物联网下谐波电流差动保护在小电流接地系统中的选线及定位研究

王 磊，邹剑锋，裘愉涛，江伟建，金 盛

(1.上海电力大学，上海 200090；2.国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000；3.国网杭州供电公司，浙江 杭州 310000)

电力系统配电网中性点通常采用不接地、经高阻接地或者经消弧线圈接地的运行方式，其中中性点经消弧线圈接地方式以其较高的供电可靠性在我国小电流接地系统中得到了广泛应用[1]。

配电网线路故障分为两大类：短路故障和单相接地故障[2]。配电网中低压线路一般距离较短、分段较多，仅采用传统的电流保护或距离保护，在整定值与动作时间上难以配合。虽然发生单相接地故障后允许运行1～2 h，但在实际运行中，系统往往要求尽快找到故障点，防止瞬时故障发展成永久故障或者单相接地故障发展成相间短路故障。

差动保护具有速动性和绝对的选择性，以及不受运行方式影响等优点，由于智能电网配用电业务终端点多、面广且分散，配网差动保护一直没有普及。随着5G技术的不断成熟，配网差动保护可以快速部署，而且初期投资成本相对低，后期扩容及维护很方便。不管是从目前的实际工程问题出发，还是今后的技术发展方向需要，都应将5G通信技术和电流差动保护理念融合，通过差动保护有效实现故障的切除，提高系统安全性和供电可靠性。

目前小电流接地系统单相接地故障常用的故障定位方法有[3-5]：①行波法和阻抗法；②人工注入信号法；③矩阵算法和遗传算法；④基于暂态零序相关系数法。但是这些方法都有各自的缺点，无法准确实现故障的定位。

传统配网通过建设全面的数据采集、可靠通信和高性能信息处理的智能结构已发生了巨大的改变[6]，再利用5G技术传输线路两侧电气量信息，可以有效降低基建成本，实现纵联差动保护。

本文研究在5G通信方式的基础上，通过判定3次及5次谐波电流实现快速差动保护的可行性，利用仿真分析架空线路、电缆线路以及在线路首端或者末端，过渡电阻影响下差动保护可以有效减小故障范围扩大，满足供电可靠性要求，提升配电网继电保护水平。

1 纵联差动保护基本原理

纵联差动保护通常基于功率方向、电流幅值和相位比较来区分区内或区外故障，可以根据不同的信息传输通道，采用不同的信息传输技术。在输电线路中通常应用闭锁式功率方向差动保护，传输数据相对电流保护较少，需要的通道带宽小。与输电网中性点直接接地不同，配网系统通常采用中性点经消弧线圈接地运行，发生单相接地故障时无法直接应用该原理实现纵联差动保护。

传统电流保护由于配网线路分段过多，使线路保护时限难以有效配合，不利于满足选择性要求。国网浙江嘉兴分公司研究了5G通信下差动保护的应用，在不增加断路器、利用现有线路分段结构的情况下，在多段重点线路两侧装设基于5G通信网进行信息传输的差动保护，与电流三段保护相配合，不仅实现了故障选线，而且可以在双重化原则下只切除故障线路故障段，避免故障范围扩大，减少停电时间。配网经消弧线圈接地系统接线原理图如图1所示。

图1 配网经消弧线圈接地系统接线原理图

在图1中，当中性点不接地系统发生单相接地故障时，可能会产生电弧，使非故障相电压进一步升高，从而使设备绝缘破坏，发生永久性故障而降低供电可靠性。为了减小故障电流，通常在变压器中性点安装一个大电感(产生的感性电流与容性电流相抵消)。为了避免中性点产生谐振过压，配网多采用过补偿的方式，一般过补偿度为5%～10%。在系统实际运行中，由于对地电容电流随外界环境的变化而变化，因此多将上级变压器容量的20%作为计算消弧线圈的标准[7]。

过补偿理论计算公式：

(1)

式中IL——补偿的电感电流；Kp——过补偿度；IC∑——全系统对地电容电流之和。

1.1 相电流差动保护基本原理

相电流差动保护基本原理建立在基尔霍夫电流定理的基础上，外部故障或者正常运行时，流过线路两侧的电流之和等于零。中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，由于不构成短路回路,接地短路电流比负荷电流小[8]。由于线路末端变压器通常采用Y接地方式，发生单相接地故障后如果输电线不断，负荷电流依旧存在，线路末端电流幅值在相位故障前后未发生变化，故障相流过两侧电流之和为故障点电流，中性点经消弧线圈接地系统即使采用过补偿方式，也会由于过补偿度不大，使得故障点稳态电流很小，很难识别是否区内发生故障[9]。

