有源配电网小电流接地故障暂态特征及其影响分析

秦苏亚 薛永端 刘砾钲 郭雨豪 徐铭铭

有源配电网小电流接地故障暂态特征及其影响分析

秦苏亚1薛永端1刘砾钲2郭雨豪1徐铭铭3

（1. 中国石油大学（华东）新能源学院电气工程系 青岛 266580 2. 广西电网有限责任公司南宁供电局 南宁 530031 3. 国网河南省电力公司电力科学研究院 郑州 450052）

随着“双高（高比例清洁能源、高比例电力电子装置）电网”的普及，逆变型与旋转型分布式电源（DG）接入配电网的渗透率越来越高，其对小电流接地故障暂态特征及暂态检测的影响尚需进一步明确。该文建立了有源配电网接地故障等效电路，研究了不同DG类型（旋转型、逆变型）、接入位置及接入数量时接地故障暂态特征的变化规律，并分析其对暂态选线/定位原理与装置性能的影响。结果表明，由于DG接入不改变故障零模网络，现有利用暂态零模信号的选线与定位方法在原理上仍能适用；旋转型DG将使故障暂态电流的主谐振频率及幅值增大，衰减时间分布范围扩大，相应地，接地故障检测装置的采样频率与电流测量范围应适度增加。仿真验证了该文结果的正确性。

有源配电网 分布式电源 小电流接地故障 暂态特征 暂态选线 暂态定位

0 引言

对于不含分布式电源（Distributed Generation, DG）的常规不接地与谐振接地方式配电网，现阶段关于单相接地（即小电流接地）故障稳态及暂态特性的研究已较为成熟，并提出了一系列接地故障选线及定位方法，其中利用暂态信号的选线与定位装置近年在现场得到了广泛应用[1-6]。随着逆变型、旋转型DG在配电网中的应用范围越来越广泛、渗透率越来越高[7-12]，亟须明确有源配电网中小电流接地故障的暂态特征如何变化、已有选线定位方法是否继续适用、已有检测装置性能能否继续满足要求等一系列问题。

关于DG接入对小电流接地故障特征的影响方面，文献[13]认为DG的接入会影响故障后各相之间的工频与暂态电容电流的分布，对于各条线路出口的零序电流几乎不影响；文献[14]提出DG并网变压器高压侧采用三角形联结时，不影响系统零序电流分布，采用星形联结并中性点接地时，零序电流大小和分布均受DG容量影响，但由于会改变系统接地方式，现场很少应用；文献[15]提出，单DG接入配电网时仅改变了系统正序网络拓扑，对零序网络没有多大影响，零序电流在系统中的分布与常规配电网相同。综合上述文献，关于有源配电网中小电流接地故障，可以得到定性结论：DG接入不会影响零模网络中的暂态电气量分布，但会改变线模网络的暂态电气量分布。上述分析均未区分逆变型DG和旋转型DG的不同作用，未就接地故障暂态电气量自身的特征（如主谐振频率、幅值、衰减速度等）变化给出量化结论，也未涉及已有暂态检测方法与检测装置性能的适用性问题。

本文建立了有源配电网单相接地故障等效电路，分析了不同DG类型、接入位置及接入数量对接地故障等值网络的影响，研究了DG接入对故障暂态过程及暂态电气量分布特征的影响，进而分析了DG接入对接地故障暂态选线、定位装置适应性的影响，并利用数字仿真和现场数据进行了验证。

1 有源配电网小电流接地故障暂态等效电路解析模型

1.1 暂态等效电路的总体结构

如图1所示为典型的含DG的10kV小电流接地系统配电网示意图。其中，T1为110kV/10kV主变压器；T2为接地变压器；p为消弧线圈电感；开关S闭合为经消弧线圈接地系统、打开为不接地系统；共有条出线L1、L2、…、L；设单相接地故障发生在L1上，F为故障点位置；DG1与DG2为线路L1故障点上游、下游的分布式电源，DG为健全线路接入的分布式电源；T3、T4、T为DG并网变压器，为了不改变系统接地方式，其高压侧均采用不接地方式；PCC1、PCC2、…、PCC为并网连接点。

