10kV配电网中性点经消弧线圈接地故障综合选线

田栋文

摘要 近年来小电流接地系统在我国低压及中压配电系统中普遍应用，当配电网出现单相接地短路故障时，虽不会影响连续供电，但如果配电系统长期故障运行，非故障的两相对地电压升高会破坏系统中的绝缘薄弱环节而发展成相间短路故障，给电力系统带来巨大损失。本文通过搭建10kV小电流系统模型，仿真分析中性点经消弧线圈接地故障前后各线路测量数据，通过综合比较零序电流比幅比相法、首半波法和零序导纳法提出一种较高灵敏度和可靠度的综合选线方法。

【关键词】10kV 配电网 单相接地故障 消弧线圈 综合选线

我国3-66kV配电网一般采用小电流接地系统，此系统出现最多的故障就是单相接地短路故障。在该故障情况中，由于故障点电流特征较为微弱，使得配电网依然能够持续运行1-2小时，在此之后的运行很可能会引起配电系统的绝缘环节损坏并使故障范围不断扩大。传统的利用稳态电气量的故障检测方法存在着故障量不突出、不稳定，检测比较困难等问题，其选线问题一直未能很好地解决无法保证检测的可靠性和灵敏度。

1 故障特征分析

当配电系统出现单相接地故障时，接地点的对地电容电流会随着各相的对地电容电流的增加而增大，很容易产生弧光过电压，导致设备绝缘被损坏甚至引发爆炸。一般为了避免这类事故的发生会在中性点处接一個电感即消弧线圈，它的主要作用就是产生电感性电流来抵消过大的电容性电流，通过这样的方式降低流过接地点的电流幅值，也就避免了产生电弧的可能，同时也消除了爆炸的隐患。

如图l中，由于中性点经消弧线圈接地的感性特性的影响，使得流过接地故障处的电流中的部分电感分量与本来存在的电容分量互相抵消，进而故障处总电流值减小：I_d=l_l+l_c。其中，I_l和I_c为配电网中性点经消弧线圈接地的感性电流和对地容性电流。在经过该方式过补偿后，优点在于能够起到因减小电容电流进而减小其产生的过电压的作用，但明显的缺点便是在减小电容电流的同时会使单相故障接地电流的整体幅值减小，会导致故障线路和正常运行时的零序电流无法区分进而无法进行快速准确的选线工作。

2 综合选线方法原理

基于稳态特征量的故障选线方法主要依据配电网中性点经消弧线圈接地故障其信号的稳态与暂态特征进行相应分析，综合运用零序电流比幅比相法、首半波法和零序导纳法，能够快速准确地实现配电系统中性点经消弧线圈接地故障的综合选线。

实现综合选线主要包括以下几个步骤：

零序电流比幅比相法：将配电系统各线路的零序电流幅值和方向参量作比较，故障线路X即为其中零序电流幅值和方向明显不同的线路，结果输出为FX=[X 1];若都相同，则零序电流比幅比相法选线失败，结果输出为FX=[O O]。

首半波法：将各线路的首半波零序电流和电压的幅值和方向参量作比较，故障线路X即为其中首半波零序电流和电压的幅值和方向明显不同的线路，结果输出为BB=[X 1];若都相同，则首半波法选线失败，结果输出为BB=[0 0]。

零序导纳法：将非故障情况下改变失谐条件和位移电压得到的各线路的零序导纳的大小和相位作比较，故障线路X即为其中零序导纳的大小和相位明显不同的线路，结果输出DN=[X 1]，若都相同，则零序导纳法选线失败，结果输出为DN=[0 0]。如果以上方法都选线失败，即可判断为母线故障。

3 MATLAB仿真分析

3.1 仿真模型

通过Simulink搭建10kV中性点经消弧线圈接地配网系统，如图2所示，配网系统的3条长度依次为4.2km、3.69km、3.93km的出线。各序参数如表l所示，假设单相接地故障发生在0.05s时的线A相1处。

3.2 综合选线方法仿真分析

利用图2所建仿真模型，对零序电流比幅比相法、首半波法和零序导纳法的特点和应用范围进行了仿真分析和对比。

3.2.1 零序电流比幅比相法

该方法利用故障线路的零序电流的幅值和相位与正常线路不同的特点找出故障线路。虽然简便快捷，但缺乏较高灵敏度且无法排除母线接地故障，固不适用于较高要求的选线工作。

仿真得出：正常线路1和线路2的零序电流相位相同而线路3相反，各线路的最大模极大值大约为0.79A、0.98A、2.2A，可见线路3的零序电流幅值最大，且约等于两正常线路的零序电流幅值之和。

3.2.2 首半波法

该方法利用发生在单相接地故障后的首个半周期内，故障线路零序暂态电流和正常线路零序暂态电流极性相反的特性选择故障线路。若故障发生在相电压过零点附近产生首半波电流的暂态分量较小会使得该方法无法正确选择出故障线路。

仿真得出：正常线路与故障线路的暂态零序电流分量的相位相反，幅值也发生变化。

3.2.3 零序导纳法

该方法利用发生单相接地故障期间非故障线路的零序导纳即为该线路的实际零序导纳作基准值，而故障线路的零序导纳的大小和相位在此基础上都发生了变化来选择故障线路。

仿真得出：故障线路的零序导纳与正常线路的零序导纳幅值和相位均不同，且故障线路的零序导纳在故障发生的前后能被检测，具有较高的灵敏性和可靠性。

3.3 综合选线方法仿真实现

在10kV小电流接地配网系统中通过设置不同的故障线路，不同的接地电阻来检测算法有效性，对综合选线方法进行了仿真验证。

从表2可知，10kV中性点经消弧线圈接地系统发生故障时，采用零序电流比幅比相法和首半波法两种选线方法都失败后，可采用零序导纳法综合选择出发生故障的线路，而以上选线方法均失败时则判定为发生母线故障。

4 结语

本文利用Simulink搭建了10kV配电系统发生中性点经消弧线圈接地故障时的仿真模型，结合传统选线方法的判定方式逐一分析比较，然后利用零序电流比幅比相法、首半波法和零序导纳法综合比较实现了中性点经消弧线圈接地故障的综合选线。

参考文献

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