差动保护整定公式：

Iset=KerKstKnpIkmax

(2)

式中Ker——误差系数，取0.1；Kst——同型系数，取0.5；Knp——非周期分量系数，取1.5～2.0；Ikmax——外部故障时最大通过短路电流。

1.2 零序电流纵联差动保护基本原理

零序电流差动保护基本原理与故障相电流差动保护相似，区别在于采用两侧零序电流之和作为判别发生区内或者区外故障的标准。

故障线路两侧所接变压器为Y接线方式，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地后，三相线电压依旧保持对称，线路末端零序电流为零。如果故障线路与线路末端变压器之间还有分段线路，此时线路末端零序电流为分段线路对地电容电流之和，若该线路为电缆线路且线路较长，则零序电流较大。

差动保护整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax

(3)

式中I0kmax——本段线路末端发生接地故障最大零序电流。

当线路发生区内故障时，两侧零序电流之和：

(4)

由式(4)可知，发生单相接地故障时流过继电器零序电流之和实际就是故障电流和本线路非故障相对地电容电流之和。如果中性点经消弧线圈接地，接近于完全补偿，故障电流就会很小。本线路对地电容电流仅与本线路对地电容大小有关(电缆线路越长，零序电流越大)，与故障点是否在区内无关，所以零序差动保护无法实现故障点的选线及定位。

2 谐波电流差动保护基本原理

一般情况下，小电流接地线系统按中性点接地方式分为不接地和经消弧线圈接地两种形式[10]。当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，由于配网变压器饱和等原因，电流波形会发生畸变，短路瞬间产生大量高次谐波成分，其中奇数次谐波含量较大，高次谐波含量会随谐波次数的增大而减小。由于故障点、消弧线圈、变压器等电气设备的非线性影响，故障电流中存在谐波信号，其中以5次谐波分量为主[11]。如果变压器绕组三角形连接，则3次谐波就会形成环流，不会流入电力系统中，而如果线路两侧变压器为Y形接线方式且与线路末端变压器间存在其他分段线路，通常含有较大3次及5次谐波，经几个周期衰减后消失[12]。

(5)

当发生单相接地时，三相n次谐波的电流表达式如下：

IL(n)=Eφ(n)/(nωL)

(6)

IC∑(n)=3Eφ(n)nωC∑

(7)

Ik(n)=IC∑(n)-IL(n)

(8)

式中IL(n)——消弧线圈产生的n次谐波电流；L——消弧线圈电感值；Eφ(n)——系统n次谐波相电势；IC∑(n)——全系统n次谐波非故障相对地电容电流之和；C∑——全系统非故障相对地电容之和；Ik(n)——故障点n次谐波电流。

对于中性点经消弧线圈接地系统，补偿后故障点的基波电流很小；对于n次谐波，容性电流为原来的n倍，而补偿的感性电流仅为原来的1/n，故补偿电流可以忽略不计。因此，基于高次谐波可以构造纵联差动保护，实现故障定位。

(9)

式中ia(n)，ib(n)，ic(n)——n次谐波三相电流瞬时值；Im(n)——n次谐波电流幅值。

当谐波次数n=3k，n=3k+1和n=3k-1时，谐波电流的方向与零序、正序及负序电流的方向一致，纵联差动保护采用三次谐波电流之和(相当于采用三相电流之和)作为判据，电流值较大，灵敏性相对于5次谐波大大提高。

差动保护整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax(n)

(10)

式中I0kmax(n)——本段线路末端发生接地故障时n次谐波最大零序电流。

当线路发生区内故障时，两侧电流之和：

(11)

IC(n)=3Eφ(n)nωCi

(12)

由式(12)可见，谐波次数越高，故障线路本身对地电容电流值越大。对地电容电流值越大，差动保护灵敏性越低。

3 Matlab仿真

通过 Matlab Simulink 建立10 kV中性点经消弧线圈接地过补偿运行方式的小电流接地仿真系统。设置三相电压源为110 kV[13]；变压器T1额定容量为20 MVA，变比为110 kV/10.5 kV；按照过补偿8%设置消弧线圈，根据式(1)可以得出消弧电感为6 H，仿真模型有4条出线，线路1，2，43末端接变压器T2，变比为10 kV/400 V，容量为640 kvar，高压侧Y形联结,低压侧Y形联结中性点直接接地，接负载500 kW，功率因数0.85。为了仿真，在0.3 s时设置单相接地，将线路首端靠近母线的一侧称为母线侧，线路末端远离母线的一侧称为对侧，分别在线路1靠近母线侧d1，线路41靠近母线侧d2和对侧d3，线路42靠近母线侧d4，过渡电阻分别在0，100 Ω进行仿真。线路阻抗参数如表1所示。线路类型长度如表2所示。

