基于零序有功分量法的短时投切并联小电阻的选线原理分析

陈晓川

摘 要：因为机理局限，选线试验效果好而实际准确性差的怪象成为消弧选线装置的常见情形。为此，供电局尝试采用了对消弧装置本体进行加装并联小电阻的改造方案，在单相接地故障时消弧线圈投入的瞬间投入小电阻，在短时内制造出明显的零序电流有功分量，极大地强化故障特征，有效提高選线的准确性。

关键词：消弧线圈；故障选线；并联电阻；零序有功分量

中图分类号：TM72 文献标识码：A

随着科学技术的发展和社会需求，近年来我国配电网规模逐渐扩大，用电设备容量也逐年增加。特别是在电力线路上，近年来电缆呈现增多趋势，而随着电线电缆的增加，当发生电路故障时，单相接地故障产生的容性电流也增大。为了解决该问题，供电局目前主要采用中性点经消弧线圈接地模式。

当单相接地故障发生，它表现的主要特点为电流小，相对应的非故障电压反而升高，但整个电力系统的电压保持正常，还可以正常继续运行1h～2h。单相接地故障虽然对整个电力系统电压不造成影响，但长期发生故障会影响整个电力系统的正常运行，安全问题也随之增加，为了预防安全隐患，也为了保持整个电力系统的正常运行，在发生故障之后，必须正确地找出故障点，立即解决。

但是消弧线圈的感性电流补偿电容电流后，故障特征变微弱，使得选线装置难以感受到故障量，从而选线变得困难。所以，解决选线不准的核心就在于不影响消弧补偿的前提下使故障量明显。

1.目前消弧线圈接地选线的普遍情况

目前供电局主要采用的消弧选线装置主要有两种，分别是广州智光电气生产的消弧选线装置和上海思源电气的5次谐波法。在购买装置时，相关设备试验性良好，但在实际使用过程中，却容易出现失效。广州智光电气采用消弧选线装置原理为：接地选线和消弧线圈联合，在消弧线圈补偿时提供扰动量，结合补偿前后各条线路零序电流的变化进行判断。但是故障线路零序电流大小变化和接地过渡电阻阻值有关，一般是阻值越小，电流越大；阻值越大，电流越小。当它在判断高阻接地时，由于电流过小，就难以判断。

上海思源则采用5次谐波法，它的运用原理为：线路电容电流的5次谐波大于消弧线圈补偿电流5次谐波，利用线路电流谐波和消弧线圈补偿谐波的相反原理，可以判别出故障线路和非故障线路。但由于电力系统中存在非线性铁芯设备，且数量较多，这些非线性铁芯设备产生的谐波较高，而零序5次谐波电流的幅值很小，故障量不明显，在干扰下，就难以判断故障线路。

鉴于以上消弧接地选线装置普遍存在实际选线不准的问题，经了解佛山供电局已经开始对部分变电站进行了消弧线圈及选线装置改造，目前采用的故障选线方式为利用消弧线圈并联小电阻。连接原理为：在消弧线圈两端并联小电阻，小电阻增加的电流会使接地电流相位幅值发生明显的改变。这样的连接方法有效克服消弧选线装置和5次谐波法的缺点，金属接地、母线接地、高阻接地发生故障后都能准确地选线，实际准确性高达100%。下面就短时投切并联小电阻接地选线的原理和零序电流有功分量法的计算方法进行分析讨论。

2.消弧线圈短时投切并联小电阻的接地选线原理

在实际选线的过程中，由于零序电流互感器等因素的影响，有功分量太小造成选线准确性难以保证。而在消弧线圈两端并联一个电阻可以提高消弧选线的正确性。当发生单相接地故障，短时间内可控电抗器立即输出补偿电流，减小接地产生的电流，最终消除弧光。如果是瞬时性接地故障，则故障消除，恢复正常状态；若为永久接地故障，则可以通过控制高压接触器将小电阻瞬时投入系统中，借助有功电流产生的变化选线，而因为并联电阻产生的零序有功电流只通过故障线路，故障线路的零序有功功率比非故障线路大，因此可以以零序有功分量作为选线的判断依据，这样的方式可以提高故障选线的准确性，再利用线路保护装置将接地线路跳闸，隔离故障线路。

