调容式消弧系统的故障选线分析

白永明，付周兴

（1.陕西煤业澄合矿业公司机电动力部，陕西西安715200；2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054）

1 引言

小电流接地系统发生单相接地故障时，由于短路电流小，三相线电压依然对称，不影响负载的正常工作，可以继续运行一定时间，所以，在中压配电网及矿井供电系统中得到了广泛的应用。但是小电流系统的接线方式，在发生单相接地后，非接地相对地的电压会升高，如果通过接地点的残流大于10A，所产生的电弧就不能自行熄灭，间隙性电弧接地时还会产生弧光过电压，长期运行可能会损坏其绝缘，引发严重的相间故障。所以，在系统出现单相接地故障后，应立即找出故障线路，设法使接地设备从系统中切除。

电网对地分布电容的存在是接地点产生故障电流的主要原因，在电网的中性点与大地之间加装消弧线圈，可使容性电流得到补偿，从而使接地点的电流减小。特别是消弧线圈跟踪补偿，根据实际电网电容电流的大小，自动调节消弧线圈产生的感性电流，使两者处于平衡状态，从而使接地电流减小为量值很小的有功电流，电弧将不能维持，会自行熄灭。跟踪补偿能使瞬时性接地故障自动消除，也能使永久性接地故障的危害程度大为降低，是减小故障损失的主要技术措施。

接地故障自动选线，快速地找出故障线路，有利于减小系统带故障运行的时间，也是减小接地故障损失的重要技术措施。为实现配电网电容电流的自动补偿，本文以调容式自动跟踪补偿系统为研究对象，提出系统发生单相接地时，消弧线圈和小电流接地选线一体化的新方法。

2 消弧装置对小电流接地选线的影响分析

系统安装消弧线圈补偿装置使得接地故障零序电流变小、电弧自行熄灭，这是小电流接地系统的优点。但是微弱的零序电流往往混杂在各式各样的干扰信号中间，为判断故障进行准确选线增加了难度。长期以来，人们针对这个问题做了大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，开发出选线装置并在实际工作中得到了一定的应用。从现场使用情况来看，这些方法的选线效果并不十分理想，普遍存在误选、漏选的情况。其主要原因在于：

（1）消弧线圈接地系统的零序阻抗大，并受接地故障过渡阻抗以及各种干扰因素的影响，故障电流比较微弱，故障线路与非故障线路的区别不明显。

（2）接地形态复杂多变，例如有金属接地、雷击放电接地、树枝接地、电阻接地、绝缘不良接地、电弧接地等，就电弧接地又包括短间隙放电电弧、长间隙放电电弧、间歇性电弧等，所以，故障选线装置测量到的故障特征量（如零序电流、零序功率方向等）具有很大的不确定性。目前，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效。

3 小电流接地系统各种选线方法

目前，在小电流选线装置中，采用的方法有：比幅比相方法、无功功率方法、小波方法、暂态能量方法、能量方法、负序电流法、注入方法等。

3.1 零序电流比幅算法

这种方法是基于早期的继电保护原理，适用于中性点不接地系统。当中性点不接地系统发生单相接地故障时，流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大。因此，只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。从理论上看，这种方法不够完备，因为系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它线路电容电流之和。在这种情况下，当这条线路发生接地故障时，就会出现拒动的情况。这种方式的单一判据方式，不能排除电流互感器不平衡的影响，它受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等许多情况的影响，从而导致误选、多选、漏选。

3. 2群体比幅比相算法

群体比幅比相算法适用于中性点不接地系统。其基本原理是先进行各馈线回路的零序电流比较，选出几个幅值较大的作为候选，然后再进行相位比较，选出零序电流方向与其它零序电流方向不同的，即为故障线路。该方法还引入零序电压作为参考正方向。实践和理论分析证明，零序电压幅值大，波形稳定，以其作为参考正方向，可保证参考正方向的稳定性。群体比幅比相算法利用故障信息之间的相对关系，克服了采用“绝对整定值”原理上的缺陷，通过选取幅值较大的线路作为候选线路的方法，在一定程度上克服了电流互感器等不平衡带来的影响。但是当系统的中性点经消弧线圈接地时，因为消弧线圈对故障线路电流的补偿作用，此时群体比幅比相算法就不适用了。

3.3 有功分量法

有功分量法基本原理是：当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，提取各条线路的零序有功分量。非故障线路的零序有功分量方向由母线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值：而故障线路的零序有功分量方向由线路流向母线，其大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。利用各线路零序有功分量的幅值大小和相位关系就可以确定故障线路。有功分量方法克服了消弧线圈补偿带来的影响，在谐振接地系统中，故障线路的零序有功分量的大小比中性点不接地时更大，故障特征更明显，更有利于选线。但是，线路的有功损耗相对较小，有功分量算法的故障信息同样不够突出。受电流互感器不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且，由于三相电容不平衡引起的“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影响也较大。

3.4 无功功率方法

无功功率方法是比较传统的方法，在欧洲应用的较为广泛。这种方法是通过计算各条线路的容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法也是利用了容性电流的幅值与方向，从本质上讲，无功功率法和比幅比相方法一致。

3.5 次谐波分量算法

次谐波分量算法原理是：谐振接地系统中的消弧线圈其参数是按照基波整定的，即有：ωL≈1／ωC，则：5ωL≈1／5ωC，可以忽略消弧线圈对 5 次谐波产生的补偿效果，因此零序电流5次谐波分量在中性点经消弧线圈接地系统中有着与中性点不接地系统中零序电流基波无功分量相同的特点，即可解决中性点经消弧线圈接地系统的选线问题。但是五次谐波的含量占基波的比例很小，且负荷中的五次谐波源、电流互感器的不平衡电流和过渡电阻的大小，都会一定程度上影响选线结果。并且，由于系统本身可能存在谐波源，以及在负荷不对称，特别是当系统发生相间短路或三相短路时，由于测量回路的元件饱和而产生大量的5次谐波，将导致基于谐波分量比较法的选线判据失败。所以，实际中应用5次谐波分量进行故障选线的装置效果很不理想。