表1 线路阻抗参数表

表2 线路类型长度表

d1故障时线路1母线侧零序电流测量值如图2所示。由图2可知，0.5 s时故障线路产生一个零序电流。由于补偿电感较大，非周期分量随时间衰减慢慢为零，补偿后电流幅值仅为10 A左右，差动保护很难进行故障选线及定位。d1故障时线路1两侧3,5次谐波零序电流幅值如图3和图4所示。

图2 d1故障时线路1母线侧零序电流测量值

图3 d1故障时线路1两侧3次谐波零序电流幅值

图4 d1故障时线路1两侧5次谐波零序电流幅值

由图3和图4可以看到，在单相接地后，故障线路母线侧测量得到3,5次谐波零序分量突然变大，分别为50 A和70 A左右，与基波零序电流相比数值大大增加。而正常运行时，由于系统电流不含谐波，3,5次谐波零序分量为零；即使正常运行时由于非线性负荷使得系统含有少量3,5次谐波，本线路内没有故障点，故两侧3,5次谐波零序分量之和为零。因为线路1末端所接变压器高压侧为Y接线方式，因此远离母线侧测得3,5次谐波零序分量为零，与是否发生单相接地无关。3次谐波零序电流值如表3所示。5次谐波零序电流值如表4所示。

表3 3次谐波零序电流值

表4 5次谐波零序电流值

电流方向规定母线流向线路为正。从表3和表4可得，3，5次谐波在线路区内发生故障时差动电流都远大于区外故障时两次谐波零序电流之和，灵敏性远远高于基波零序电流差动保护，但缺点是受过渡电阻影响极大，随着过渡电阻的增加，谐波零序电流迅速减小。随着人民生活水平的提高，实际运行的配网中含有大量整流、电弧炉及电气机车等谐波源，谐波零序电流较多，减小了过渡电阻的影响。

由于配网中有时采用三角形的接线方式，3次谐波电流会在绕组内形成环流，故采用5次谐波零序电流。在表3中，由d3故障可见，故障线路两侧均有较大谐波零序电流，故障线路至末端变压器间线路越长，零序谐波电流越大。d3与d2故障的区别是线路首端与末端谐波零序电流不同，由于谐波时电感值增大5倍，不同位置故障使得零序电压分布不同，进而造成零序电流分布发生变化，可见此时灵敏性很高。在表3中，d4与d3故障时线路42两侧电流相位相反但是幅值变化不大，这是由于其相对电缆线路架空线谐波零序电流较小，可以忽略不计。如果电缆馈线多于两条，故障线路后存在电缆线路，则与d3故障时故障线路情况相似，不会出现无法定位故障的问题。

综上所述，由表4可以看出，以5次谐波零序电流幅值比较差动保护，在通常情况下可以有效将故障点定位。

4 结语

经消弧线圈接地的小电流接地系统发生单相接地故障时，零序和负序电流较小。由于受到系统本身三相不对称或者负荷变动的影响，配电网分支众多、架空电缆混合现象普遍，负荷短时变化大、线路异动率高。近年来，受到分布式电源大量增加等的影响，小电流接地系统故障选线及定位的可靠性一直是一个难以解决的问题[14-15]。随着具备双向、实时、高效等特点的电力物联网建设的开展，通过合理应用通信技术，促使电力传输的利用率、稳定性等得到有效增强，进而促使电力运行稳定性得到保证。电力物联网将通过全面的数据采集、可靠通信和高性能信息处理使传统配网保护技术产生巨大改变，通过物联网建设，采用5G无线通信系统(具备足够的带宽)实现电流幅值比较差动保护。5次谐波零序电流差动保护有以下特点。

(1)受过渡电阻影响较大。由于馈线末端变压器中性点不接地，发生单相接地故障后线路末端谐波零序电流为零。

(2)同一母线馈线越多，谐波零序电流差动保护越灵敏，线路中电缆线路越多越灵敏。

(3)一条馈线分段越多，每段越长，谐波零序电流差动保护越灵敏。线路中电缆线路越多越灵敏。

最后通过Matlab仿真验证了配电网电流差动保护方法的可行性，可以实现快速准确地选线及定位，既提高了故障定位的准确度又满足了实际工程需要，大大提高了配电网供电的可靠性。