基于零序分量的配电网单相接地故障检测系统

王卓然，李　强，周飞航（西安理工大学，陕西西安710048）

基于零序分量的配电网单相接地故障检测系统

王卓然，李强，周飞航
（西安理工大学，陕西西安710048）

基于对配电网络输电线路发生的单相接地故障时的零序电压、零序电流进行实时分析，提出基于零序电流的故障定位方法适用于中性点不接地系统发生配电网单相接地故障。期间详细介绍了零序电压、零序电流的产生原理和相关特性，并提出零序电流采集系统的基本结构、对零序电流的滤波以及放大处理，分析了零序电流相位的提取和计算，总结了应用零序电流在故障定位中的应用前景。

配电网；单相接地故障；零序分量；故障检测与定位

1　引言

电力作为国家生产和人民生活必不可少的基础性能源，在国民经济快速发展的过程中发挥着不可替代的重大作用。随着国家经济的高速发展，电力系统配电网的网络拓扑规模越来越大，铺架的线路距离越来越远，电力系统配电网的稳定性与可靠性直接关乎国家生产的稳定与人民生活的幸福，一旦配电网发生单相接地故障时，需要第一时间定位故障点，并尽快排除故障［1－3］。

当下国内外很多专家学者致力于配电网单相接地故障检测的研究当中，对于配电网故障选线技术取得了一些成果，目前配电网单相接地故障的定位方法有很多种，如工人登杆检测法、阻抗法、信号注入法等，但效果都因为各种原因而不太理想。本文从零序电流、零序电压的特性出发，提出了基于零序电流相位的单相接地故障定位方法。本文提出的定位方法主要是基于零序电流互感线圈的使用和对零序电流相位的相关计算，下面将逐一介绍。

2　零序电流原理

电力系统中的供电线路是三相对称的，所以发生接地故障时短路电流分量也是对称的，在配电网输电系统发生不对称接地故障的时候，对称性就发生了相应的改变，配电网中会出现三相不对称的电压分量和电流分量。此刻需要对三相不对称的电路进行转换，使其变为三相对称电路来进行分析，在线性电路里应用叠加原理对电流分量进行叠加分析。

2.1接地故障点各分量分析

在三相电中，对于任意不对称的三相向量可分解为三组对称的分量：正序分量、负序分量、零序分量。假设三相向量分别为Fa、Fb、Fc，角标0、1、2分别代表零序分量、负序分量以及正序分量，即：

电网正常运行时，三相中只存在正序分量。一旦配电网发生单相接地故障时，系统中就会同时存在正序分量、负序分量以及零序分量，其中零序分量、负序分量会对电力设备造成严重的影响。当配电网发生单相接地故障时，正序分量表现为三相对称、大小相等，并且相位顺时针方向相差120°，负序分量也呈现出三相对称且大小相等，只不过相位逆时针方向相差120°，零序分量三相对称、大小相等、相位相同，并且只有在发生单相接地故障时才出现，如图1所示。

图1　三相向量分解图

由于在配电网发生单相接地故障时，系统中才存在零序电流，在仔细分析零序电流的相位特性后，特此提出基于零序分量的单相接地故障定位法，文中将重点对零序电流的一些特性，尤其是对发生单相接地故障接地点前后变化的零序电流特性做出分析。

2.2接地故障点零序电流分量的等效电路

配电网三相电在P点发生单相接地故障时，假设接地的相为C相，则Upa＝0。由于P点三相对地阻抗不等，则系统中三相电压及电流不对称。对于C相来说，P点接地处的零序电压作为激励源。图2（a）、2（b）所示为零序等效图。图中Up0为故障接地点的零序网络激励，Ip0为线路的零序电流，Zp0为线路的零序阻抗。

图2　故障前后零序分量等效图

2.3故障点零序电流分量的计算

C相的P点发生单相接地故障时，很显然有如下关系：UPc＝0，IPa＝0，IPb＝0。

根据图2所示的零序网络等效电路可得：

UPc＝－Zp0Ip0（2）

由图2可知，在配电网发生单相接地故障时，接地点前后的零序电流的相位相差180°，即相位的相反的。那么，当配电网监测到某个区域零序电流的相位发生180°的变化时，即可判断故障点的线路区间。

3　零序电流采集系统

零序电流的相位采集系统主要组成部分如图3所示，主要包括零序电流互感器、UAF42有源带通滤波电路、AD8628放大电路以及零序电流计算电路。

3.1零序电流互感器

图3　零序电流相位采集系统

零序电流互感器的感应原理与普通的电流互感器的感应原理是一样的，但是在其使用方式上有别于普通的电流互感器。普通的电流互感器需要3个感应线圈分别穿过三相线中的每一相，检测到的只有其中一相的电流值，零序电流互感器需要三相线同时穿过一个线圈，检测到的则是零序电流。

零序电流互感器的一次绕组是中性线，在三相正常运行时，三相线路中的电流向量和为零，一次绕组中无电流通过，互感器的铁心就不会产生磁通，二次绕组中就不会有感应电流。配电网发生单相接地故障时，三相线路中的电流向量和不为零，有电流流过一次绕组，互感器的铁芯将会产生磁通，二次绕组感应出电流，此电流就是零序电流。

