基于负序阻抗加速的配电网统一反时限零序过流保护

南方电网贵阳供电局 王恩伟 王林波 王元峰 杨凤生 曾惜

1 引言

针对中性点非有效接地的配电系统，为了解决单相接地故障时故障电流不明显的问题，部分配电网络在检测到零序电压后将中性点串接小电阻，形成小电阻接地系统，以增大故障电流，便于保护动作。此时，传统的三段式零序过流保护应用存在一定困难：城市配电线路通常采用等负荷或等距离分段，每段配电线路长只有3～5公里，短线路使得零序电流速断保护的整定以及定时限零序电流保护的配合越发困难；定时限零序过流保护的整定时间固定，而大多数被保护元件允许通过故障电流的时间与故障电流成反比关系；短路点越靠近电源，故障电流越大，允许过电流保护动作时间越短。而反时限零序电流保护在一定程度上具有三段式零序电流保护的功能，并且即使在电网运行方式变化较大的情况下，各级保护动作时间也能自动配合，保证动作的选择性。但目前的反时限电流保护通常需要从线路末端开始向电源侧逐级整定，每级的反时限常数受到下一级保护限制，每个保护安装处采用不同的时间常数来拉开时间级差，因而整定非常繁琐。鉴于此，有必要研究具有统一反时限特性的过流保护。

文献[1]提出基于低电压加速的反时限电流保护，能够在满足保护选择性的同时提高反时限过电流保护的动作速度而无需改变保护的整定值，但该方法主要在400V线路上做了仿真应用。

文献[2]借助通信信道将分布式电源支路的故障助增电流数据发送至上级线路保护，用于改善保护间的配合特性，再中引入低电压加速因子构成低电压加速反时限过电流保护。

文献[3]提出基于负荷阻抗的低阻抗反时限保护，有较好的抗过渡电阻能力；上述两种方法均针对分布式有源配电网。

本文分析了小电阻接地系统发生接地故障时配电网络的负序阻抗分布特性，并在此基础上提出一种基于通信的负序阻抗加速统一反时限零序过流保护方案，PSCAD仿真结果验证文中所提方法不受故障电阻的影响。

2 配电网分段点负荷阻抗特性

当配电网中性点接地系统发生接地故障时，零序电流从故障点经故障线路流至中性点接地电阻，非故障线路以及故障点下游并无零序电流流过，因此，图1只给出了故障回路示意图。从图1中可以看出，此时流过分段开关1、2、3的零序电流相等，要想在统一反时限曲线上来开时间级差，必须找到能够反映分段开关在故障路径上位置的电气量。

图1 配电网接地故障示意图

以图1发生单相接地故障为例，用对称分量法分析得到的序网图如图2所示[4]。

图2 单相接地故障序网图

从图2中所示的负序网络可以看出，各测量点的负序电压与负序电流成正比，比值即为测量点到系统侧的负序阻抗，与过渡电阻以及中性点接地电阻无关。因此可以利用负序阻抗来反应测量点到系统的距离。此外，系统高压侧负序阻抗以及变压器负序阻抗折算到低压侧值很小，因此，当测量点位置变化时，测量负序阻抗变化明显，具有较高的灵敏度。

尽管配电网中可能存在大量的分支线路，但负荷阻抗通过负荷变压器折算到10kV线路时，负荷阻抗变得很大，远大于10kV馈线自身的阻抗。因此，接地故障产生的负序电流绝大部分由故障点经故障路径流向系统侧，故障点下游流过的负序电流相对很小；从而，负序阻抗测量值不受健全线路以及分支线路的影响，只反映故障路径上测量点到系统侧的距离。

3 基于负序阻抗的反时限零序过流保护

反时限过电流保护的动作特性方程为[5]：

式中：t为动作时间；k为时间常数；I为故障电流；Iop为启动电流，α为反时限曲线形状系数；β为曲线平移系数，一般取值为1。

传统的反时限动作特性方程参数的选取以感应型和晶体管型反时限继电器物理载体作为参考，在微机保护成熟应用的现阶段，可以根据实际需要提出适合于微机保护的时间——电流动作特性曲线[6]。文中将重点分析基于负序阻抗的统一反时限零序过流保护整定方案。

针对等距离分段的辐射型配电网络，接地故障零序电流由故障点流回系统侧，故障路径上分段开关所感知的零序电流基本一致，采用统一反时限零序过流保护时所得到的动作时间相同，而现在只需要距离故障点最近的分段开关保护动作。因此可以引入加速因子对保护动作时间进行修正，以保证上下级分段开关的动作时间拉开极差。

保护开关上下级允许拉开的最小时间级差Δt为保护窗时间加断路器的动作时间，10kV断路器的一般动作时间为40～70ms，充分考虑一定裕度后取Δt=0.5s。根据上节分析，分段开关测量点的负序阻抗能反映测量点到系统侧的距离，可以利用等距离分段的负序阻抗为时间级差修正因子。据此，提出如下的统一反时限动作特性方程：

