%AD低压配电网单相接地故障选线新原理

第 29 卷 第 3 期 电 网 技 术 Vol. 29 No. 3 2005 年 2 月 Power System Technology Feb. 2005 文章编号： 1000-3673（ 2005） 03-0076-05 中图分类号： TM734 文献标识码： A 学科代码： 470?4054一种中低压配电网单相接地故障选线新方法张慧芬 1,2，潘贞存 2，田质广 3，桑在中 2（ 1．济南大学 控制科学与工程学院，山东省 济南市， 250022； 2．山东大学 电气工程学院，山东省 济南市， 250061； 3．大连海事大学 自动化所，辽宁省 大连市， 116026）A NEW PRINCIPLE TO DETECT SINGLE PHASE GROUNDING FEEDER IN MIDDLE AND LOW VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORKS ZHANG Hui-fen 1,2， PAN Zhen-cun2， TIAN Zhi-guang 3， SANG Zai-zhong 2（ 1． School of Control Science and Engineering ， Jinan University ， Jinan 250022， Shandong Province， China；2． School of Electrical Engineering ， Shandong University， Jinan 250061， Shandong Province， China；3． Automation Research Institute， Dalian Maritime University ， Dalian 116026， Liaoning Province ， China）ABSTRACT: According to the present situation of low detection accuracy of single phase grounding feeder in non-effective grounding system, from the viewpoint of on-site application it is pointed out that the faulty line detection devices depend on the polarities of PT and CT, so that it leads to that the faulty line cannot be accurately detected. The authors present a new faulty line detection principle based on the amplitude comparison of zero sequence active current which does not depend on the polarities of zero sequence voltage and current. The results of simulation by MATLAB prove that using the presented principle the faulty feeder can be accurately detected.KEY WORDS: Distribution network ； Single phase to ground fault； Active component ； Faulty feeder detection； Power system 摘要： 为了改正当前小电流接地系统单相接地故障选线装置准确率不高的缺点， 作者提出了与零序电压和零序电流极性无关的新的零序电流有功分量比幅选线方法。 Matlab 仿真表明该方法能准确识别出故障线路。关键词： 配电网；单相接地故障；有功分量；故障选线；电力系统1 引言我国的小电流接地系统普遍采用中性点非有效接地方式，包括中性点不接地、经消弧线圈接地或经高阻接地等形式。单相接地 是 小电流接地系统中 发生几 率 较 高的 一种 故障， 由于 单相接地故障电流 仅 为系统分 布 电 容 电流或经消弧线圈 补偿后 的残余 电流， 所以 单相接地故障的 检测一直是继 电 保护 中 难以解决 的 问题 。 多 年 来 ， 尽管已 提出 多种基于 故障零序 稳态 量和 暂态 量的选线方法， 并 有 多种选线装置 应 用 于实际 系统中， 但 选线的准确率 仍然不高 [1]。 注入 法方法 [2]在一定程度上 改 善 了选线装置的 动 作正确率， 但由于注入信号微弱及受过渡 电阻和分 布 电 容 的 影响 ， 也没 能 达到理想 的选线准确率。