基于零序电流比值法的小电流接地选线方法及仿真计算

王 磊，谢江媛

(1.上海电力学院，上海 200090;2.神华国华风电有限公司，江苏东台 224200)

针对中性点非有效接地配电系统的单相接地选线方法有很多，如拉线法、变频信号注入法、零序电流法等.其中，零序电流法在我国配网接地选线的应用最为广泛，目前的微机型小电流接地选线装置大多采用该方法.其基本原理是:系统正常时容性零序电流很小或者等于零，在系统单相接地时产生接地容性零序电流，由于接地线路和非接地线路的容性零序电流有很大的差异，而故障线路之间的容性零序电流比值差异很小，所以可由此来选择接地线路.

1 基于容性零序电流比值变化的小电流接地选线方法

在中性点非直接接地系统中，若其中一条出线发生单相接地故障，全系统都会出现零序电压，在这个零序电压的作用下，系统中会出现容性零序电流.单相接地故障后的系统网络结构见图1.本文将基于容性零序电流比值变化的小电流接地迭线方法分为中性不接地系统和中性点经消弧线圈接地两种情况进行讨论［1-5］.

对于非故障线路而言，容性零序电流就是该线路的对地电容电流，方向为由母线流向电路.在中性点不接地系统中(图1中开关K断开)，故障线路中的容性零序电流为非故障线路容性零序电流.中性点经消弧线圈接地的系统中(图1中开关K闭合)，故障线路中的容性零序电流为非故障线路的总和，方向为由线路流向母线.由此可知，故障线路和非故障线路的容性零序电流方向是相反的;故障线路中的容性零序电流为非故障线容性零序电流与消弧线圈中的电感电流之和，方向为母线流向线路.

图1 单相接地故障后的系统网络结构

1.1 中性点不接地系统

1.1.1 非故障线路之间的容性零序电流比值

非故障线路中的容性零序电流就是该线路的对地电容电流.若一个3回线路的系统中L3的A相单相接地，非故障线路L1，L2中的容性零序电流为:

式中:U0——系统出现的零序电压;

C0——iL1，L2的零序电容;

ω——容性零序电流和电压的角频率.

由此可见，在中性点不接地系统中两条线路的零序电流的比值为:

由此可知，线路1和线路2的零序电流比值应该是两条线路电容的比值，且由于在故障的时候线路1的容性零序电流和线路2的容性零序电流都是由母线流向线路，因此，线路1和线路2的容性零序电流的比值应该为正.

1.1.2 非故障线路和故障线路之间的容性零序电流比值

故障线路中，由于线路3是故障线路，因此零序电压在该线路中产生.容性零序电流由线路流向母线，与非故障线路的容性零序电流流向相反，数值等于非故障线路的对地容性零序电流之和.则非故障线路1和故障线路3的对地容性零序电流比值为:

由式(3)可见，线路1和线路3的容性零序电流比值是一个绝对值小于1的负数，由此也可得到非故障线路和故障线路的比值.这个数值在符号和数值上都区别于任何非故障线路之间的容性零序电流比值.若故障线路在分子，非故障线路在分母，则零序电流的比值是一个绝对值大于1的负数.

1.2 中性点经消弧线圈的接地系统

1.2.1 非故障线路之间容性零序电流比值

经消弧线圈接地时，非故障线路中容性零序电流和不接消弧线圈的时候一致，因此线路的容性零序电流比值等于两条非故障线路对地电容的比值.

1.2.2 故障线路和非故障线路之间的容性零序电流比值

假设线路3的A相发生单相接地故障，则故障线路3的容性零序电流为:

非故障线路1和故障线路3的容性零序电流的比值为:

由式(5)可知，当过补偿时电感数值越大，故障相和非故障相的容性零序电流比值也越大，因此在变压器中性点经消弧线圈接地时，非故障相和故障相的容性零序电流比值和消弧线圈接入容量有关，电感数值越大，比值越大.由于实际系统中大多采用5%～8%的过度补偿，故接地电流的方向与电感电流一致，故障的容性零序电流也与非故障线中的容性零序电流方向一致，均为母线流向线路，其故障线路和非故障线路的比值为正.非故障线路的容性零序电流和故障线路的容性零序电流比值会随着消弧线圈容量的变化而变化.当故障线路容性零序电流在分子时，其比值会和消弧线圈容量变化的趋势相反.若故障线路容性零序电流在分母时，则比值变化情况相反.因此，可根据比值变化情况来确定故障线路是位于分子还是分母.