式中：N为出线开关统计的故障分段开关数量，Zm2为分段开关测量点负序阻抗；Zs2为每公里线路所反映的负序阻抗，为等距离分段的线路长度。

要得到分段开关处的负序阻抗，就需要已知该测量点的负序电压和负序电流，而目前成套装置大多只能获取两个线电压、两相电流以及零序电流。在只有线电压和的情况下可以使用式(3)获取负序电压

式中a=ej120o。在只有相电流和零序电流的情况下可用式(4)获取负序电流：

基于上述分析，结合通信信道，提出如下统一反时限零序过流保护：

当配电线路发生单相接地故障时，故障线路上处于故障路径上的分段开关感知到高于启动值的零序电流后，借助通信信道将故障信息上传至变电站出线开关。

变电站出线开关统计故障开关数量N，并将信息反馈给流过故障零序电流的分段开关。

分段开关再将N和零序电流值带入公式（2），即可以得到该分段开关的动作出口时间。

3 仿真验证

3.1 仿真模型

如图3所示为PSCAD环境下搭建的10kV配电网接地仿真模型。线路选用分布式参数模型，工频下线路参数为：正序阻抗Z1=0.26+j0.3768Ω/km；正序对地导纳b1=j3.077μs/km；零序阻抗Z0=0.52+ j1.4752Ω/km；零序对地导纳b0=j1.4758μs/km。每条线路等效负荷阻抗统一为ZL=400+j20Ω。四条馈线长度分别为L1=10km，L2=8km，L3=8km，L4=12km，带有测量装置的成套配电控制终端FTU1～FTU3将馈线线路L4分为3个区段。

图3 配电网仿真系统结构示意图

3.2 仿真结果

3.2.1 零序电流与负序阻抗分布特性

当中性点接地电阻为Rg=30Ω，在t=0.202s时刻，L4线路上F2～F3区段发生经故障电阻为Rf=10Ω的单相接地故障，图3给出了系统不同测量点处的零序电流值。从图中可以看出，非故障线路以及故障线路故障点下游流过的零序电流值很小；而流过故障线路故障点上游F1、F2的零序电流很大，且几乎相同。因此，通过测量零序电流可以反映该处分段开关是否在故障路径上。

表1给出了中性点接地电阻为30Ω，故障发生在t=0.2s时刻的单相接地故障仿真结果；表2给出了中性点接地电阻为50Ω，故障发生在t=0.203s时刻的两相接地故障仿真结果；其中故障点都在线路L4的测量点F3右端。

图4 不同线路零序电流幅值

从表1和表2中仿真结果可以看出，尽管零序电流会随着故障电阻和中性点接地电阻的变化而发生显著变化，但各测量点的负序阻抗模值基本不受故障条件的影响，只与测量点到系统侧的距离有关。因此，选用负序阻抗模值作为反时限零序过流保护的时间修正因子，可以在故障线路分段开关上形成时间级差。

表1 单相接地故障下的仿真结果

表2 两相接地故障下的仿真结果

3.2.2 统一反时限零序过流保护参数选取

零序过流保护的启动电流Iop按照躲过不平衡电流的原则整定，其值一般为2～3A，本文取Iop=3A，此时对应的动作时间可以整定为满足断路器动稳定的最大动作时间，本文以4s计算。从图2中可以推出故障零序电流可以表式为：

式中ZT1、ZS1、ZT2、ZS2分别为变压器和系统的正序、负序阻抗。在文中仿真系统中，当中性点电阻为30Ω时，线路故障零序电流最大幅值为60A，此时对应的断路器动作时间为最小出口时间0.1s。

对于式(1)中的统一反时限动作特性中，参数β一般设置为1，α=0.02，代入坐标点(60，0.1)，可得式(1)中的其它参数k=0.0062。

3.3 统一反时限零序过流保护时限仿真

从表1、表2中的仿真结果可以看出，每公里架空线路所反映的负序阻抗约为1.3987Ω，因而等距离分段每段的负序阻抗约为5.5948Ω。

表3、表4给出了表1、表2中相应故障条件下采用负序阻抗模值作为反时限零序过流保护的时间修正因子后的各监测点的动作出口时间。从仿真结果可以看出，经修正后故障线路分段开关的动作保护出口能形成保护时间级差。

表3 单相接地故障下的动作时限仿真结果

表4 两相接地故障下动作时限仿真结果

4 结论

提出一种基于配电网负序阻抗加速的统一反时限零序过流保护方案，推导了在现有的测量条件下获取负序电流、负序电压的方法，所提出的负序阻抗不受故障电阻的影响，在借助通信信道的情况下能保证上下级保护之间的时间级差配合。