图1 有源配电网示意图

根据图1建立有源配电网单相接地故障等效电路如图2a～图2c所示，分为故障线路不含DG时、故障线路下游含DG时、故障线路上游含DG时单相接地故障等效电路，后文研究主要基于以上三种等值网络进行分析。由于并网变压器高压侧采用不接地方式，DG的接入对故障等效电路的零模网络无影响，仅影响线模网络（1模、2模网络）。其中，f为故障点虚拟电源，1f、2f、0f分别为其1模、2模和零模分量；f为故障点过渡电阻；1a1、1a2分别为PCC1点到母线和故障点的1模阻抗，1b1、1b2分别为PCC2点到故障点和线路末端的1模阻抗，1Ln1、Z1Ln2分别为PCC点到母线与到线路末端的1模阻抗，1L2为不含DG的健全线路L2的1模阻抗，1T为主变压器的1模阻抗，1d1、1d2及1dn分别为故障线路及健全线路L2、L负荷的1模阻抗，1DG1、1DG2、1DGx分别为故障线路上游、下游及某条健全线路的DG与其并网变压器的综合1模阻抗；0a、0b分别为故障线路故障点上游区段和下游区段的零模阻抗，0a、0b分别为故障线路故障点上游区段和下游区段的零模分布电容，02、0n分别为健全线路L2和L的零模分布电容，0L1、1L2分别为健全线路L2和L的零模阻抗。

图2 有源配电网单相接地故障等效电路

图2d为小电流接地故障复合网络模型：从故障点看，1a(1b)、2a(2b)、0a(0b)分别为故障点上游（下游）1、2、0模阻抗；1a(1b)、2a(2b)、0a(0b)分别为故障点上游（下游）1、2、0模电流。

1.2 DG及并网变压器等值阻抗

DG及并网变压器的线模等效电路如图3所示，其中，T、T分别为并网变压器的漏感和漏阻，m、m分别为并网变压器的励磁电感和励磁电阻，s、s分别为DG的等效线模电感和电阻。

图3 DG及并网变压器线模等效电路

DG及并网变压器的综合等值线模阻抗1DG为

式中，T=T+jT、m=m+jm分别为变压器的漏阻抗和励磁阻抗；s=s+js为DG等效阻抗。

因此由式（1）可得，旋转型DG接入时有

也即，其在线模网络的作用类似于小容量电源（即主变压器），将影响故障点上游、下游或健全线路的线模阻抗。

因此由式（1）可得，逆变型DG接入时有

那么，其在线模网络的作用类似于大容量负荷，几乎不影响线模网络。

同时，由于接地故障电流较小，系统正序电压仍处于DG正常运行范围（一般为0.9(pu)～1.1(pu)）之内，且DG本身必须要具有一定的低电压穿越能力，此时DG运行状态不调整，其等效阻抗在接地前后保持不变。

本节以下分析中主要针对旋转型DG。

1.3 故障线路不含DG时的线模等值阻抗

此时式（4）可表示为

也即，当DG接入容量较小或者当DG接入位置远离母线时，其对系统暂态电气量的影响基本可忽略不计，因此本文主要分析了DG靠近母线且容量较大时对故障暂态电气量的影响。

当DG总容量增大，特别是接近系统容量时，系统阻抗与DG等效阻抗相同，两者等效并联后整体变为0.5倍的系统等效阻抗，即母线处的线模阻抗（式（4）中的最后一项）将减小接近一半，将使故障点上游线模阻抗明显减小。

1.4 故障线路含DG时的线模等值阻抗

当DG接在故障线路下游时，故障线路含DG时单相接地故障等效电路如图2b所示，此时故障点上游线模阻抗与故障点下游线模阻抗发生些许变化。

而故障点下游线模阻抗变为

由于|1DG2|远小于负荷与线路的线模阻抗，故障点下游线模阻抗可近似为故障点与DG之间线路的线模阻抗与DG及并网变压器的综合线模阻抗之和，即

特别地，当DG接在母线出线口时，式（13）变为

当DG接在母线末端时，式（13）可简化为

1.5 有源配电网接地故障的简化等效电路

综合上分析可知，DG接入对零模网络无影响，仅旋转型DG接入故障线路时或接入健全线路靠近母线位置时，将使线模阻抗减小。当DG接入之后接地故障暂态等效电路如图4a所示，其中1、1为DG接入后的线模电感、电阻，等于故障点上游线模电感/电阻与下游线模电感/电阻的并联；0、0与常规电网相同，包含了故障点到母线间的线路零模电感、电阻与接地变压器的零模电感、电阻；∑为系统对地零序分布电容之和；3p为消弧线圈等效电感。

图4 简化后的有源配电网单相接地故障等效电路

2 DG接入对小电流接地故障暂态过程的影响

由于逆变型DG对于暂态过程的作用与大容量负荷相近，旋转型DG接入健全线路且远离母线时对线模阻抗影响也较小，可忽略它们对接地故障暂态过程的影响。以下主要分析旋转型DG接入故障线路及健全线路靠近母线处的情况。

