基于多重判据的单相接地选线研究

姜华

1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206

2.徐州供电公司，江苏徐州 221005

基于多重判据的单相接地选线研究

姜华1,2

1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206

2.徐州供电公司，江苏徐州 221005

通过理论、仿真和大量6kV系统模拟接地实验数据为基础，分析了小电流接地系统发生单相稳态接地和单相电弧性接地故障时零序分量的特征。依据这些特征分别对中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统设计可以满足稳态接地和电弧性接地的选线方法，且该方法具有计算简单、抗干扰能力强、故障判据大、便于实际应用等优点。经实验验证具有较高的选线准确性。

小电流接地系统；电弧接地；暂态电流；准确性

indirect grounding power system；arc-earth fault；transient current；accuracy

引言

小电流接地系统中80%左右的故障为单相接地故障。在这一故障下，小电流接地系统线电压仍对称，不影响对用电户的供电，故不必立即分断故障电路（规程规定可以继续运行1～2小时），有利于提高供电的可靠性，为此，我国中压系统采用小电流接地方式。由于小电流接地系统单相接地故障电流小，接地选线困难，为此，近几年来，引来许多学者对其研究[1-10]。提出了零序电流幅值比较法、零序电流方向法、零序有功电流方向法、零序五次谐波电流比向比幅法、注入信号（S注入）法、零序导纳法、首半波法、暂态分量法等多种选线方法[1-8]，并且已有许多小电流接地选线装置投入现场使用，但是选线效果均不很理想，误选、拒选的几率比较高。本文结合本课题组近几年所获取的单相接地故障数据，分析了影响单相接地选线准确性的原因，并提出了解决办法。

1 影响接地选线准确性的原因

小电流接地系统发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路零序电流之间是有一定差别的，在理论上讲，应该能够根据这些差别实现故障选线。但是，实际应用中由于以下多种因素的影响，造成选线装置准确性并不高[9]。

（1）单相接地故障的复杂性。小电流接地系统发生单相接地故障时，零序电流的大小、频率、方向等特征与系统结构、变压器参数、故障地点、故障时刻等多种因素有关，其类型多种多样，从而故障信号的特征也多种多样。因此，只有同时具有基于暂态和稳态故障信号分析的选线方法才能提高选线的准确性。

（2）故障判据小、保护裕度低。小电流接地系统发生单相接地故障时的特征决定了，故障线路与非故障线路故障判据差别不明显、保护裕度低也是影响选线装置准确性的主要因素之一。因此，要提高选线装置的准确性，必须在综合利用各线路故障信息、提出高保护裕度的选线原理上再进行深入的研究。

（3）中性点接地方式的影响。小电流接地系统发包括不接地、高阻接地和经消弧线圈接地三种方式，而每种方式发生接地故障的特征又不一样，因此选线准确性还会受到系统中性点接地方式的影响。

（4）其它影响选线准确性的原因。如零序电流互感器特性不一致、系统谐波、测量装置的精度、算法等因素的影响。

2 单相接地选线方法

由文献[9]可知对于小电流接地系统的单相电弧性接地，各线路的零序暂态电流在大小和方向上与中性点不接地系统的稳态特性相似。而中性点经消弧线圈接地系统的稳态分量与之有较大差别。因此对中性点经消弧线圈接地系统必须采用不同的选线方法才能满足准确性的要求。

2.1 中性点不接地系统

对于中性点不接地系统，不论发生稳态接地还是电弧性接地故障，其都满足故障线路零序测量等于所有非故障线路零序测量电流之和，且方向相反的特征[8]。因此，利用本文提出的零序电流互积求和选线方法就可以准确选择出故障线路。其原理如下:

令每一线路的零序电流与系统另外所有线路的零序电流积分后求和，可得各线路的故障判据。假设第条线路为故障线路。

由式（3）、（4）可知故障线路的判据为正，非故障线路的判据为负，且故障线路的判据远远大于非故障判据的绝对值。因此当计算出某一线路的故障判据为正且其绝对值最大时，就可以判断出该线路为故障线路。当所有线路的故障判据都为负时则可判断为母线故障。式（1）的微机实现算式可用公示（5）来表示:

2.2 中性点经消弧线圈接地系统

由上述分析和文献[8]可知，对于中性点经消弧线圈接地系统当发生单相电弧性接地故障时各线路零序暂态电流的特征与中性点不接地系统相同。因此，对于中性点经消弧线圈接地系统的单相电弧性接地故障利用式（1）即可。

中性点经消弧线圈接地系统，由于消弧线圈电感的补偿作用，使得故障线路与非故障线路的零序测量电流之间的差别较中性点不接地系统要小得多，增加了选线的困难。理论上讲，中性点经消弧线圈并(串)电阻接地系统，可以利用零序有功电流方向和导纳互差之绝对值和极大值的方法进行准确选线，但是为了保证消弧线圈的补偿效果，一般阻尼电阻应该在很短时间内切除。阻尼电阻切除后以上两种选线方法就失效，因此对这种系统，用以上两种方法的选线时间、机会有限。这不利于充分发挥微机选线“多判据、自纠错”的优势，对准确选线不利。中性点经消弧线圈接地系统，由于没有并（串）电阻时，系统阻尼率又很低，以上两种选线方法基本无效。因此，只有5次谐波方向原理或5次谐波的导纳互差之绝对值和极大值法有效，但实际系统中5次谐波含量不高，且各不相同，选线保护裕度较低，即使采用5次谐波的导纳互差之绝对值和极大值法，其保护裕度也很小。虽然残流增量法有较高的选线准确性，但它需要消弧线圈的调节控制装置与选线装置之间的配合，并且人为增大消弧线圈补偿的脱谐度不利于故障点电弧的熄灭，影响到消弧线圈的补偿效果，在选线装置大量推广方面存在较大困难。为此，结合微机长记忆的特点提出的一种基于故障导纳预记忆的选线方法，其原理如下:

