基于零序阻抗突变特征的谐振接地系统高阻接地故障选线方法

2021-11-20邵文权刘一欢张志华

电力自动化设备 2021年11期

邵文权，刘一欢，程远，2，张志华，程畅

（1. 西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048；2. 西安理工大学电气工程学院，陕西西安 710048；3. 国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710110）

0 引言

目前，随着小电流接地系统故障选线技术的发展和应用，中压配电网低阻接地故障选线问题逐渐得到了较好的解决［1-2］，而断线等高阻接地故障的准确可靠选线依旧存在较大困难［3］。配电网高阻接地故障主要是由导线断线坠地、导线对树枝放电或者人体直接接触线路引起的故障，由于其过渡电阻达数千欧以上，引起的电压、电流突变量不明显，导致常规保护无法可靠动作或发出告警信号［4］。接地故障的长期存在可能引发多点故障及相间短路，甚至引起火灾，威胁人身财产安全。因此，研究适用于谐振接地系统高阻接地故障的故障选线方法具有重要的工程应用意义。

现有的配电网故障选线方法可分为外加信号法、故障信号法和综合法。外加信号法［5］包括S信号注入法、脉冲注入法等。故障信号法分为利用故障稳态信号［6-8］和故障暂态信号［9-11］2 种。利用故障稳态信号的故障选线方法包括工频零序电流比幅比相法、零序电流有功分量法和谐波法等。但在谐振接地系统中，消弧线圈的补偿作用不仅使得故障残余电流变小，而且改变了故障线路零序电流的方向，导致利用稳态分量进行故障选线的难度增大。利用故障暂态信号的故障选线方法包括首半波法、暂态零序能量法和暂态电流特征频带法等。与稳态信号相比，暂态信号更加丰富但容易受到谐波、过渡电阻以及故障电弧等多种因素的影响，可靠性有待提升［12］。综合法融合多种信号和方法，能够取得较好的故障选线效果，但是融合方法的有效域及其组合的有效性尚需要进一步的论证和分析［13-14］。

谐振接地系统高阻接地故障选线的主要困难在于故障电压、故障电流特征微弱，难以可靠准确检测，且易受到随机因素的干扰［15-16］。为此，文献［17］提出在配电网中性点经消弧线圈并联电阻的接地方式，通过在中性点投入阻值为600 Ω 的并联电阻来增强单相接地故障电流特征，利用有功电流的增量进行故障选线，但对于高阻接地故障可能存在有功增量微弱导致故障选线可靠性低的不足。文献［18］主要是利用健全线路和故障线路的暂态能量之间的差异来判别故障线路，该方法仅需根据线路出口处测量的暂态能量方向的不同就可以进行故障选线。文献［19］针对传统暂态模型中存在的问题进一步精确分析了谐振接地系统的暂态过程以及暂态电气量特征，对高阻接地故障选线进行了更深刻的剖析，为后续高阻接地故障选线的研究提供了理论基础。

本文针对现有配电网高阻接地故障特征微弱导致故障选线困难的问题，采用消弧线圈短时并联电阻的接地方式改变线路零序阻抗特征进行故障选线。在单相高阻接地故障发生后，通过短时投入并联电阻改变配电网的接地方式，利用健全线路与故障线路的零序阻抗的变化差异来有效识别故障线路。仿真结果表明本文所提的故障选线方法能够有效识别谐振接地系统的高阻接地故障。

1 并联电阻投入前后的故障特征

以图1 所示的消弧线圈并联电阻的谐振接地系统为例进行分析。图中，线路Ln发生A相接地故障，Rf为过渡电阻；Lp为消弧线圈等效电感；IL和IR分别为流过消弧线圈和并联电阻Rb的电流；Kb为并联电阻的投切开关；EA、EB、EC为系统三相电压；C0i(i=1，2，…，n)和C0s分别为线路Li和电源侧系统的等效对地电容。

图1 消弧线圈并联电阻的谐振接地系统示意图Fig.1 Schematic diagram of resonant grounding system with arc suppression coil and resistance connected in parallel

