小电流接地系统单相接地故障选线方法研究

丁爱佳，鲍炫羽，季玲玲，江浩

（国网浙江义乌市供电公司，浙江义乌322000）

小电流接地系统单相接地故障选线方法研究

丁爱佳，鲍炫羽，季玲玲，江浩

（国网浙江义乌市供电公司，浙江义乌322000）

对于小电流接地系统单相接地故障，现有选线装置在实际应用中效果并不理想，建议利用10 kV变电站现有保护装置中的零序过流保护解决此问题。通过在10 kV中性点消弧线圈的基础上并联中电阻柜、对传统选线逻辑加以修改、对整定值进行修正，从而实现单相接地故障时，通过线路零序过流保护发信的先后顺序可靠选线，并给出验证实例。

小电流接地；零序过流保护；选线逻辑

0 引言

据统计，中性点不接地系统中线路单相接地故障占总故障的80%，由于单相接地后线电压依然对称，因此规程规定允许继续运行2 h，但需快速排除故障，以防接地点因电弧烧灼发展成相间故障。变电站虽然配置了接地选线装置，但根据运行经验，选线准确性都不高，最终多采用人工试拉选判。据小范围统计，每次试拉线路在5条左右，因此增加了数量众多用户的短时停电。随着10 kV出线电缆的增多，单相接地故障电流明显增大，极易发展成相间接地短路故障，影响电网安全；同时，若处置不及时，甚至可能引发人员伤亡事件。因此，迅速、准确地判定故障线路，及时排除单相接地故障是电网运行监控的重要一环。

1 国内在研的几种选线方法

1.1 有源法选线

该方法不采集系统中发生单相接地时的各个电气量，而是利用单相接地时电压下降的接地相，在故障相上施加高频信号流，检测出线故障相，通过信号流的通路来确定故障线路。该方法动作可靠灵敏，但是所施加的信号流的强度和频率很难综合考量，既要有足够的强度可以被探测到，又要防止各出线间的相互感应；频率既要避开工频和谐波的干扰，又要防止高频接地耦合时的较大衰减和窜入别的支路，同时该信号也可能干扰变电站其他通信设备的运行[1]。

1.2 首半波法选线

该方法通过记录单相接地故障瞬间的暂态过程，利用故障相与非故障相首半波反向的特点来判别。由于消弧线圈是感性元件，在暂态过程中，其暂态电流可以忽略不计，故不受影响。首半波法灵敏度高，对任何单相接地故障反应迅速。但是对于暂态量的测量，需要互感器有良好的暂态特性，有高速A/D转换和CPU性能。当只有2条线路运行时，需要其他判据来辅助选线，且较难捕捉首半波[2]。

2 利用零序过流告警选线

2.1 零序过流告警选线原理

10 kV出线正常运行时电容电流很小。当线路发生单相接地故障且无消弧线圈补偿时，非故障线路上零序电流等于正常运行时线路对地电容电流，方向从母线指向线路；而故障线路的零序电流为所有线路正常运行时电容电流之和，大于任一条非故障线路的零序电流。因此，依据零序电流分量就可以准确判断出故障线路。图1所示为不接地系统零序电流分布情况。

图1 不接地系统故障零序电流

规程规定，当零序电流超过30 A时必须投入消弧线圈，以抑制故障点的电弧发展，防止故障扩大，因此10 kV中性点的运行方式一般采用过补偿。图2所示为经消弧线圈接地系统零序电流分布情况。

图2 经消弧线圈接地系统故障零序电流

另外，也可以根据电压、电流向量对单相接地故障进行选线，接地故障发生时的故障出线电容电流流入，即零序电流滞后零序电压90°；非故障线路零序电流流出，即零序电流超前零序电压90°。以此作为判据，故障线路电压、电流向量如图3所示。该图描述的是最简单的单条线路在故障点k发生A相接地的情况，Uk0为故障点处的零序电压，其值为[3]：

故障点处零序电流值为：

图3 单相接地故障电压、电流向量

2.2 零序过流整定计算

以往线路一般由架空线路构成，城区配电网由电力电缆构成，因此零序电流的计算公式较简单。传统的架空线路和电缆故障点处零序电流分别采用经验公式（3）和（4）[4]进行计算：

式中：l为架空线路或电缆的长度；U为线电压。

由于现在线路情况越来越复杂，单回线的分支线越来越多，所以准确确定单条出线的电容电流比较困难。但总系统电容电流应远大于任意一条10 kV线路的电容电流，任何一条线路故障的电流均接近此数据。分析发现，各线路（含下属分支）的长度基本上不超过同一段母线上主线路长度之和，故以主线路长度总和为系统电容电流整定测算基准值，可以躲过本线路本身电容电流，避免误选，也可以确保动作的灵敏性。