常用的零序电流互感器按照其结构划分，可以分为开合式和固定穿心式。开合式互感器应用方便，在不改动电缆的情况下即可进行拆装和更换，故本系统采用开合式零序电流互感器。

3.2有源带通滤波器

零序电流互感器中感应到的零序电流存在杂波信号，为了避免杂波信号对系统正常运行的干扰，应当滤除杂波信号只保留50Hz的基波电流信号。本次采集系统选用了前后两级带通滤波器对采集来的零序电流进行滤波处理，前一级滤波主要过滤掉杂波，因此前一级滤波器为中心频率为50Hz，带宽为10Hz的带通滤波器。由于在系统中存在放大器对微弱的零序电流信号进行放大，因此有可能造成状态饱和，导致输出的波形出现饱和失真，为此后一级滤波器的作用就是得到规则的正弦信号［4］。

本系统采用的是UAF42有源带通滤波器。配置中心频率为：

配置Q值：

3.3放大器

本文采用AD8628放大器为前一级滤波器输出的零序电流信号进行放大，如图4所示，其中放大的倍数设置为100倍，n＝Ra／Rb。

图4　放大器AD8628

零序电流在经过滤波放大后进行相位提取。本文采用10位AD转换器对零序电流采样20个点，设为Dn，采样频率设为1kHz。

把采样得到的20个点进行比较，当Dn和Dn＋1两点符号不同时，停止比较，并记录此时n的值。

图5　相位采集图

当Δt＝1ms，由式（5）、式（6）推得：

θ＝ΔT×360／20ms＝（n＋1／2）18

当Dn≤0，Dn＋1＞0时，如图5所示，可得：

当Δt＝1ms，ΔT代入式（7）中得：

如果找到相邻的监测点的相位值相反。那么可以判断单相接地故障就发生在这个区间内。

4　配电网仿真模型实验

利用Matlab仿真软件对该系统搭建仿真模型，然后通过仿真出的零序电流波形证明该方法的正确性。

图6所示为搭建的仿真模型，各项参数设置如下：三相电压源为10kV，接地方式为中性点不接地系统，电流电压频率统一为50Hz，配电线路为分布式输电电路，各线路的长度分别为50km、70km、80km，线路各参数为正序电阻＝0.01389Ω／km，正序感抗＝0.8997mH／km，正序容抗＝13.01pF／km，零序电阻＝0.3964Ω／km，零序感抗＝4.3313mH／km，零序容抗＝7.571pF／km；线路对地的电容都设为1uF，发生接地故障时的接地电阻设为300Ω。

图6　仿真模型

仿真出的零序电流、电压波形如图7所示。基于上述仿真模型，对系统参数进行修改，包括接地电阻大小、线路长度等，在此过程中发现线路越长对地的零序电流就越大，检测就越准确，且接地电阻的大小对故障的判断几乎没有影响。

图7　零序分量故障前后波形

5　误差分析

由于配电网络拓扑结构复杂，环境差异也很大，使得实际得到的零序电流相位与实际情况存在不同程度的误差，因此需要采取相应的措施，尽可能地提高采集零序电流相位的精确度。

配电网单线接地故障可能造成零序分量的相位和幅值发生变化。故障点前后的零序电流相位理论上相反，但在进行相位判断上只要是近似相反都应该认为是发生了接地故障。

至于提高采集零序电流相位的精度，在考虑成本因素的情况下，应该选购精度相对较高的零序电流互感器。这样可以从根本上提高采集精度。

6　结束语

本文中对电力系统配电网的单相接地故障进行了介绍与分析，提出通过分析故障前后的零序电流的相位来对故障区域进行定位。

文中重点分析阐述了零序分量的产生与特征，通过分析发现在故障前后零序电流的相位差发生了180°转变，再配合高精度AD数据采集，通过有源带通滤波器以及放大器可以实现对配电网三相点零序电流的采集、过滤、放大与分析。

基于目前国内电力系统配电网单相接地故障检测研究的现状，零序电流的故障定位方法的提出对于进一步研究在线故障定位提供了重要的参考［6］。

［1］李雅洁，孟晓丽，史常凯.基于零序量采集值的配电网故障定位［J］.中国电力，2011，44（5）：10－14.

［2］郭玉会，戚宇林.基于零序电流的单相接地故障定位系统［J］.电力学报，2012，（6）.

［3］夏楠，姜彤，张利.中性点不接地系统负荷电流对零序电流采集的影响分析［J］.电气应用，2010，5.

［4］张丽敏.基于UAF42通用有源滤波器的设计［J］.内蒙古电大学刊，2002（1）：97－98.

［5］张利，夏楠，姜彤.中性点不接地系统单相接地故障的定位方法［J］.电力系统及其自动化学报，2010（4）：36－40.

［6］季涛，孙同景，薛永端等.配电网故障定位技术现状与展望［J］.继电器，2006，33（24）：32－37.

Single phase grounding fault detecting system based on zero sequence component

WANG Zhuo－ran，LI Qiang，ZHOU Fei－hang
（Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an 710048，China）

Based on the zero sequence voltage and zero sequence current of the single phase to earth fault in the transmission line of the power distribution network，a fault location method is proposed based on zero sequence current，which is suitable for the single phase earth fault in the system of neutral point grounding.The generation principle and correlation characteristics of zero sequence voltage and zero sequence current are introduced in detail，and basic structure of the zero sequence current acquisition system and the filtering of the zero sequence current are presented.The extraction and calculation of the phase of zero sequence current is analyzed.Finally，the application prospect of the application of the grounding fault detecting system of the zero sequence current is summarized.

distribution network；single phase grounding fault；zero sequence component；fault detection and location

TM862

A

1005—7277（2016）01—0051—04

王卓然（1987－），男，硕士研究生，主要研究方向为配电网技术及电力自动化技术。

李强（1961－），男，教授，硕士生导师，主要研究方向为配电网技术、电力自动化及电弧炉控制等技术。

2015－12－02