零序导纳角正弦值在不接地系统单相故障选线分析

何引生，王彦东，严司玮，段建东

（1.佛山供电局，广东佛山 528000；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

零序导纳角正弦值在不接地系统单相故障选线分析

何引生1，王彦东1，严司玮1，段建东2

（1.佛山供电局，广东佛山 528000；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

因故障电流小，单相故障后系统仍然对称，系统可带故障继续运行一段时间，不影响对负荷的持续供电等特点，我国3～66kV中压配电网的中性点有一部分采用中性点不接地方式。在配电网中，单相接地故障率最高，但由于受故障电流微弱，电弧不稳定等因素影响，中性点不接地系统的单相接地故障一直没有得到很好地解决。基于零序电流比幅比相法和零序无功功率法受接地电阻影响大[1-4]；基于暂态故障信号的故障选线，受线路参数影响大，且暂态过程短暂[5]；注入信号法在实际中接线复杂，受接地电阻的影响大[6-8]。零序导纳选线法有较强的耐过电阻能力，但是零序导纳比零序电导要大很多，因此导纳角都靠近导纳平面的虚轴[9-10]，如果通过判断导纳角所在象限（健全线导纳角位于第Ⅰ象限，故障线导纳角位于第Ⅲ象限），则极易发生误判[11-12]。

本文提出的基于零序导纳角正弦值的故障选线，充分利用了故障线与健全线零序导纳角的特点，消除了依靠判断导纳角所在象限导致的误判，有较强的耐过电阻能力，适应不同的故障初相角。

1 零序导纳角正弦值法

中性点不接地的系统如图1所示，零序导纳Y0i为本线路的零序电流U0i与零序电压U0之比；健全线路i（i≠k）的零序导纳等于线路自身零序导纳，由本线路的泄漏电导Gi和自然电纳的容纳Bi组成，电导与电纳均为正数，其表达式为

考虑架空线的阻尼率dJK=3%～10%，电缆线路的阻尼率为dDL=2%～4%，绝缘老化时，可增至10%。可见导纳角α一般在0°～90°范围内[11]。因此，健全线路的导纳位于导纳平面角的第Ⅰ象限。

故障线路的零序测量导纳为

图1 中性点不接地系统单相故障零序等效网络示意Fig.1 The zero sequence equivalent circuit for neutral point ungrounded power system single fault

即故障线路零序测量导纳等于非故障线路零序导纳之和的负数[1]。因此，故障区为第Ⅲ象限。

因为泄漏电导很小，同导纳一般存在数量级的差别，因此，健全线与故障线的测量零序导纳角分别靠近导纳复平面的正、负虚轴，在受到干扰或测量误差等情况的影响下，健全线与故障线的测量零序导纳角很有可能会偏离到相邻象限，导致误判，因此，以零序导纳角象限进行故障选线的准确度不高。其健全区域与故障区域分布如图2所示。

图2 健全区与故障区分布图Fig.2 Distribution of healthy lines and fault lines

在复平面，Ⅰ、Ⅱ象限的正弦值为正，Ⅲ、Ⅳ象限的正弦值为负。因此，即使健全线的零序导纳角由第Ⅰ象限偏移致第Ⅱ象限，故障线的零序导纳角由第Ⅲ象限偏移致第Ⅳ象限也不会引起误判。在发生单相接地故障的情况下，通过判断线路零序导纳角的正弦值，其健全区域与故障区域分布如图3所示。

图3 零序导纳角正弦值健全区与故障区分布图Fig.3 Distribution of healthy lines and fault lines for zero sequence admittance angle Sine value

对比图2与图3，通过零序导纳角的正弦值，将健全区域由Ⅰ象限放大到整个上半平面，将故障区域由Ⅲ象限放大到整个下半平面，有效地增强了选线的抗干扰能力，提高了选线的准确性。

2 零序导纳角正弦值法选线判据

发生单相接地故障时，健全线路零序导纳角靠近导纳复平面的正虚轴，因此其正弦值s i nα＞0，且接近于1；故障线路零序导纳角靠近导纳复平面的负虚轴，因此其正弦值s i n α＜0，且接近于-1；若所有线路的零序导纳角的正弦值都大于0，则判定为母线故障。