图2 为图1 中所示单相接地故障的等效零序网络。图中，i0i为线路Li的首端零序电流；i0Lp为流过消弧线圈的零序电流；uf为故障点等效电压源，其值为故障发生前的相电压；ω为系统角频率。考虑到发生单相接地故障时线路自身的电阻和感抗远小于线路对地容抗，后续线路零序阻抗计算仅考虑线路对地容抗。

图2 单相接地故障的等效零序网络Fig.2 Equivalent zero-sequence network of single-phase grounding fault

1.1 并联电阻投入前的故障特征

由图2 可看出，并联电阻投入前A 相对地电压Uk为：

忽略线路自身的零序电阻和零序感抗，则任意健全线路的零序阻抗为自身对地电容阻抗，如式（3）所示。

1.2 并联电阻投入后的故障特征

由式（2）、（6）可以看出Uk0>U′k0（Uk0、U′k0分别为Uk0、U′k0的幅值），并联电阻的投入改变了系统零序回路阻抗，使得系统零序电压降低继而影响了整个配电网零序电流的分布，健全线路中的零序电流减小，而故障线路由于增加了并联电阻的有功分量，零序电流增大。

综上所述，谐振接地系统的任意健全线路在并联电阻投入前、后，其零序阻抗均为线路自身对地电容阻抗，不受并联电阻投入动作的影响；而故障线路的零序阻抗由全系统健全线路、消弧线圈支路以及并联电阻支路共同决定，受并联电阻投入的影响但不受过渡电阻的影响。因此，通过并联电阻的投入改变故障线路的零序阻抗特征，有望进一步解决高阻接地故障信号微弱导致故障选线困难的问题。

2 并联电阻的优化设计

短时投入并联电阻的方式本质上相当于短时改变配电网的接地方式，增加了有功电流分量。并联电阻应能够改变零序阻抗特征实现高阻接地故障选线，且其短时投入后应使得零序电压启动元件能够可靠启动，同时不产生过大的故障电流，避免增加故障熄弧的难度，所以有必要对并联电阻的取值范围进行优化设计。

在配电网中，当系统零序电压的幅值超过一定门槛（一般为相电压幅值UN的10%～15%）时［4］，零序电压启动元件能够可靠启动并发出接地故障告警信号。本文选择15%UN作为零序电压启动元件的启动门槛值，则有：

对于10 kV 系统，根据国家电网公司发布的《配电网技术导则》，采用消弧线圈接地方式时应满足在补偿后接地故障残流一般控制在10 A 以内的原则。根据等效零序网络，在配电网投入并联电阻后其故障点电流Ik为：

可得，故障点电流的幅值Ik与Rf、XΣ(0)之间的关系为：

对于10 kV 谐振接地系统，若其发生单相接地故障时的Rf≥600 Ω，即使不考虑系统阻抗部分的影响，由式（11）可得Ik≤10 A。显然，对于高阻接地故障，通过投入并联电阻能够满足消弧线圈补偿后单相接地故障残余电流不超过10 A的要求。

结合以上分析可知，在配电网谐振接地系统中，对于Rf最大为3 000 Ω 的单相接地故障，依据式（9）在600～1000 Ω范围内选择并联电阻，能同时满足零序电压启动元件启动和故障残流水平限制的要求。

3 利用并联电阻投入前、后线路零序阻抗变化特征的故障选线判据

对并联电阻投入前、后线路零序阻抗的特征进行分析可知，健全线路的零序阻抗在并联电阻投入前、后保持一致，理论上不会有任何变化；而故障线路的零序阻抗在并联电阻投入后增加了并联电阻分量，所以明显减小。因此，根据并联电阻投入前、后线路零序阻抗的变化差异构成相应的故障选线判据如式（12）所示。

表1 不同Ik下的Rb(min)和KnTable 1 Value of Rb（min） and Kn for different values of Ik

当谐振接地系统发生单相高阻接地故障时，投入并联电阻并计算各条线路零序阻抗变化系数。若在判别时间t内，对于某线路的零序阻抗变化系数，式（12）持续成立，则可判别该线路为故障线路；若全部线路的零序阻抗变化系数均小于门槛值，则判别为母线接地故障。故障选线流程图如图3所示。