小电流接地系统单相接地故障选线 原理已 经比 较成熟 ， 如 中性点不接地系统 利 用了零序电流的稳态 和 暂态 无功分量法 以及 能量法 [3,4]； 中性点经消弧线圈接地系统 利 用了零序电流的 五次谐波 法、有功分量方 向 法、 暂态 无功方 向 法 及 能量法 [5-9]； 也 有研究 者 使 用系统的零序 导纳 [10]、 阻 尼 率 [11] 和 负 序电流 [12] 等 物理 量 进行 故障选线。 基于多种 故障 特征的 综合型 选线方 案 [13,14] 、 基于 外加诊断 信号 的 注入 法 [2,15]以及 新 兴 的小 波 变换 等 数字 信号 处 理 方法也已应 用 于 选线装置中。 造 成 单相接地故障选线准确率 低 的 原 因 ， 除 了装置 工 作 环境噪声污染严重外 ， 一 个重要 的 原 因就 是一 些 装置的 安 装 需要考虑电压 互感器 或电流 互感器 的极性， 一 旦 极性接 错 ，就得 不 到 正确的选线 结果 。 文献 [6]利 用零序电流的有功功率方 向 ， 以 零序电压作为 参考矢 量，比 较 故障线路的零序电流与零序电压的相 位 和非故障线路与零序电压的相 位 关系 进行 选线， 但 若 电压 互感器 的极性接 反 或有的电流 互感器 的极性接 反将 不能正确地确 定 故障线路。 文献 [8] 首先计算 所 有 馈 线零序有功电流的相量和， 并 选 取 该相量和的 垂 直 线作为 参考轴 ， 再对 所 有 馈 线的 基波 零序电流 在 参考PDF 文件 使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版本创建 www.fineprint.com.cn第 29 卷 第 3 期 电 网 技 术 77 轴 的 投 影上进行 比 较 。故障 馈 线接地电流的 投 影 与各条 非故障 馈 线零序电流的 投 影 不 仅 相 位 相 反 ， 而且数值最大 。 若某些馈 线 上 的电流 互感器 的极性接反 ， 也 将 不能 实 现 正确的故障选线。为 此 ， 本文 提出 一种 新的故障选线方法 —— 零序电流有功分量比幅选线法。该方法 以 零序电压为参考轴 ， 通 过 比 较 各馈 线的零序电流相 对 于 该 参考轴 的 余 弦 分量， 此 余 弦 分量的 数值最大 的 馈 线 即 为故障线路。 此 种 选线方法 易 于实 现 ， 适 用 于 不 同 中性点接地方式的配电网，与零序电压和零序电流的极性无关， 现场 接线不 需考虑 电压 互感器 和电流 互感器 的极性。 Matlab 仿真表明该方法能准确地识别出故障线路。2 单相接地故障分析中性点非有效接地系统 发生 单相接地故障 时 ，其 零序等效网 络 如 图 1 所 示 。 以 A 相接地为 例 ， Rg为接地点 过渡 电阻， K 1、 K 2 为中性点接地方式 模拟开 关， 在 分 析 中性点不接地网 络时 ， K 1、 K 2 都断开 ；在 分 析 中 性 点 经 消 弧 线 圈 接 地 网 络 时 ， K 1闭 合 ， K 2 断开 ，消弧线圈阻 抗 jL L LZ R X= + ， RL为消弧线圈 回 路电阻， XL 为消弧线圈 感抗 ； 分 析 中性点经高阻接地 时 ， K 1断开 ， K 2 闭 合 ， RN 为中性点接地电阻。 母 线零序电压为 0U& 。I 0Ⅰ~ CⅠCⅡCⅢ˙I0 Ⅱ˙I0 Ⅲ˙ⅠⅡⅢIf˙RgRNZLK 1 K 2I0N˙图 1 中性点非有效接地系统零序等效网络Fig.1 Zero sequence equivalent network with floating neutral 由 图 可知 ，故障线路 ΙΙΙ 始端 所 反 映 的零序电流为0 0 0 0[( ) ]NI I I IΙΙΙ Ι ΙΙ= - + +& & & & (1) 非故障线路 Ι 、 ΙΙ 始端 反 映 的零序电流为0 0jI C UωΙ Ι=& &0 0jI C UωΙΙ ΙΙ=& &不 同 中性点接地方式 下 中性点 对 地电流 0NI& 如 下：（ 1）中性点不接地方式 下 0 0NI =& ，式 (1)变 为0 0 0( )I I IΙΙΙ Ι ΙΙ= - +& & &故障线路和非故障线路中 均 流 过容 性电流， 它们 与零序电压的 矢 量关系 如 图 2(a)所 示 。（ 2 ） 中 性 点 经 消 弧 线 圈 接 地 方 式 下00 jL LN R XL LUI I IR jX= = ++&& & & ，不 管 消弧线圈 运 行于过补偿 、 欠 补偿 或 跟踪 补偿 （全 补偿 ） 状 态 ，故障线路中 均 有有功电流和无功 （ 感 性或 容 性）电流，非故障线路中 只 有 容 性电流。 过补偿 时 ， 它们 与零序电压的 矢 量 图 如 图 2(b)所 示 。（ 3）中性点经高阻接地方式 下 00NNUIR=&& ，故障线路中有阻性 （ 有功）电流和 容 性电流，非故障线路中 只 有 容 性电流， 它们 与零序电压 间 关系的矢 量 图 如 图 2(c)所 示 。