3.6 小波算法

由于稳态时故障信息比较微弱，人们发明了小波算法。小波分析是一门现代信号处理理论与方法，它能有效地分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分。而小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性回路，故障突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大，特别在发生弧光接地故障或间歇性电弧接地情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。可利用暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和，并且方向相反来选线。小波选线方法的优点是：该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用，特别适应于故障状况复杂、故障波形杂乱的情况，这与稳态量选线方法形成优势互补。但是小波算法采用的暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素的影响，暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点，有可能出现暂态过程不明显的情况，在这种情况下小波算法就漏选、误选的情况。

3.7 注入信号寻踪法

该原理通过运行中的电压互感器向接地线注入信号，利用信号寻踪原理，实现故障探测。该装置由主机和信号电流探测器两部分构成，主机发出的信号通过电压互感器二次侧端子接入，并由故障线路接地点流回。信号探测器插在主机内部或安装在各条出线绝缘距离以外探测选线。由于故障选线通过注入信号实现，所以无需使用零序电流互感器，也与电流互感器的接线方式无关。但注入信号强度受TV容量限制，过渡电阻较大或接地点存在间歇性电弧现象时检测效果欠佳；系统分布电容较大时，也会降低选线准确率；在电磁干扰及噪声严重的现场环境下容易出现误判。对注入信号的有效检测有待改进。

4 调容式补偿消弧控制器与小电流接地一体化故障选线的分析

虽然消弧线圈使接地零序电流减小，为判断故障进行准确选线增加了难度，但利用调容式补偿消弧控制器的可控性，完全可以使其与小电流选线装置相配合，以提高选线装置的性能。调容式消弧控制器与选线装置的协同工作，当发生单相接地故障后，在5%的脱谐度范围内调节消弧线圈电感量（由0逐渐调节为－0.5），故障线路零序电流的变化量较大（故障线路零序电流变化量与消弧线圈电感电流变化量之比 ΔI／ΔIL≥0.7），而非故障线路零序电流的改变量很小，故障信息特征十分明显，并且此特点与接地点位置、接地线路的长短及线路的性质没有关系。

选线判据的理论分析：

（1）单相接地时各线路零序电流表达式

设线路l1发生单相金属性接地故障，其等效零序网络，如图1所示。设母线中性点电压为UN，接地点零序电压为U0。根据节点电压法对UN节点列出方程如下：

式中

图1 单相金属接地等效零序网络图

（2）调节消弧线圈电感量时，各条线路零序电流的变化量由式（1）、（2）、（3）可求得：

各回路零序电流的稳态基波分量，它与谐波及暂态过程无关，也与接地故障发生时电源电压初相角无关，其变化量不受线路结构不对称的影响。

5 系统框图及软件流程图

根据上述分析，得出了基于DSP2812调容式自动跟踪消弧补偿装置与小电流接地选线一体化的总体设计框图，如图2所示。

图2 系统总体结构框图

本方案中，共有8个模块，电压形成及采样前置处理电路、A／D转换电路、CPU模块、按键模块、RS485模块、补偿控制装置模块及其LCD模块，RAM模块、FM31256存储器模块。DSP2812由于具有强大的数据处理能力而作为整个系统的核心处理器件；按键及LCD作为整个系统的人机交互，触发装置是系统的执行环节。RS485是消弧装置与系统上位机，终端的实时通讯；动态RAM是系统动态数据及程序存储器；FM31256保存各种整定参数及故障数据。

系统工作流程图，如图3所示，系统上电初始化，装置测量系统对地电容电流，DSP发出测量命令，断开消弧线圈，A／D采集系统来自PT柜的开口三角形电压U0，然后接入消弧线圈，调节电容控制柜，改变系统的脱谐度，采集系统的中性点位移电压UN，位移电流IL，计算出系统的对地电容电流，调整消弧线圈档位在谐振档位，然后实时监测系统中性点位移电压UN，当UN＞0.15Uφ时，采集系统母线电压Ua、Ub、Uc，判断是否发生单相接地，如果发生单相接地，DSP发出命令，让系统工作在谐振补偿状态，使流过接地点的残流近似为零，采集各馈线回路的零序电流，然后，调节消弧补偿系统相过补偿的方向调节一个档位，采集各馈线回路的零序电流，进行小电流选线工作，同时进行故障记录，存储在存储器FM31256中，通过RS485通信，把相应故障及选线数据发送到上位机等。RAM作为系统临时数据处理的数据及程序存储器，FM31256存储系统故障数据、系统给定参数及系统时钟的产生，并把相应的参数在LCD显示出来。

6 结论

图3 系统软件流程图

通过对现有选线方法及选线系统面临问题的分析，提出以DSP2812为系统数据处理核心，调容式消弧控制器与选线装置的协同工作，当发生单相接地故障后，在5%的脱谐度范围内调节消弧线圈电感量（由0逐渐调节为－0.5），利用改变系统单相接地时消弧补偿系统的脱谐度来计算各馈线回路的零序电流的变化量取出故障线路，理论分析表明，该方法提取的故障信息特征十分明显，并且与接地点位置、接地线路的长短及线路的性质及其零序电流互感器的接线方向均没有关系，能够准确地实现小电流接地系统单相接地故障的选线，并且无需区分暂态和稳态过程。

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