2.1 对衰减因子的影响分析

暂态电流的衰减因子可表示为

2.2 对主谐振频率的影响分析

故障点暂态电流的主谐振频率可表示为

上节分析的衰减因子表征接地故障暂态过程的持续时间，越大，衰减速度越快，对于故障检测的影响越不利。而电缆线路的衰减速度快于架空线路[20]，又因为对一确定系统，相同故障距离，电缆线路故障时的主谐振频率高于架空线路，因此电缆线路对故障检测装置采样频率的要求高于架空线路。

2.3 对暂态电流幅值的影响分析

由式（16）可得DG接入小电流接地系统接地故障时主谐振分量最大故障点暂态电流幅值表达式为

当故障初相角=π/2时，暂态电流幅值最大，可表示为

DG接入后，线路上电压被抬高[21-22]，即故障点虚拟电源幅值m将增大，同时线模阻抗将减小，上述两个因素都将使暂态电流幅值增大。

再考虑到母线电压将有适度增大，暂态电流幅值将提高40%及以上。

2.4 典型情景下暂态参数变化范围

上述关于衰减因子、谐振频率及暂态电流幅值极限值变化的分析中，往往需要较为极端的条件，如DG总容量接近于系统容量且接入位置靠近母线、故障点位于母线等。实际中，由于DG容量有限、DG接入位置和故障点位置的分散性，再考虑到本文简化模型的误差，上述参数的变化将较理论值偏小。

设典型情景1：架空线路配电网，系统电容电流为3A，故障点距母线15km，故障点过渡电阻为5Ω，对应较小的衰减因子（较大的衰减时间）和较小的电流幅值。典型情景2：电缆线路配电网，系统电容电流为100A，故障点距母线1km，过渡电阻为10Ω，对应较大的衰减因子（较小的衰减时间）和较大的电流幅值。设典型情景3：电缆线路配电网，系统电容电流为100A，故障点距母线1km，故障点过渡电阻为200Ω。典型情景4：电缆线路配电网，系统电容电流为100A，故障点距母线1km，过渡电阻为1kΩ。

在上述典型情景下，分别计算不含DG时的接地故障暂态参数（衰减时间、主谐振频率和暂态电流幅值）及DG接入后暂态参数的变化范围，结果见表1。

表1 不同情景下接地故障暂态参数及其变化范围

Tab.1 Ground fault transient parameters and their range of variation under different scenarios

由表1可以看出，在非极端条件下，DG总容量较小（2MW）且故障点位置不在母线上时，由于暂态衰减过程中衰减时间与衰减因子成反比，衰减速度越快，衰减因子越大，越不利于故障检测，DG接入后衰减时间有所减小，因此衰减因子有所增大。同时，主谐振频率及暂态电流幅值虽然有所增大，但增大幅度有限。当故障点到母线距离一定时，衰减因子会随过渡电阻的增大而增大（衰减时间减小），主谐振频率与暂态幅值会随着过渡电阻的增大而减小。

对比情景2与情景4，可发现，对于有源配电网高阻接地故障，从原理上来讲，当过渡电阻达到几千欧姆甚至上万欧姆时，暂态选线与定位方法的原理继续适用；从具体选线与定位装置来讲，高阻故障检测方法的范围既要取决于电压互感器、电流互感器的传变精度大小，还要取决于不同厂家的采样频率和测量精度的不同，目前主流厂家针对高阻接地故障能检测到2kΩ，部分厂家能够做到更高甚至达到5kΩ。

3 DG接入对已有暂态检测方法的影响

由于逆变型DG对暂态过程的作用接近于大容量负荷，已有的利用暂态线模信号的方法也能继续适用于仅含逆变型DG的有源配电网。正常运行时逆变型DG可能向系统注入谐波电流，并进一步转换为接地故障的谐波电流，转换机理和过程与非线性负荷相同[23]，将有利于利用谐波电流或暂态电流的检测技术。

旋转型DG接入健全线路时，故障线路（含故障点上、下游）与不含DG的健全线路线模电流幅值基本相同；由于从系统电源分得更多的电流，DG所在健全线路的线模电流幅值将增大，但仍明显小于故障线路。

旋转型DG接入故障线路时，故障出线口的线模电流将有较明显的减小，而健全线路的线模电流略微减小，但故障线路的线模电流仍明显大于健全线路。故障点上、下游线模电流的分布特征与DG接入位置相关，DG接入故障点下游时，故障点上游的线模电流幅值将减小，而故障点与DG间的线模电流幅值将增大，且可能与上游线模电流幅值相当；DG接入故障点上游时，DG与母线间各检测点的线模电流幅值减小，而故障点下游暂态线模电流幅值略微减小。