I0Ⅰ˙I0Ⅱ˙ I0Ⅲ˙U0˙(a)中性点不接地 (b) 中性点经消弧线圈接地I0Ⅰ˙I0 Ⅱ˙I0Ⅲ˙U0˙LRI&LXI&(c) 中性点经高阻接地I0Ⅰ˙I0Ⅱ˙I0Ⅲ˙U0˙I0N˙图 2 各种中性点接地方式下单相接地故障零序电压、电流矢量图Fig.2 Vector diagrams of zero-sequence voltage and current under single phase to ground fault in distribution networks with different neutral grounding modes 可见 ，故障线路中的零序电流比非故障线路中的 大 ，方 向也 不相 同 ； 在 中性点经消弧线圈或高阻接地方式 下 ，故障线路的零序电流中有有功分量，且 与零序电压方 向 相 反 ，非故障线路中 没 有有功分量。 这 就 是 本文 引言部 分提 到 的 基于 功率 （ 包括无功和有功）方 向 选线 原理 的 理 论依据 。3 零序电流有功分量比幅选线原理及实现3.1 选线原理根据 上 述 故障 特征 和 图 2 中 各 种 情况下 的 矢 量图 ， 以 母 线零序电压 0U& 所在直 线为 参考轴 ， 将 所有 馈 线的 基波 零序电流 在 参考轴 上 投 影 。 对 中性点经消弧线圈接地系统或中性点经电阻接地系统， 由矢 量 图 2(b)、 2(c)可见 ， 将各馈 线零序电流 向 参考轴投 影 ，不 管 各馈 线零序电流的极性 如 何 ，故障线路零序电流的 投 影 数值都 为 最大 ，非故障线路零序电流的 投 影 数值 为零。 对 于 中性点不接地系统， 由矢 量 图 2(a)可见 ，故障线路和非故障线路的零序电流 在 参考轴 上 的 投 影 都 为零，不能 区 分出故障线路， 将 所 有 馈 线的零序电流 旋转 90° 后 ， 再 向 参考轴投 影 。不 管 各馈 线零序电流的极性 如 何 ， 由于 故障线路的零序电流 最大 ，故 其投 影 数值 也 最大 。 因PDF 文件 使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版本创建 www.fineprint.com.cn78 Power System Technology Vol. 29 No. 3 此 ，零序电流 在 参考轴 上 的 投 影 数值最大 的 馈 线为故障线路。 这 就 是 零序电流有功分量比幅 原理 。对 中性点经消弧线圈接地系统， 目 前 主 要 采用消弧线圈 并 （串 ）电阻 运 行 的 派 生 接地方式， 且 消弧线圈 本 身 的有功 成 分 较 大 （ 实测 单相接地 时其 有功电流 达 2~3A） 。 当 此 系统 发生 接地故障 时 ， 故障线路 始端 所 反 映 的零序电流 在 参考轴 上 的 投 影 数值 会很 大 ，非故障线路 始端 所 反 映 的零序电流 主 要是容 性的， 在 参考轴 上 的 投 影 很 小， 因此 上 述 原理可 行 。对 中性点经高阻接地系统，中性点电阻中流 过阻性电流，该电流经故障线路流 通而 不经 过 非故障线路。故障线路 始端 所 反 映 的零序电流 既 有阻性电流 又 有 容 性电流， 在 参考轴 上 的 投 影 数值 会很 大 ，非故障线路 始端 所 反 映 的零序电流 主 要 是容 性的，在 参考轴 上 的 投 影 数值 很 小， 因此 上 述 原理也是 可行 的。对 于 中性点不接地系统，当 发生 接地故障 时 ，流 过 故障和非故障线路的零序电流 皆 为 容 性 且 故障线路的零序电流为 所 有非故障线路零序电流的和 在 参考轴 上 的 投 影 数值都 很 小。 各馈 线零序电流任意 方 向 旋转 90° 后 再投 影 ， 因 故障线路的零序电流为 所 有非故障零序电流 之 和， 在 参考轴 上 的 投 影数值最大 。 因此 该 原理是 可 行 的。 此时 ，该方法与零序电流 群体 比幅 原理 [3]相 同 。综上所 述 ，零序电流有功分量比幅选线 原理 适用 于 各 种 中性点接地方式。该 原理以 零序电压 所在的 直 线为 参考轴 ， 所以 不 需要 零序电压 向 量的方向 ； 每 条馈 线的零序电流 在 选 定 的 参考轴 上 投 影 ，只 考虑投 影 值 的 大 小， 因此 ，与 各馈 线零序电流的方 向 无关。 可见 ， 基于 该 原理 的选线装置 实 现 简 单而且 与 PT 和 CT 的极性 均 无关系。3.2 原理的实现从 PT 开 口三角 处取得 零序电压 0U& ， 由 每 条馈线的零序 CT 获 得其 零序电流 01 02 0, , , nI I I& & &L ， n 为 母线 上所 有 馈 线 数 。用 傅立叶 算 法 很 容 易算 出零序电压和 每 条 出线零序电流的 基波 幅 值 和相 角 。 设 零序电压 基波 的相 角 为0U?