛永端，等.基于暫態功率方向的柔性直流配電網線路單極接地保護方法[J].電力系統保護與控制，2021，49（23）：1-10.

[8]康田園，劉科研，李昭.基于光伏逆變器調節的中低壓配電網電壓分層協調控制策略[J].高電壓技術，2024，50（3）：1225-1234.

[9]李小明，董智，高明，等.基于粒子群算法的中低壓配電網網格化規劃模型[J].電氣自動化，2023，45（2）：58-60.