3 仿真验证

系统采用三回架空线路出线，线路1到线路3长度分别是10km、15km、20km，故障点设置在第3回出线的中点处，故障发生时间在0.05s，仿真截止时间为0.2秒。正序电阻、电感、电容参数分别为0.0127Ω/km，0.9337×10-3H/km，12.74×10-9F/km；零序电阻、电感、电容参数分别为：0.3864Ω/km、4.12×10-3H/km、7.75×10-9F/km。当系统在 0.05s，故障初相角为0°时，线路3发生单相金属性接地故障，健全线与故障线的零序导纳角如图4所示。

仿真结果表明：单相接地故障时，故障线靠近导纳复平面的负虚轴，健全线靠近导纳复平面的正虚轴，因此，健全与故障线的零序导纳角极有可能偏离到相邻象限；线路1和线路2的零序导纳角几乎一致，不受线路长度的影响。如果对零序导纳角求正弦值，则故障线接近“-1”，健全线接近“1”，则能有效地消除零序导纳角偏离到相邻象限的影响。

图4 健全线与故障线的零序导纳角Fig.4 Zero sequence admittance angle of healthy lines and fault lines

在不同故障初相角和不同接地电阻下的故障线与健全线零序导纳角正弦值的仿真结果如表1所示。

由表1可知，基于零序导纳角正弦值的选线方法有较强的耐受过电阻的能力，适应不同的故障初相角，选线判据能合理判别线路及母线故障。

4 结论

本文提出了基于零序导纳角正弦值在中性点不接地系统中单相故障选线的方法，通过求取各线路的零序导纳角正弦值确定了选线判据。并在M A T L A B里面进行了仿真验证，仿真结果验证了该方法的可行性。通过理论分析与仿真验证有以下结论：

表1 仿真结果Tab.1 The simulation results of fault-line selection

1）该方法充分利用了线路零序电纳比泄漏电导大得多，从而使健全线与故障线的零序导纳角分别偏于导纳复平面正、负虚轴的特点，使正弦值分别接近于1和-1，扩大了差别；使健全区域放大到Ⅰ、Ⅱ象限，使故障区域放大到Ⅲ、Ⅳ象限，提高了抗干扰能力，有利于选线。

2）该方法能有效地消除线路长度的影响，有较强的耐受过电阻的能力，适应不同的故障初相角，通过选线判据能合理判据线路及母线故障。

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Analysis of Fault Line Detection in Neutral Point Ungrounded Power System Based on Sine Value of Zero Sequence Admittance Angle

HE Yin-sheng1，WANG Yan-dong1，YAN Si-wei1，DUAN Jian-dong2
（1.Foshan Power Supply Bureau，Foshan 528000，Guangdong，China;2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

Based on an analysis ofthe feederselecting algorithm,this paper proposes a novel method to detect the fault line using zero-sequence admittance when the single phase-toearth fault happens in Neutral Point Ungrounded Power System.Because the zero sequence admittance angles of the healthy and fault line are near the plus axis and minus axis of the admittance complex plane,respectively,the sine value of the zero sequence admittance angle can be used to identify health and fault lines.The method improves the precision of selection of the fault line and enhances the anti-interference performance.The simulation results via MATLAB demonstrate that this method has high precision，which is suitable to a variety of fault beginner angles and can be used to detect high-impedance grounded faults.

neutralpointungroundedpowersystem；zerosequence admittanceangle；faultlinedetection；MATLAB

在分析零序导纳选线算法的基础上，提出基于零序导纳角正弦值在中性点不接地系统中发生单相接地保护的新方法。利用健全线与故障线的零序导纳角分别靠近导纳复平面正、负虚轴的特点，通过健全线与故障线的零序导纳角正弦值符号进行故障选线，以提高选线的准确性和抗干扰能力。MATLAB仿真表明，该方法有较高的保护精度，适应不同的故障初相角，有较强的耐过电阻能力。

中性点不接地系统；零序导纳角；故障选线；MATLAB

1674-3814（2012）08-0039-04

TM 743

A

2012-03-19。

何引生（1985—），男，硕士，助理工程师，从事电力系统变电运行工作；

王彦东（1979—），男，硕士，工程师，从事电力系统变电运行工作；

严司玮（1985—），男，工程师，硕士，从事电力系统变电运行工作；

段建东（1973—），男，博士，教授，从事电力系统分析、保护、新能源方面的教学与研究工作。

（编辑 董小兵）