∠ ， 馈 线零序电流的 基波 幅值 为 0iI ，相 角 为iI?∠ ， 1,2, ,i n= L 。 则 零序电压与 各 出线零序电流 之间 的 夹角 为0 ii U I? ? ?= ∠ - ∠ ，1,2, ,i n= L 。对 中性点经消弧线圈接地系统和经高阻接地系统， 各馈 线零序电流 在 参考轴 上 的 投 影 计算 方法如 下：0 cosi i iI I ?= ， ( 1,2, ,i n= L ) (2) iI ( 1,2, ,i n= L )中 最大 者为故障线路，当 1I , 2I ,L ，nI 的 差 别不 大时 ， 认 为 是 母 线故障。对 于 中性点不接地系统， 将 式 (2) 中的 cos i? ，（ 1,2, ,i n= L ） ， 都取 为 1， 则 式 (2)变 为0i iI I= ， ( 1,2, ,i n= L ) (3) 用与 上 述 同 样 的 判据 ， 即 可找 出故障线路。可见 ，该 原理 很 容 易 实 现 ， 对 硬 件 没 有 特 殊 要求 ， 软 件 运 算 也 不 复杂 。4 Matlab 仿真分析以 济南钢铁集团 第 一动 力 厂三降 压 变 电 站主接线为 模 型进行 仿真。 对 中性点不接地、经消弧线圈接地和经高阻接地 三 种 不 同 接地方式， 某 一 条 出线 发生 各 类 单相接地故障 状 态进行 了 模拟 。 各 类 接地故障 状 态特征 的 类 型 有 ： ① 故障相故障 时 刻 相电压 瞬 时 角 为 0° 、 30° 、 90° 三 种 不 同 情况 ； ② 过渡 电阻 变 化范围 为 0~1k ? ； ③ 消弧线圈接地方式 下 ， 消弧线圈 上并 、 串 电阻 从 0~100 ? ； ④ 中性点高阻接地方式 下 ，中性点电阻 变 化范围 为 70~300? 。 对各种 不 同 状 态 组 合进行 Matlab 仿真， 得 出 如 下 结果 ：（ 1）中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻接地 情况下 ， 上 述 各 种 故障 状 态及 其 组 合 情况 ， 都有 类 似 的 投 影 值 曲 线， 如 图 3 所 示 。 从 图 3 中 可 以看 出， 四 条 曲 线中， 只 有与故障线路 L4 对 应 的 投影 值最大 。（ 2）中性点不接地 情况下 ， 各 出线零序电流基波 投 影 值 曲 线 如 图 4 所 示 ， 只 有与故障线路 L4对 应 的 投 影 值最大 。 但在 出线 少 且 线路 长 度 相 差 悬5 0 I/A 5 0 (L1) 5 0 1010 0 200.0 0.1 0.2 0.3 t/s(L2) (L3) (L4) I/A I/A I/A 图 3 中性点经消弧线圈或高阻接地系统单相接地零序电流投影值曲线Fig. 3 The projection curves of zero-sequence currents in Peterson coil /high register neutral systemsPDF 文件 使 用 “pdfFactory Pro“ 试 用 版本创建 www.fineprint.com.cn第 29 卷 第 3 期 电 网 技 术 79 5 0 5 0 (L1) 5 0 1010 0 200.0 0.05 0.1 0.15 t/s(L2) (L3) (L4) I/A I/A I/A I/A 图 4 中性点不接地系统单相接地零序电流投影值曲线Fig. 4 The projection curves of zero-sequence currents in ungrounded neutral systems殊情况下 ， 短 线路 上发生 单相接地故障 时 ，故障线路零序电流的 投 影 值 和 长 线路零序电流的 投 影 值差 别不 大 。 这 种 情况下 ，有 可 能 误 选 较 长 的出线为故障线路。 但实际 配电网中， 此 种 出线 情况很 少 。（ 3） 上 述 两 种 情况下 ，改 变 零序电压 互感器和 任意 条 出线的零序电流 互感器 的极性， 都得 到 与上 述情况 相 同 的 结果 。5 结论本文 提出的与零序电压和零序电流极性无关的零序电流有功分量比幅选线方法的 特 点 如 下：（ 1） 以 母 线零序电压 所在 的 直 线为 参考轴 ，将各 出线零序电流 向 参考轴投 影 ， 以 投 影 数值 的 大小为 判据 ，与零序电压和零序电流的方 向 无关。（ 2） 对 中性点经消弧线圈接地和经高阻接地系统， 各 出线零序电流 直 接 向 参考轴投 影 ，不 同单相接地故障 状 态 下 ， 只 有故障线路的 投 影 数值最大 。（ 3） 对 中性点不接地系统， 各 出线零序电流旋转 90° 后 ， 再 向 参考轴投 影 ， 也 只 有故障线路的投 影 数值最大 。