阶梯式不接地电网单相接地故障分析及保护实现

丁网林，温传新，骆 健

（国网电力科学研究院南京中德保护控制系统有限公司，江苏南京 210003）

为了保障供电的可靠性，35 kV以下的供配电系统多为中性点不接地或经过消弧线圈接地的系统。大型工业用户的配电系统，同一电压等级的配电系统中阶梯式多级供电情况越来越多[1]。这一方面是因为大型工业用户负荷比较分散决定的，另一方面阶梯式供电方式也可以提高工业用户的建设投资，保障供电的可靠性。但是阶梯式多级供电对继电保护的选择性也提出了更高的要求，对于相间过流保护通过带时限的配合可以很好地解决问题，但是对于线路的单相接地，传统的小电流接地选线，在本系统中就失去了选择性，有时还会造成上级保护的误判和误动。上级进线的误动，造成相应的母线失电，给用户造成巨大的损失。根据上述的分析可知，现有的小电流接地选线保护，对于阶梯式供电中性点不接地系统失去了选择性，实际应用中也经常出现误动的情况。首先分析了阶梯式不接地电网中发生单相接地故障时的电气量特殊，然后针对现有小电流接地选线用于阶梯式供电系统存在不足的现状，提出了一种可靠性高、选择性强的新方法，该方法很好地解决了用户现场的问题。

1 系统故障特征分析

1.1 阶梯式供电中性点不接地系统模型

如图1所示，为阶梯式n级供电系统的物理模型，规定进线侧电流正方向为线路流向母线，而出线侧电流正方向为母线流向线路。设第n段母线上所带出线条数为m，每条线路对地电容为（i=1，2，…，m），第n-1段母线上出线条数为j，每条线路对地电容为（i=1，2，…，j），第n-2 段母线上出线条数为w，每条线路对地电容为（i=1，2，…，w）。不考虑相间电容，设系统电动势为E，不考虑级联系统的电压压降。

n段母线上每条出线对地电容电流为：

n段母线的进线对地电容电流为：

同理，n-1段母线的进线电容电流为：

1.2 单相接地物理量分析[2，3]

1.2.1 P1点发生A相接地时的零序电气量特征

如图2所示，设第n段母线的第k条出线的P1点发生A相接地故障，则故障点处各相电压和零序电压为：

故障线路各相对地电容电流为：

则非故障线路侧各相对地电容电流和零序电流为（i≠k）：

第n段母线进线各相对地电容电流和零序电流为：

设第n段母线与第n-1段母线之间的级联线为第n-1段母线的第r条出线，则该条出线的对地电容电流和零序电流为：

同理可得，第n-1段母线进线零序电流为：

设第n-1段母线与第n-2段母线之间的级联线为第n-2段母线的第z条出线，则该条出线的零序电流为：

由式（19）可知，在第n段母线出线发生故障时，第n段母线进线零序电流为n段母线上每条出线对地电容电流之和与系统接地电流之差，考虑系统接地电流肯定大于n段母线上每条出线对地电容电流之和，所以第n段母线进线零序电流方向为母线流向线路。由式（23）可知对于n-1段母线出线而言其零序电流方向为线路流向母线。同理由式（24）和式（25），n-1段母线进线零序电流方向为母线流向线路。n-2段母线出线零序电流方向为线路流向母线。

由式（11）可知故障线路零序电流方向为线路流向母线。可见这种情况下，级联线路零序电流方向和故障线路零序电流方向相同。

1.2.2 P2点发生A相接地时的零序电气量特征

如图3所示，当在n段母线与n-1段母线之间的级联线P2点发生A相接地故障时，同上分析过程可得各段母线的进线和出线的零序电流如下。

第n段母线进线零序电流为：

第n-1段母线出线（第r条出线）零序电流为：

第n-1段母线进线的零序电流为：

第n-2段母线出线的零序电流为：

1.2.3 P3点发生A相接地时的零序电气量特征

如图4所示，当在n-1段母线与n-2段母线之间的级联线P3点发生A相接地故障时，同上分析过程可得各段母线的进线和出线的零序电流如下。

第n段母线进线零序电流为：

第n-1段母线出线（第r条出线）零序电流为：

第n-1段母线进线的零序电流为：

第n-2段母线出线的零序电流为：

从上面对P2点和P3发生A相接地的零序电气量特征的分析可知，对于级联线路，作为进线侧的零序电流方向均由母线流向线路，作为出线的零序电流方向均由线路流向母线。总之各级级联线路流过的零序电流与故障线路的零序电流方向相同。

