一种考虑合闸角大小的单相接地故障选线方法

陈涛

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原030001）

一种考虑合闸角大小的单相接地故障选线方法

陈涛

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西太原030001）

为了提高消弧线圈接地系统单相接地故障选线的准确性，提出一种先检测故障合闸角大小，然后分别采用故障合闸角小时的衰减直流分量法和故障合闸角大时的高频暂态电容电流小波包重构法联合来实现故障选线。经仿真研究表明，这种方法是合理有效的。该方法充分利用了合闸角大小不同时相应的故障特征，再分别启动相应选线判据的自动选线方法，具有较高的选线可靠性。

小电流接地系统；合闸角；选线判据；单相接地故障

0 引言

中压配电网的中性点接地经常采用经消弧线圈接地、经小电阻接地及不接地。小电流接地系统发生单相接地故障以后，虽然还可继续运行1～2 h，但若故障处理不及时，非故障相绝缘长时间承受过高的电压，接地电弧持续存在，仍可能使单相接地发展为两相接地故障，影响系统稳定及安全可靠供电。

由于接地电流较小，并且可能是间歇性电弧接地，接地电流不稳定，从而使基于稳态量的选线方式的效果受到限制。而故障之后的暂态电流较大，可达稳态接地电流的几倍甚至上百倍，所以，利用暂态电流特征的选线方法具有更高的准确性和可靠性。

暂态电流的大小受到故障合闸角、过渡电阻、故障位置、接地方式等多种因素的影响。对中性点不接地系统，采用比幅比相等方法，选线准确性是很高的。但对于消弧线圈接地系统，还没有哪一种方法能达到很好的选线效果，因此有必要进行进一步研究[1]。

一般的小电流接地系统单相接地故障发生在相电压峰值附近，是由于绝缘损坏造成的。但操作和实践经验表明，单相接地故障发生在相电压过零附近时的情况也时有发生。

1 故障暂态电流特性

中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地之后，故障暂态接地电流可包含两个部分：一是暂态电容电流分量；二是暂态电感电流分量。

图1 单相接地暂态电流的等效电路

图1中，U0为等效零序电源电压，RL为消弧线圈的电阻，L为消弧线圈的电感，L0为线路及电源变压器的等效电感，C为线路及电源的三相对地电容，R0为系统的等效电阻（其中包括故障点的接地电阻和弧道电阻）。

1.1 暂态电容电流

暂态电容电流的频率较高，在分析接地电流的暂态特性时，由于L＞＞L0，消弧线圈支路可不予考虑。由图1可列出方程：

1.2 暂态电感电流

根据暂态过程中消弧线圈的铁芯磁通表达式，并考虑RL＜＜ωL，得到消弧线圈中的暂态电感电流表达式：

由上式可见，IL由暂态直流分量和稳态工频分量组成，当电源电压φ=0的接地时刻，IL最大。

1.3 暂态接地电流

由于暂态电容电流和电感电流的频率相差悬殊，故两者不可能相互补偿。所以，工频状态下的残流、失谐度等概念，在分析暂态电流时均不适用。在暂态的初始阶段，暂态接地电流的特性主要由暂态电容电流的特性所决定，而接地电流的幅值与电源电压的初始相角有关。

当故障角较小时，暂态初始阶段的接地电流主要由暂态电感电流直流分量决定，高频暂态电容电流分量很小，其持续时间可达2～3个工频周波，当φ较大时，暂态电容电流分量很大，但持续时间很短，约为0.5～1.0个工频周期。当母线故障时，各线路的衰减直流分量都很小。

2 故障选线原理及判据

当接地处零序电压的相角θu0满足|θu0-90°|≥ 30°或|θu0+90°|＜30°时，θu0∈［-180°，180°］，故障点电流中零序衰减直流分量较大，而暂态高频电容电流比重较小，以零序衰减直流分量作为故障特征。当故障角较小时，不管是健全线路还是故障线路，暂态电容电流中的高频自由振荡分量都很小。而流过消弧线圈与接地点的暂态电感电流及其直流分量却很明显，振荡频率在0～50 Hz，所以，故障线路零序电流的能量主要集中在低频段。比较各线路零序电流中衰减直流分量的大小，就可以确定故障线路[2,3]。因此，可以分别采用故障合闸角小时的衰减直流分量法和故障合闸角大时的高频暂态电容电流小波包重构法来实现故障选线。

