配电网小电流单相接地故障选线方法应用比较

科技信息0.引言在配电网中， 发生单相接地故障的概率占到总故障的 80% 左右， 如何准确并快速检测隔离故障线路， 成为配网自动化研究的一个重要课题。我国配电网中普遍采用中性点非有效接地系统， 具体分为： 中性点不接地系统 （ NUS） 、 中性点经消弧线圈接地系统 （ NES） 、 中性点经高阻接地系统 （ NRS） 。小电流接地系统发生单相接地故障时， 故障电流稳态分量幅值较小， 信号的检测和故障选线难度变大。尤其是对于中性点经消弧线圈接地系统 [1]。目前， 已提出的接地故障选线方法大体可以分为两大类： 1） 利用单相接地故障后与故障电流相关的特性来进行选线； 2） 通过人为产生注入信号， 并借助此信号来进行选线。其中， 利用故障信号的方法又可分为故障信号稳态分量法和暂态分量法两类。1.小电流接地系统故障信号特征分析1.1故障稳态特征信号分析小电流接地系统中的中性点不接地系统 （ NUS） 单相接地时 （这里假设线路 1 的 A 相发生故障 ） ， 当线路 1中 A 相接地时， 全系统的电容电流分布如图 1 所示。在非故障线路 2中， 线路始端的零序电流为： 3 I?02 = I?B2 + I?C2 。在非故障线路 3中， 线路始端的零序电流为： 3 I?03 = I?B3 + I?C3 。当线路 1 的 A 相发生接地故障时， 系统稳态的电容电流分布和零序等效网络分别如图 1和图 2 所示。图 1 单相接地时电容电流分布图图 2 单相接地时的零序等效网络图由图 1 和图 2可以看出， 小电流单相接地故障的稳态电气量具有以下特征：（ 1） 流过故障点的电流数值是正常运行状态下三相对地电容电流之和；（ 2） 非故障线路中流过的零序电流为线路本身的对地电容电流， 由母线流向线路， 零序无功功率实际方向由母线流向线路；（ 3） 故障相中故障线路流过的零序电流为电网所有非故障线路对地电容电流的总和， 由线路流向母线， 幅值一般远大于非故障线路。零序无功功率实际方向由线路流向母线。中性点经消弧线圈接地系统 （ NES） 单相接地， 经消弧线圈向接地点注入一个感性电流来抵消接地点的容性电流。与不接地系统相比，谐振接地系统单相接地故障时有以下特点：（ 1） 母线处故障线路的零序电流是本身对地电容电流与接地点残余电流之和， 由母线流向线路， 与非故障线路零序电流的方向一致；（ 2） 由于过补偿度不大， 残余电流比较小， 故障线路零序电流的幅值较中性点不接地情况大为减少， 甚至会小于非故障线路的零序电流。1.2 小电流接地系统故障暂态信号特征分析 [2]小电流接地系统发生单相接地故障时， 会出现强烈的振荡过程， 暂态信号幅值大、 频谱范围广。利用暂态信号进行接地选线可以克服稳态选线法灵敏度低， 受消弧线圈影响的缺点。暂态电容电流可看成是两个电容电流之和：（ 1） 由故障相 A 相电压突降而引起的放电电容电流， 由母线流向故障点， 放电衰减很快， 振荡频率高达数千 Hz。（ 2） 由非故障相 B、 C 相电压突然升高而引起的充电电容电流， 它通过电源、 故障点形成回路， 如图 1 所示。电感的作用电流衰减很慢， 振荡频率较低， 为数百 Hz。2.基于稳态量的选线方法2.1 群体比幅比相法 [3]群体比幅比相法将传统幅值法与比相法综合， 先对所有线路上零序电流的幅值进行比较， 选出幅值较大的线路作为候选， 再在此基础上利用比相法选出相位与其他不同的进行故障选线。此方法是为了避免比相法中出现的 “时钟效应” ， 先通过比幅法进行幅值选大， 但是不能排除电流互感器不平衡电流及过渡电阻的影响，造成误判。2.2 五次谐波分量法 [4]由于非线性元件的影响， 故障电流中有大量的谐波信号， 高次谐波电流中主要为五次分量。根据各出线中零序电流的五次谐波分量的幅值和相位进行故障选线。此方法能解决中性点经消弧线圈接地系统的选线问题。由于五次谐波的含量与基波相比还是很小， 容易受到负荷的五次谐波源、 过渡电阻的影响， 并且不稳定， 在实际选线中效果不理想。2.3 基于有功分量的选线方法 [5]中性点经消弧线圈接地系统对零序电流的有功分量不能补偿， 对所有线路上的有功分量进行幅值和相位的比较来进行选线。故障线路上的零序电流有功分量幅值要比非故障线路上的大， 方向相反。检测中性点零序电压和各出线零序电流， 通过幅值相位比较进行故障选线。由于稳态零序电流幅值小， 有功分量分解困难且分解后幅值更小，该方法在有功分量较小的情况下易出误差。2.4 最大 Δ( I sin φ ) 原理 [6]最大 Δ( I sin φ ) 原理是为了消除电流互感器不平衡电流的影响， 将所有线路故障前后的零序电流投影到故障线路的理论零序电流方向上， 计算各线路故障前后的投影值之差， 找出差值的最大值， 即为最大Δ( I sin φ ) 。若此值大于 0 则为故障线路， 否则为母线故障。该方法计算量太大， 当参考信号有问题时， 算法会失效。2.5 负序电流选线法 [7]发生单相接地故障， 负序电流由故障点处流向电源及非故障线路，故障点负序电流大小等于流向电源和线路的负序电流之和， 故障线路的负序电流远大于非故障线路的负序电流， 方向与非故障线路及电源的负序电流方向相反， 通过比较各出线负序电流的大小和方向进行选线。该方法不受中性点接地方式和弧光接地的影响， 虽然中性点接地方式对负序回路不造成影响， 但是它会影响故障残余电流的大小， 使负序电流变小， 线路的选线精度降低。3.基于暂态量的选线方法消弧线圈对高频分量相当于开路， 因此中性点不接地系统与经消弧线圈接地系统的暂态过程基本相同。3.1 首半波法 [8]首半波法的提出是根据接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一前提假设情况， 发生故障的第一个半周期内， 故障线路零序暂态电流值远大于非故障线路， 且方向相反。多数故障情况下， 首半波法所依据的前提无法成立， 倘若故障发生在相电压过零值的附近时， 首半波电流的暂态分量值较小， 容易出现误判。3.2 小波分析法 [9]提取暂态信号的特征量， 小波函数的时间和频带选择适当的小波配电网小电流单相接地故障选线方法应用比较三峡大学 陈红艺 康 毅 刘敬之［ 摘 要 ］ 中性点非有效接地系统由于其供电可靠性， 被广泛应用于我国的配电网中。此类系统发生最多的是单相接地故障， 如何快速准确地检测出故障线路是电力系统继电保护的重要研究课题。本文对几种典型小电流接地系统单相接地故障选线方法进行分析比较归纳， 并提出了现今研究的难点和方向。［ 关键词 ］ 小电流接地系统 单相接地故障 故障选线—— 187