另外，为了利用消弧线圈补偿前的故障电流，必须确保在故障发生的瞬间尽快动作，因此一般考虑保护动作时间取0～0.5 s。

以某变电所为例，10 kVⅠ段母线上各出线主线电缆总长度为L1，架空线总长为L2，总电容电流为：

式中：S为电缆的截面积；Ue为线路额定线电压。

零序保护电流整定计算：

考虑动作的灵敏度：k取1.5～3。

2.3 中性点对于零序过流选判影响分析

由于10 kV系统实际运行时，不存在中性点不接地运行方式，而只存在中性点经消弧线圈的运行方式，为了提高零序过流告警的灵敏度，对中性点经消弧线圈的运行方式作适当改进。图4所示为改进后的中性点运行方式，其中L为消弧线圈，R为中电阻（一般设置在中电阻柜中），r为阻尼电阻。

图4 中性点运行方式

当线路发生单相接地时，等效为线路对地电容C与中电阻柜和消弧线圈（及其串联阻尼）并联，等效电路图如图5所示。从电源UN看进去的等效电纳为：

图5 发生单相接地时的等效电路

进而得到RLC并联谐振时的谐振频率：

可见，谐振频率ω与消弧线圈L、阻尼电阻r和线路对地电容有关，而与中电阻R无关。调节消弧线圈L和阻尼电阻r可以改变谐振频率ω，从而有效避免接地谐振。设置中电阻R，在线路发生单相接地时可以向接地点提供有功功率，使接地点的电弧增益，提高零序过流告警的灵敏度。

2.4 零序过流告警选线逻辑

传统接地故障选线选判逻辑见图6，由于监测到的零序电流是经消弧线圈补偿后的零序电流，判不动作选线失败。对零序过流告警的选判逻辑进行修改（见图7），并将零序电流告警时间整定为保护装置的最小时间，该保护通过各出线间隔的外接电流互感器实时监测各出线的零序电流，一旦达到整定值以上，无延时发出告警。

图6 传统接地选线选判逻辑

图7 零序过流告警选线逻辑

3 效果验证

在改进前，发生单相接地时，只有10 kV母线和接地变的接地信号，只能通过逐条试拉的方法查找接地线路，如图8（a）所示，可以看出，在实际工作中很费时。

改进之后，发生单相接地时零序过流保护能准确快速选出故障线路，只有故障线路零序告警信号上传调度台（如图8（b）所示），调控员可快速试拉找出接地线路。

图8 监控台信号上传情况

4 结语

通过对小电流接地系统零序过流选线逻辑和整定计算的修改实现了单相接地故障的快速选线功能，为调度运行人员提供了迅速有效的参考。由于不同厂家的保护逻辑修改难易程度不同，因此还需对零序过流告警功能制定标准化，以便于该方法的进步推广。

[1]齐郑，杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化，2004，28（14）∶1-5.

[2]吴青军，黄驾驾，刘东红.零序过流保护在单相接地故障选线中的应用探讨[J].浙江电力，2016，35（5）∶47-49.

[3]曹国臣，高宏慧.小电流接地系统两点异相接地故障计算的新方法[J].电网技术，2005，29（5）∶72-75.

[4]单渊达.电能系统基础[M].北京：机械工业出版社，2001.

[5]周戴明，王志亮，李康毅.小电流接地系统4TV接线极性判别方法[J].浙江电力，2016，35（1）∶27-30.

[6]张婷娟，王涛，黄鹰.智能变电站小电流接地选线装置测试仪的研究与设计[J].东北电力大学学报，2016，36（1）∶13-17.

[7]张耘川，苏宏升.小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统及其自动化学报，2015，27（2）∶32-38.

（本文编辑：方明霞）

Research on Single Phase-to-ground Fault Line Selection Methods in Small Current Grounding System

DING Aijia，BAO Xuanyu，JI Lingling，JIANG Hao
（State Grid Yiwu Power Supply Company，Yiwu Zhejiang 322000，China）

The application of existing line selection device is not ideal for single phase-to-ground fault in small current grounding system.Therefore，the paper suggests using zero-sequence overcurrent protection in protective device of 10 kV substations to solve the problem.By parallel connection of neutral resistance cabinet with 10 kV neutral arc suppression coil,correction of traditional line selection logic and settings modification，the fault line can be selected correctly in accordance to the messaging order of zero-sequence overcurrent protection of lines；in addition，the paper presents some verification cases.

small current grounding；zero-sequence overcurrent protection；line selection logic

10.19585/j.zjdl.201705003

1007-1881（2017）05-0008-04

TM77

A

2017-01-18

丁爱佳（1990），男，助理工程师，从事调控运行工作。