图2 算法流程图

3 仿真验证

仿真系统模型如图3所示。用电压源与串联内阻抗模拟无穷大电源系统，变压器为110/10 kV的YY0连接，线路长度lL1=3 km，lL2=6 km，lL3=9 km，lL4=12 km，lL5=15 km，lL6=20 km。线路正序阻抗Z1=（0.17+j0.38）Ω/km，线路正序对地导纳B1= j3.045μs/km，零序阻抗Z0=（0.23+j1.72）Ω/km，零序对地导纳B0=j1.884μs/km。负荷都用等效阻抗ZL=（400+j20）Ω代替，消弧线圈等效电感LN=8.02 H，消弧线圈电阻RN=5Ω。

3.1 电源合闸角较大时的仿真结果

假定故障发生在线路L3上距离母线4 km处，接地过渡电阻为20Ω，0.02 s的时刻发生单相接地短路。针对暂态量选线问题的特点，选择紧支集正交小波是必要的。在db N小波系中，比较各小波的时域和频域特性来选择最佳小波。综合考虑上述规则，本文基于小波包分解的暂态选线判据，选用频率特性较好的db10小波，分解层数选为5层。因为暂态电容电流的振荡频率在300～3 000 Hz之间，所以选择的采样频率为6 400Hz。当零序电压相角较大时，选择每条线路模极大值所在的频段为故障特征频段SFB（Special Frequency Band），然后再比较各线路特征频段的模极大值点的大小与极性，选择幅值最大且极性与其他线路相反的为故障线路。如果各线路模极大值点的大小与极性均相差不多，则判定为母线故障。当零序电压初相角较小时，根据分频特性，尺度5下频段[5，0]所含信息是0～100 Hz的信号。对于中性点经消弧线圈接地系统故障零序电流来说，该频段的信号即为低频暂态电感电流及其衰减直流分量。由此，再对该频段的信号进行重构即可得到各线路的衰减直流分量。通过比较各线路零序电流中衰减直流分量和基频分量所占的比重，就可以准确地检出故障线路。

图3 故障选线的ATP仿真模型

从表1可以明显看出，线路L3为故障线路，选线结果正确。

3.2 电源合闸角较小时的仿真结果

表1 各条线路的模极大值分布

图4 L1、L2、L4、L5、L6低频重构信号的幅值与时间关系

图5 L3低频重构信号的幅值与时间关系

图6 L1、L2、L4、L5、L6低频重构信号的功率谱

图7 L3低频重构信号的功率谱

图4、图5为低频重构信号的幅值与时间的关系，图6、图7为低频重构信号的功率谱。零序电压初相角较小时，由此可见，线路L3的直流分量明显比其他线路要大，因此判定线路L3为故障线路，选线结果正确。

4 结论

对于经消弧线圈接地系统，当不在电压最大值附近发生单相接地故障时，将会有衰减直流分量产生，且在过零附近更为明显。本文根据这一特性介绍了一种基于衰减直流分量的自适应故障选线方法，它在发生电压过零故障时具有很高的灵敏度。该方法与暂态量选线方法配合使用可以构成完整的故障选线方案。大量仿真表明该方法在满足其选线方案启动条件时，选线是准确、有效的。

［1］赵劲枫，曾祥君，周志飞，等.一种新的融合算法在小电流接地系统故障选线中的应用［J］.湖南电力，2009，29（6）：8-12.

［2］周登登，刘志刚，胡非，等.基于小波去噪和暂态电流能量分组比较的小电流接地选线新方法［J］.电力系统保护与控制，2010，38（7）：22-28.

［3］Wang Yaonan，Huo Bailin，Wang Hui，et al.A new criterion for earth fault line selection based on wavelet packets in small current neutralgroundingsystem［J］.Proceedingsof theCSEE，2004，24（6）：54-58.

A Single-phase Grounding Fault Line-selection M ethod Considering the Range of Sw itching Angle

CHEN Tao
（State Grid Econom ic and Technical Research Institute of Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

In order to improve the accuracy of single-phase-to-earth fault line-selection in the arc suppression coil grounding system，a new detectingmethod is proposed.The theory of themethod is that firstly detecting the range of switching angle and then respectively employing decaying DC componentmethod when the fault switching angle is small and high-frequency transient capacitive currentwavelet packet reconstructionmethod when the angle is large to realize fault line selection.The simulation results show that this method is reasonable and effective.Themethod takes full advantage of the fault characteristics corresponding to differentmagnitude of switching angle and then starts the automatic line-selectionmethod.Therefore，themethod hasahigher reliability for line-selection.

smallcurrentgrounding system；switchingangle；line-selection criterion；single-phasegrounding fault

TM771

A

1671-0320（2014）04-0012-04

2014-03-20，

2014-06-22

陈涛（1981-），男，山西阳泉人，工程师，2004年毕业于山西大学电子科学与技术专业，从事线路设计工作。