鉴于DG高压侧采用不接地方式，DG接入不改变零模网络结构，暂态电气量在零模网络内的分布特征也不受DG影响，已有的利用暂态零模信号的接地故障选线与定位方法均能适用于有源配电网。

因此，对于含旋转型DG的有源配电网，DG的接入会影响暂态电流在线模网络内的分布规律，但不影响在零模网络内的分布规律。利用暂态零模量的小电流接地故障检测与诊断方法，如暂态零序电流特定频率分量法[24-25]和暂态零序容性电流或无功功率方向法[26]、暂态电流相似性定位方法、暂态投影定位方法[27]等，仍能适用；但由于DG的接入改变了线模电气量的幅值，从而利用各相电气量以及各相之间电气量幅值的定位方法（如相不对称法，负序电流法[28]）将不再适用。

4 DG接入对暂态特征及对暂态检测装置性能的影响分析结论

综合第2节分析可知，DG对暂态检测装置性能可能的影响，主要体现在旋转型DG接入故障线路以及靠近母线处的健全线路时，即相比于常规配电网，含有旋转型DG的有源配电网中，接地故障暂态电流的持续时间、主谐振频率与幅值的分布范围均增大。当DG容量接近系统总容量时，主谐振频率在不接入DG时的范围为350～2 190Hz[20]，接入DG后，根据上文分析可知主谐振频率变为350～ 3 066Hz，提高40%左右。同样地，衰减因子将比不接入DG时增大约1倍、暂态电流幅值将比不接入DG时提高40%以上。因此，要求选线与定位装置的采样频率、选取的特征频段、录波数据长度与电流测量范围都要适度增加，参考国家电网公司DL/T 872—2016规约实施细则、国家电网公司配电自动化系统安全防护方案、暂态录波型故障指示器技术条件和检测规范等标准，根据上文分析可知DG接入之后选线与定位装置的采样频率将增加到7～8kHz、选取的特征频段将增加到3次谐波150～3 000Hz、录波数据长度与电流测量范围都要增大到原来数值的2倍以上。

对于系统中已经安装的选线和定位装置，需要重新计算DG带来的影响，影响不大时也可以不用更换新设备。

另一方面，暂态电流幅值增大将有利于提高接地故障检测的可靠性。

不同厂家的暂态选线与定位装置，其采样启动方式、采样频率、录波数据长度、选取的特征频段范围、测量电流范围等都有所不同，因此，即使已有暂态选线与定位原理仍能适用，但由于接地时暂态信号的频率、持续时间（取决于衰减因子）、幅值的变化，仍有可能使已有装置失效或者可靠性降低。其中，采样频率和测量电流范围的影响较大，而由于暂态检测方法在部分频段和部分时间范围内仍有效，录波数据长度和选取的特征频段范围的影响较小。

5 数字仿真验证

在不同的DG类型、接入位置及接入数量时，故障点处典型暂态零模电流波形、暂态零模电流主谐振频率及幅值的变化情况如图5所示，其中双旋转型DG接入时，DG1固定于故障点上游距母线6km处，DG2接入位置变化。

由图5可以看出，逆变型DG接入配电网时，对故障点暂态电流基本无影响。而接入旋转型DG时，暂态电流的频率与幅值增大，衰减时间略有减小，DG位于故障点处时主谐振频率最大，DG远离母线时暂态电流幅值逐渐增大。当故障线路接入双旋转型DG时，谐振频率主要取决于离故障点近的DG。从图5d可以看出衰减因子受过渡电阻的影响，当故障点到母线距离一定时，衰减因子会随过渡电阻的增大而增大。

不同位置与数量的旋转型DG接入时（单个DG分别位于健全线路L2首端、故障点上游/下游距母线6km/18km处；两个DG时，DG1和DG2分别位于故障点上游和下游距母线6km和18km处），各出线口的暂态零模和线模电流及故障线路故障点上、下游暂态零模和线模电流幅值的分布特征分别如表2和图6所示。

表2 各出线的暂态零模及线模电流的分布特征

Tab.2 Distribution characteristics of transient zero-mode and line-mode of each line（单位：A）