如果出现母线故障，则任意两条线路零序电流比值与消弧线圈电抗值无关，且在消弧线圈容量变化过程中维持不变.

2 仿真计算

根据电力系统的实际情况，用Matlab搭建的仿真模型如图2所示.

图2 4回路时系统的仿真模型

2.1 中性点不接地

在中性点不接地的情况下，故障线路和非故障线路中的容性零序电流方向是相反的，因此其电流的比值为负.由于故障线路的容性零序电流数值比非故障线路要大，因此当比值的绝对值大于1时，分子是故障线路，绝对值小于1时，分母是故障线路.

2.2 中性点经消弧线圈接地

由图2可知，该仿真可设置不同的参数并改变出线数目.笔者分别在3条线路和4条线路时设置L3和L4的A相单相接地故障，目的是想通过分析证明，在中性点经消弧线圈接地系统中利用不同线路之间零序电流的比值来判断线路故障的方法是否可行.当3条线路参数相同时，中性点消弧线圈接地补偿后，不同各线路之间的零序电流比值情况见表1.

表1 参数相同时3条线路之间的零序电流比值 H

由表1第4列和第6列可知，零序电流的比值随着消弧线圈接入容量的增大而增大，由此可以判断是分子线路故障，即线路3故障.由第5列和第7列可知，容性零序电流的比值随着消弧线圈介入容量的增大而不断减小，因此可以判断是分母线路故障，即线路3故障.该结论与上面假设的故障是一致的，因此用零序电流比值算法可以在这种情况下进行接地选线.

当3条线路参数不同时，中性点经消弧线圈接地补偿后，不同各线路之间的零序电流比值情况见表2.

表2 参数不同时3条线路间的零序电流比值 H

由表2可知，第1列和第2列的数值不变，由此可判断线路1和线路2都是非故障线路，线路3故障.同样依据第4列和第6列，随着接入消弧线圈容量的增大，两条线路的零序电流的比值不断增大的情况，可判断出是分子线路故障，即线路3故障.由第5列和第7列可知，随着消弧线圈接入容量的增大，两线路的容性零序电流的比值不断减小，从而判断出是分母线路故障，即线路3故障.这与假设的故障情况一致.

假设当4条线路参数相同时，不同线路之间的零序电流比值见表3.

假设当4条线路线路参数不同时，不同线路之间的零序电流比值见表4.

表3 4条线路参数相同时各线路之间的零序电流比值 H

表4 4条线路参数不同时各线路之间的零序电流比值 H

无论线路的参数是否相同，都符合如下规律:

(1)L1/L2，L2/L1，L2/L3，L3/L2，L1/L3，L3/L1这6组数据与消弧线圈接入的容量无关，且不随消弧线圈补偿度的不同而变化，而是始终保持不变;

(2)L4做分母时，其比值都是随着补偿度的增大而不断增大;

(3)L4做分子时，其比值都是随着补偿度的增大而不断减小;

由此可判断线路4故障，这与假设情况一致.

3 结论

(1)在中性点不接地系统中两线路容性零序电流的比值为负的两条线路中有一条是故障线路.绝对值大于1的分子是故障线路，绝对值小于1的分母是故障线路.

(2)在中性点经消弧线圈接地的小电流接地系统中，两线路容性零序电流的比值与消弧线圈接入容量的大小无关的是非故障线路.若两线路的容性零序电流的比值随消弧线圈接入容量的增大而增大，则分母是故障线路，若两线路的容性零序电流的比值随消弧线圈接入容量的增大而减小，则分子是故障线路.

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