（ 4）该故障选线方法 适 应于 各 种 中性点接地方式的中 低 压配电网，选线装置的 现场 接线不 必 考虑 零序电压 互感器 和零序电流 互感器 的极性。参考文献[1] 中国电 机 工 程 学 会 自 动 化 专委 会 配电 自 动 化 分 专委 会 秘书 组 ．配电 自 动 化 分 专委 会 学 术 讨 论会 讨 论 中关 注 的 问题 [J]．电网技术，1999， 23(1)： 68-69．Secretary-group of Distribution Automation Committee of Chinese Society for Electrical Engineering． Attentive problems discussed in symposium by Distribution Automation Committee[J] ． Power System Technology， 1999， 23(1)： 68-69．[2] 桑 在 中， 张慧芬 ， 潘贞存 ，等．用 注入 法 实 现 小电流接地系统单相接地选线 保护 [J]．电力系统 自 动 化 ， 1996， 20(2)： 11-12．Sang Zaizhong， Zhang Huifen， Pan Zhencun et al． Protection for single phase to earth fault line selection for ungrounded power system by injecting signal[J] ． Automation of Electric Power Systems ， 1996，20(2)： 11-12．[3] 潘贞存 ．比相式和比幅式小接地电流系统接地选线 保护 [J]． 山东电力技术， 1991(3)： 60-64．Pan Zhencun． Protection based on comparing phase and magnitude for earth faulted line selection in small current neutral system[J]． Shandong Electrical Technology， 1991(3)： 60-64．[4] 何 奔腾 ， 胡 为 进 ．能量法小电流接地选线 原理 [J]． 浙江 大 学学报 ，1998， 32(4)： 451-457．He 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（ 1968-） ， 男 ， 讲师 ， 博士 研究生 ， 从 事 电力 设 备 故障 诊断 的 研究 ；桑 在 中 （ 1937-） ， 男 ， 教授 ， 长 期 从 事 电力系统 继 电 保护 的 研究与 研 制 工 作。（ 上 接 第 71 页 continued from page 71 ）护原理 充 分 利 用了故障 暂态信号 蕴含 的 丰富 信 息和小 波 变换 在信号 处 理 中的 优越 性能。 利 用线路的暂态 电压、电流小 波 变换 输 出 波 形相 似 性 构 成 的 保护 判据 能 实 现 线路 区 内 区 外 故障的准确 判 别， 在原理上 对 以 往 的 行波保护 有 一定 的改 进 。参考文献[1] 王 钢 ， 李海锋 ， 赵 建 仓 ． 基于 小 波多 尺 度 分 析 的 输 电线路 直 击雷暂态 识别 [J]．中国电 机 工 程 学报 ， 2004， 24(4)： 139-144．Wang Gang， Li Haifeng， Zhao Jiancang． Identification of transients on transmission lines caused by direct lightning strokes based on multiresolution signal decomposition[J]． Proceedings of the CSEE，2004， 24(4)： 139-144．[2] Dommel H W， Michels J M． High speed relaying using travelling wave transient analysis[A] ． IEEE PES Winter Meeting[C] ． New York，1978．[3] Chamia M ， Liberman S． Ultra high speed relay for EHV/UHY transmission lines—— development, design and application[J]． IEEE Trans on Power Apparatus and Systems， 1978， 97(6)： 2104-2116．[4] 苗 友忠 ， 孙雅 明， 杨 华 ． 中性点不接地配电系统 馈 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