一种中低压配电网单相接地故障选线新方法

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˙I 0Ⅲ˙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˙U 0˙(a)中性点不接地 (b)中性点经消弧线圈接地I0Ⅰ˙I0Ⅱ˙I0 Ⅲ˙U0˙LRI&LXI&(c)中性点经高阻接地I0 Ⅰ˙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78 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： 故障相故障时刻相电压瞬时角为 0° 、 30° 、 90° 三种不同情况； 过渡电阻变化范围为 0~1k ? ； 消弧线圈接地方式下，消弧线圈上并、串电阻从 0~100 ? ； 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 10100 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 systems第 29 卷 第 3 期 电 网 技 术 79 5 0 5 0 (L1) 5 0 10100 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)： 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