1.3 传统接地保护及漏电保护特性分析及缺陷

1.3.1 基本原理介绍

传统的小电流接地保护原理有：

（1）基于零序电流和零序电压的五次谐波原理[4]；（2）基于出线端的零序功率方向的原理[5，6]。

1.3.2 缺陷分析

（1）对于单级供电中性点不接地系统，只有出线端的零序电流，不存在级联线路零序电流的问题，所以传统的利用零序电流方向的小电流接地保护原理方法能很好地解决不接地系统单相接地造成的问题。

（2）对于阶梯式多级供电中性点不接地系统，当某级母线的出线发生单相接地故障时，由1.2分析可知，该级母线以上的各级级联线路流过的零序电流与故障线路的零序电流方向相同，大小相似，利用零序电流方向很难保证故障识别的选择性。

2 新型保护原理

2.1 同一条线路既作进线又作出线电流特性分析及解决

2.1.1 P1点发生A相单相接地故障分析

当P1点发生A相接地故障时，第n段母线与第n-1段母线之间的级联线路在n-1侧 （出线端）的零序电流见式（23），其方向为线路流向母线，在n侧（进线端）的零序电流见式（19）,其方向为母线流向线路.对于重要负荷线路正常都装设光纤差动保护，则级联线路在n-1侧（出线端）的零序差流为：

由式（34）易知当第n段母线出线故障时，级联线路在n-1侧（出线端）的零序差流为级联线路本身零序电容电流的大小，方向为由母线流向线路。此零序差流方向与故障线路的零序电流方向相反。

2.1.2 P2点发生A相单相接地故障分析

当P2点发生A相接地故障时，第n段母线与第n-1段母线之间的级联线路在n-1侧 （出线端）的零序电流见式（27），其方向为线路流向母线，在n侧（进线端）的零序电流见式（26），其方向为线路流向母线，则联线路在第n-1段母线出线侧零序差流为：

由式（35）易知当第n段母线与第n-1段母线之间的级联线路发生单相接地故障时，级联线路在n-1侧（出线端）的零序差流为系统接地电流与该级联线路本身电容电流之差，方向为由线路流向母线。此零序差流方向与故障线路的零序电流方向相同。

2.1.3 P3点发生A相单相接地故障分析

同2.1.3分析，当P3点发生A相接地故障时，级联线路在第n-2段母线出线侧零序差流方向为线路流向母线。此零序差流方向与故障线路的零序电流方向相同。

此时第n段母线与第n-1段母线之间的级联线路在n-1侧（出线端）的零序电流见式（31），其方向为线路流向母线，在n侧（进线端）的零序电流见式（30）,其方向为母线流向线路，则级联线路在第n-1段母线出线侧零序差流为：

由式（36）易知此时该级联线路零序差流方向为母线流向线路。此零序差流方向与故障线路的零序电流方向相反。所以利用级联线路零序差流方向可以保证在级联线路上一级发生故障时，该级联线路不会误动。

2.2 新型判据原理

2.2.1 差流原理

由2.1分析可知，当级联线路发生区外的单相接地故障时，由出线端计算出的零序差流大小为本线路的电容电流，方向为自上级母线流向线路；当发生区内故障时，计算出的零序差流大小为系统接地电流与下级各个线路电容电流之差，远大于区外故障时的零序差流，方向为自线路流向上级母线。因此，通过设定零序差流的门槛和判断差流方向可以有效地进行单相接地故障地判别。

2.2.2 方向比较（纵联方向）

由上2.1分析可得，当级联线路下级母线出线发生单相接地故障时，线路末端（进线端）的零序电流方向为由母线流向线路。而当线路本身发生区内单相接地故障时，线路末端的零序电流方向为由线路流向母线。而级联线路上级线路发生单相接地故障时，可以通过首端的零序电流方向判别。因此，在传统的基于零序功率方向判据基础上，增加线路出线侧零序差流方向的判断，可以可靠地判别线路本身区内故障与下级母线出线发生的故障。

3 具体装置的实现

根据上面分析可得，级联线路故障时基于零序差流的动作方程为：

基于方向比较原理的动作方程为∶

动作区域分别如图5、图6所示。

4 结束语

分析了阶梯式供电中性点不接地系统中发生单相接地故障时的零序电流特性，特别是发生区内和区外故障时级联线路中出线侧和进线侧电流的大小和方向。在指出传统的接地保护原理的不足的基础上，详细阐述了在级联线路发生区内单相接地故障与下级母线出线发生单相接地故障时流过线路两端的零序电流。提出了基于线路两端零序差流与对双端零序电流方向判别的接地保护原理。通过试验和现场运行情况表明了该保护原理的可行性。

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