图3 故障选线流程图Fig.3 Flowchart of fault line selection

4 仿真验证

为验证本文所提方法的正确性与有效性，在MATLAB 软件平台搭建10 kV 配电网仿真模型如图4所示，模型参数见表2。设置0.1 s时线路L4在距离母线2 km处发生单相高阻接地故障，Rf=1000 Ω，消弧线圈过补偿度P=10%，根据式（9）设置Rb=600 Ω，Rb在1 s时投入、2 s时退出。

图4 10 kV配电网仿真模型Fig.4 Simulation model of 10 kV distribution network

表2 线路参数Table 2 Line parameters

根据上述模型参数及仿真条件，并联电阻投入前、后所有线路的零序阻抗、零序阻抗变化系数如图5所示。

图5 各线路的零序阻抗和零序阻抗变化系数的计算结果（P=10%，Rf=1000 Ω）Fig.5 Calculation results of zero-sequence impedance and corresponding variation coefficient of each line when P=10% and Rf=1000 Ω

由图5（a）可见，在并联电阻的投入和退出过程中，配电网经过短时间的过渡过程后进入稳态，在稳态过程中任意健全线路的零序阻抗在并联电阻投入前、后基本不发生变化，其值等于自身对地电容阻抗；而故障线路L4的零序阻抗在并联电阻投入后减小，该过程主要与消弧线圈补偿度P有关，仿真结果与第1节中的理论分析结果一致。

由图5（b）可见，在故障判别时间内，在并联电阻投入前、后，任意健全线路的零序阻抗变化系数均接近1，即零序阻抗变化很小；而故障线路的零序阻抗变化系数大于Kth。仿真计算结果符合判据式（12），证明了利用消弧线圈并联电阻投入前后线路零序阻抗变化选线方案的正确性。

为进一步验证本文所提方法适用性，当线路L4的2 km 处发生单相高阻接地故障时，选取不同消弧线圈补偿度、不同过渡电阻对各条线路的零序阻抗及零序阻抗变化系数进行仿真计算，结果如图6、7所示。

图6 零序阻抗和变化系数计算结果（P=5%，Rf=1000 Ω）Fig.6 Calculation results of zero-sequence impedance and corresponding variation coefficient of each line when P=5% and Rf=1000 Ω

图7 零序阻抗和变化系数计算结果（P=10%，Rf=3000 Ω）Fig.7 Calculation results of zero-sequence impedance and corresponding variation coefficient of each line when P=10%，Rf=3000 Ω

上述仿真结果表明，并联电阻投入后，故障线路的零序阻抗主要与消弧线圈补偿度有关，受过渡电阻的影响较小。结合图5、6 可见，其他条件相同时，消弧线圈过补偿度越小，故障线路的零序阻抗变化系数越大。结合图5、7 可见，其他条件相同而过渡电阻不同时，故障线路的零序阻抗变化系数基本一致。此外，并联电阻投入前后故障线路的零序阻抗变化系数均明显大于门槛值，健全线路的零序阻抗变化系数基本为1，与理论分析一致，验证了判据的正确性与有效性。

经过大量仿真计算可知，对于不同的配电网谐振接地系统，选取合适的并联电阻后，在不同的故障位置、过渡电阻和消弧线圈补偿度等条件下，并联电阻投入前、后，健全线路的零序阻抗均为自身对地电容阻抗，零序阻抗变化系数接近1；故障线路的零序阻抗与消弧线圈补偿度有关，受故障位置和过渡电阻的影响较小。对于高阻接地故障，故障线路与健全线路的零序阻抗变化系数差异显著，仿真结果与计算结果一致。因此，利用并联电阻投入前、后线路零序阻抗特征差异的高阻接地故障选线方法能够有效识别故障线路，且基本不受过渡电阻大小及故障位置影响，具有较好的适用性。