由表2和图6可以看出，旋转型DG接入时，有源配电网中零模电流的分布特征与常规配电网相同；而各线路出口处及故障线路故障上游、下游线模暂态电流的分布特征根据DG接入位置不同有较大变化。由图6b可以看出，常规配电网中故障点上游暂态线模电流幅值明显大于故障点下游线模电流幅值；当DG接入故障点上游时，DG上游侧线模电流幅值明显减小，而DG到故障点间以及故障点下游各检测点的线模电流幅值基本不变；DG接入故障点下游时，故障点上游线模电流幅值明显减小，而故障点下游到DG接入点处线模电流幅值明显增大，与故障点上游线模电流幅值相当，DG下游侧线模电流幅值也略有减小；当DG同时接入故障点上游和下游，其对暂态线模电流幅值的影响是DG分别接入故障点上游和下游时的叠加，由叠加定理可知此时由于DG的同时接入故障点上、下游，使得暂态线模电流不再满足无DG接入时故障暂态电流在线路上“故障点上游线模电流幅值较大而故障点下游暂态电流幅值较小”的分布特征，这使得原有利用暂态线模电流幅值的检测方式不再有效。

图6 故障点上、下游零模及线模电流分布特征

针对不同线路结构、故障初相角、故障点过渡电阻以及故障位置等情况，并改变系统结构与线路参数（如架空电缆混合），大量仿真结果均能验证上述分析结论的正确性。

6 结论

本文建立了有源配电网接地故障等效电路，研究了不同DG类型（旋转型、逆变型）、接入位置及接入数量时接地故障暂态特征的变化规律，并分析了其对暂态选线/定位原理与装置性能的影响。结果表明：

1）逆变型DG作用与（非线性）大容量负荷相似，不影响接地故障暂态分布规律，也可近似认为不影响暂态特征，已有暂态选线与定位的原理和装置仍能适用。

2）旋转型DG作用与小容量电源相似，尽管不影响暂态电气量在零模网络内的分布规律，但会使得接地故障暂态线模零模谐振频率、持续时间、电流幅值的变化范围扩大，且影响暂态电流在线模网络内的分布规律。当DG容量接近系统总容量时，衰减因子将增大约1倍、主谐振频率将提高40%左右、暂态电流幅值将提高40%以上。因此，利用暂态零模信号的选线与定位方法仍能适用，而利用线模信号的定位方法将可能不再适用，已有选线与定位装置的采样频率、选取的特征频段、录波数据长度、电流测量范围需要适度调整，一般来讲选线与定位装置的采样频率增加到7～8kHz、选取的特征频段增加到3次谐波150～3 000Hz、录波数据长度与电流测量范围都要增大到原来数值的2倍以上。

对于DG接入后暂态量特征变化给不同暂态选线、定位与分界方法带来的量化影响需要进一步分析、验证。

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Transient Characteristics and Influence of Small Current Grounding Faults in Active Distribution Network

Qin Suya1Xue Yongduan1Liu Lizheng2Guo Yuhao1Xu Mingming3

（1. New Energy College China University of Petroleum (East China) Qingdao 266580 China 2. Nanning Power Supply Bureau of Guangxi Power Grid Co. Ltd. Nanning 530031 China 3. Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company Zhengzhou 450052 China）

With the popularization of "double high (high proportion of clean energy, high proportion of power electronic devices) power grid". The penetration rate, of inverter-type and rotating distributed power supplies (DG) into the distribution network, is getting higher. Its influence on the transient characteristics and transient detection of single-phase grounding faults need to be further clarified. In this paper, the grounding fault equivalent circuit of active distribution network is established. The variation law, of grounding fault transient characteristics under different DG types as well as different access locations and access numbers is studied. Its impact on the device performance and the principle of transient line selection and location method is analyzed. The results show that since the access of DG does not change the faulty zero-mode network, the existing line selection and location method using the transient zero-mode signal can still be applied in principle. The access of rotating DG will increase the main resonant frequency and amplitude of the fault transient current, and expands the distribution range of attenuation time. Correspondingly, the sampling frequency and current measurement range of the grounding fault detecting device should be moderately increased. Simulation and field fault data verify the correctness of the results.

Active distribution network, distributed generation(DG), small grounding fault, transient characteristics, transient line selection, transient fault locating

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201716

TM713

国家自然科学基金项目（52077221）和国家电网总部科技项目（SGHADK00PJJS1900078）资助。

2020-12-30

2021-07-07

秦苏亚 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为配电网接地故障检测与保护等。E-mail：qinsuya@126.com

薛永端 男，1970年生，教授，博士生导师，研究方向为配电网接地故障保护与电气安全防护。E-mail：xueyd70@126.com（通信作者）

（编辑 赫蕾）