单相接地故障发生后，5s内中性点的零序电压可以达到稳态值，这时并联小电阻，可以避免单相接地时的暂态过程和瞬时性接地故障。小电阻的阻值选择需要依据单相金属接地故障产生的电流，并联运行时间需要根据各条线路对零序电流采样时间决定。过流保护的出口时间一般为3s～5s，远远大于小电阻的投入并联的短暂时间，因此并不会对系统原有的运行方式造成任何影响。当选线结束后，立即退出并联电阻，通流时间控制在1s之内。

3.零序电流有功分量法的计算分析

以下详细展现3条出线的中性点经消弧线圈并联小电阻接地系统，为了观察方便，经过简化画出单相接地时三相的电容电流分布图，如图1所示。

由上可知，本支路对地电容产生的容性电流是流过非故障线路的唯一零序电流，相位超前零序电压90°。但通过故障线路的零序电流包括3种：

第一是非故障线路零序电流之和，相位滞后零序电压90°；

第二是消弧线圈产生的补偿电流，相位超前零序电压90°；

第三是中性点电阻产生的电流，相位滞后零序电压180°，此电流为有功分量。

永久性单相接地故障发生时，连接在消弧线圈上的电阻通过断路器或者双向晶闸管接入，使通过故障点的电流加大。

I=IR+IL+IC

简单来说，

因为电感电流与电容电流互为补偿关系，因此IL+IC≈ 0，因此I≈IR。

由此可知，并联在消弧线圈上的电阻R取值合适，就可以加大流过故障点的有功电流分量，而有点电流分量加大后导致通过故障点的零序电流增加，而非故障线路通过的电流较小，由此可以判断故障线路和非故障线路。当故障线路选出后，并联小电阻的退出可以通过断开断路器来完成。

图2展示了故障和非故障线路零序电流向量。由图2可见，系统发生单相接地故障时，消弧线圈在没有并联电阻的前提下，通过故障线路的零序电流可能比非故障线路的零序电流小，这样的情况下就难以判断故障和非故障线路；如果消弧线圈并联小电阻，通过故障线路的电流只有并联电阻产生的零序电流，故障线路的零序电流增大后，就可以判断故障线路和非故障线路。

4.消弧线圈短时投切并联小电阻的理论和实际效果

从理论的角度来看，消弧线圈并联电阻后，既能使用消弧线圈本身的优点，同时又能避免消弧线圈难以判断故障和非故障的缺点。同时，并联电阻运行时间短，对电路系统产生影响小，因此中性点经消弧线圈接地系统，用短时投切并联小电阻进行故障选线是一个可供选择的方案，这对进一步保证供电质量、提高供电可靠性具有很大益处。

从运行的角度来看，由于供电局新改造的短时投切并联小电阻的消弧选线装置，还没有按投入并联小电阻的方式整定，所以实际运行中的选线正确性效果还暂时未能验证。不过，根据兄弟单位供电局的短时投切并联小电阻消弧选线装置的实际运行情况来看，选线准确性几乎达到了100%。

结语

随着相关技术和配电网的发展，中性点经消弧线圈接地方式逐渐得到广泛使用，然而消弧线圈产生的电感电流抵消了故障线路中的电容电流，给选线准确性带来了难题。本文针对目前供电局消弧选线装置普遍存在实际选线准确性较差的情况，通过零序电流有功分量法的计算方法，从并联小电阻的接地选线原理进行研究分析，阐明了短时投切并联小电阻方案的可行性，同时验证了该方案选线的准确性。

参考文献

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