小电流接地系统故障选线的暂态零序电流变化率方法

魏臻珠，蒋建东，陈 帆，杨海波

(1.郑州大学 电气工程学院，河南郑州450001;2.卫辉市电业局，河南卫辉453100)

0 引言

我国6～35 kV配电网中性点的接地方式为小电流接地系统，在小电流接地系统中最常发生的是单相接地故障.故障点电流较小且受电压初相角及故障点接地电阻等因素的影响，使得故障线路与非故障线路的判断比较困难.

根据所用电气量的不同，故障选线方法分为基于稳态信号的选线方法和基于暂态信号的选线方法.基于稳态信号的选线方法有群体比幅比相法、最大ΔIsinφ法、谐波法、负序分量法、零序导纳法和注入信号法［1-6］等.稳态选线方法由于受线路长短、系统运行方式和过渡电阻的影响，灵敏度低，不能有效判断瞬间接地故障和间歇性接地故障，且不适用于中性点经消弧线圈接地系统和经电阻接地系统.暂态选线方法主要有首半波法、行波法、暂态能量法和小波法［7-10］等.暂态分量中含有丰富的信息量，基于暂态信号的检测方法灵敏度高而且不受消弧线圈的影响，不仅能判断稳定接地，而且能判断瞬时接地和间歇性接地.

笔者根据小电流接地系统单相接地时故障线路与非故障线路暂态电流变化率的不同，构造了利用线路暂态零序电流变化率的接地选线判据.用Matlab中建立的小电流接地系统仿真模型，对不同条件下的单相接地故障进行了仿真分析，验证了文中方法的有效性.

1 暂态零序电流的特点

1.1 小电流接地系统故障暂态电流的特点

补偿电网发生单相接地故障时，流过故障点的暂态接地电流由暂态电容电流ic和暂态电感电流il两部分组成，ic和il都包含暂态衰减分量和稳态交流分量.在暂态初始阶段，电容回路衰减时间常数τc数值较小，ic衰减较快，其振荡频率主要由暂态分量决定，频率较高;电感回路的衰减时间常数τl较大，il衰减较慢，频率较低.两者频率差别悬殊，不能互相补偿，因此暂态初始阶段的暂态接地电流主要由暂态电容电流的特性决定.这使得不同接地方式的小电流接地系统暂态零序电流分布相同.

1.2 暂态零序电流仿真分析

根据文献［11］对中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统的单相接地故障仿真，线路的零序电流分别如图1和图2所示.

从图1、图2可以看出，单相接地故障瞬间各线路将产生一个零序电流突变量，故障线路零序电流突变的幅值等于非故障线路零序电流突变的幅值之和，故障线路零序电流突变的方向与非故障线路零序电流突变的方向相反，所有非故障线路的零序电流突变方向相同.基于这些特征，笔者通过比较各线路暂态电流变化率的差异来判别故障线路与非故障线路，幅值最大且方向与其它线路方向相反的线路为故障线路.

2 选线判据

根据分析，定义零序电流变化率如下式

式中:t0为线路零序电压大于启动电压的故障发生时刻;T为故障后的特征时刻，从提高检测灵敏度和易于实现的角度出发，笔者定义故障后半个周期内线路暂态零序电流最大的时刻为选线特征时刻T，此时故障线路与非故障线路零序电流特征最明显.

由式(1)计算得到n条线路的零序电流变化率pi(i=1，2，…，n)后，根据第1节中暂态故障电流的特点与选线原理，选线判据如下

同时满足式(2)、(3)的第k条线路暂态零序电流变化率最大，同时其方向与其它线路的方向相反，为故障线路.

3 仿真验证

利用文献［11］建立的模型对中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统、中性点经电阻接地系统在不同的故障位置、接地电阻、电压初相角、补偿度下进行了仿真.

3.1 中性点不接地系统仿真分析

3.1.1 不同电压初相角的仿真结果

设线路I在6 km处发生A相接地，故障接地电阻为15 Ω.表1为不同电压初相角的仿真结果及选线结果.

表1 不同电压初相角的仿真结果与选线结果Tab.1 Simulation results and fault line detection in different initial voltage angle

由表1可以看出该方法可有效判别不同电压初相角的单相接地故障.

3.1.2 不同接地电阻的仿真结果

设线路I在4 km处发生A相接地，电压初相角为90°.表2为不同接地电阻的仿真结果及选线结果.

表2 不同接地电阻的仿真结果与选线结果Tab.2 Simulation results and fault line detection in different transition resistance

由表2可以看出该方法可有效判别不同接地电阻的单相接地故障.

3.1.3 不同故障位置的仿真结果

设线路I发生单相接地故障，电压初相角为90°，接地电阻为10 Ω.表3为不同故障位置的仿真结果及选线结果.

表3 不同故障位置的仿真结果与选线结果Tab.3 Simulation results and fault line detection in different fault location

由表3可以看出该方法可有效判别不同故障位置的单相接地故障.

3.2 中性点经消弧线圈接地系统和经电阻接地系统仿真分析

限于篇幅，表4为两种接地方式下不同故障条件的部分仿真结果及选线结果.未给出的其它故障条件下的选线结果也都为线路I.

表4 中性点经消弧线圈接地系统和经电阻接地系统的仿真结果与选线结果Tab.4 Simulation results and fault line detection of small current neutral grounding through arc-suppression coil or resistance system

从表4可以看出，在中性点经消弧线圈以及中性点经电阻接地系统中，该方法可有效判别不同条件下的单相接地故障.

4 结论

笔者根据小电流接地系统单相接地故障发生后各线路暂态零序电流突变量的特点，提出了利用暂态电流变化率进行选线的方法.仿真结果表明，该方法不受系统中性点接地方式、电压初相角、过渡电阻的影响，选线灵敏度高，实用性强.

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