母线发生单相接地故障时，将第条线路的预测量零序导纳顺时针旋转90°得:

假设系统中第k条线路发生单相接地故障，则有:

第条非故障线路的零序测量导纳为:

令故障时各线路的测量导纳与其对应预测量导纳的偏移导纳进行“点积”可得判据。

第条非故障线路的判据为:

由于现在的消弧线圈大都采用自动跟踪补偿方式，基本处于全补偿状态，因此与的夹角必定大于90°，并且接近180°[9]。所以:

由式（9）、（11）可见故障线路与非故障线路有明显区别。从理论上说是完全可以判断出故障馈线的，但实际上，由于零序电流互感器的误差、非线性及各互感器之间技术参数的非一致性，容易误判。为提高保护裕度，现对各线路 进行互差绝对值求和计算，即:

由上式可知，故障线路判据为非故障判据的（n-1)倍，只要n>2，就可以判断出故障线路，且n越大，故障线路与非故障线路的判据差就越大，越有利于准确选线。

3 实验分析

为验证上述方法的有效性分别在本校6kV模拟系统上进行了模拟电弧性接地实验。该系统中性点方式选择为中性点不接地或中性点经消弧线圈。且具有三条线路，各线路对地电容可调。

表1为电弧性实验故障判据计算结果。表中数据为同样实验下故障线路与非故障线路故障判据相差最小的一组数据，故障列指的是本线路作为故障线路时的故障判据，非故障列指的是其它两线路中故障时本线路故障判中的大者（表中数据为采样频率12000kHz，计算时间为3mS，稳态接地故障计算时间为10mS）。

表1 系统参数和实验结果Table1 The net parameter and experiment results

通过上述分析和实验可知，针对中性点不接地系统稳态和暂态的零序电流互积求和选线法具有（1）在计算故障判据时，不管是故障线路还是非故障线路，其故障判断量均是本线路测量零序电流与所有其他线路测量零序电流之积后求和，其信息量大。各线路的故障判断量包含了所有线路的故障信息，干扰信号将被这大信息量所淹没，使抗干扰能力大为增加。（2）该方法即可应用于电弧接地故障也可应用在中性点不接地或经高阻接地系统的稳态接地故障中。（3）系统出线数越多，该方法保护裕度越大，但只要系统具有3条线路，就能满足本方法的要求。

对于针对中性点经消弧线圈接地电稳态接地故障而提出的导纳预记忆法具有的特点如下:（1）本选线方法在故障判据计算时不论是故障出线还是非故障出线，其故障判断量均是本线路信息与所有其他线路信息之差，并取绝对值后的和，其信息量大，包含了所有出线的信息。干扰信号将被这大信息量所淹没，使抗干扰能力大为增加，且拉大了故障线路与非故障线路之间的差距，使保护裕度大为增加。（2）由于采用相对值进行计算，因此减少了故障点过渡电阻的影响。（3）在使用本方法时有一个缺点，即必须在使用前进行一次母线单相接地试验，且接地电阻越低，其精度越高。

4 结语

小电流接地系统地单相接地故障主要分为稳态接地故障和电弧性接地故障，由于基于稳态分量分析的保护方法只对稳态接地故障有效，而基于暂态分量分析的保护方法只对电弧性接地故障有效。因此，为保证在任何接地故障情况下都能选出故障线路，应该综合采用基于稳态和暂态分量分析的方法来实现保护。对于中性点不接地系统本文提出了即可以用于稳态接地故障也可以用于暂态接地故障的零序电流互积求和选线法。对于中性点经消弧线圈接地系统该方法只能用于暂态接地故障，因此对于稳态接地故障提出了导纳预记忆选线法。通过分析和实验可见，本文提出的方法既能满足稳态接地也能满足电弧性接地，同时具有计算简单，无需滤波等优点。

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Analysis of detecting fault line of single-phase-to-ground by multiple criteria

Jiang Hua1,2
1. North China Electric Power University, Beijing102206
2. Xuzhou Power Supply Company, Xuzhou,221005

Based on theory analysis, simulation, lots of experiments of6kV, this paper analyses characteristic of zero-sequence component in steady earth fault and arc-earth fault. The method of detecting fault line for the isolated neutral system and the indirection grounding system through compensation winding based on the mentioned characteristic is proposed. This method has a lot of virtue ,such as computing simpler, ability of anti-interference stronger , the fault information clearer and more convenient for application. The experimental results show that this method can increase the accuracy and the dependability of detecting fault line effectively.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.044

姜华（1977-），男，江苏徐州人，硕士研究生，工程师，从事电力系统自动化方面的研究。