能量法小电流接地方向判据的应用研究

杨 涛，金华锋，曾兵元，梁海东，赵 舫

能量法小电流接地方向判据的应用研究

杨 涛1,2，金华锋3，曾兵元3，梁海东2，赵 舫4

(1.杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310007；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310007；3.南京智汇电力技术有限公司，江苏 南京 211100；4.浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027)

为解决小电流接地系统中利用单点电气量难以准确判断接地故障方向的问题，提出了一种改进的能量法接地方向判据。根据叠加原理分析了单相接地故障暂态等值电路，指出了测量点处的零序能量由故障初始时刻的电容充电能量和维持LC振荡的稳态振荡能量两部分组成，分析了零序能量在不同接地方式和不同接地电阻下的特点。为了简化定值整定原则，对零序能量函数进行了离散化处理并作了二次积分，提出了实用的能量二次积分判据。对中性点不接地方式、中性点经消弧线圈完全补偿的接地方式下的金属性故障和经3000W电阻接地故障进行了仿真测试。仿真结果表明，上述各种故障情况下该判据均能判别故障方向。

小电流接地系统；能量法；分布电容；共振频率

0 引言

国内外学者对小电流接地选线方法进行了广泛深入的研究[3-4]。现有方法可分为主动式和被动式。主动式主要采用注入信号的方法[5-6]，通常用于故障线路停电后的故障点定位。被动式利用故障时的电压、电流量进行接地选线，可分为基于稳态信息、基于暂态信息和基于综合信息的三类选线方法。

基于稳态信息的选线方法[7-8]有零序电流幅值法[9-10]、零序电流比相法[11-12]、零序无功功率方向法[13]、零序有功功率法[14-15]和5次谐波法[16-17]等。上述方法原理相对简单，但对于经消弧线圈补偿的小电流接地系统或间歇性故障，由于没有稳定的稳态电流，上述方法很难正确选出故障线路。

基于暂态信息的选线方法有首半波法[18]、基于小波变换的暂态零序电流比较法[19-27]和基于暂态零流波形特征的定位方法[28]等。通常情况下，故障产生的暂态电流远大于稳态电流且不受中性点接地方式的影响，因此该类方法具有较高的可靠性和灵敏度。但该类方法均需要采集高频信号进行分析。首半波法受故障相角、系统参数的影响较大，应用效果一般；基于小波变换的暂态零序电流比较法和基于暂态零序波形特征的定位法均需进行复杂的计算，对装置硬件的处理能力有较高的要求。

基于综合信息类方法主要为复合判据法[29-30]。复合判据法根据稳态法和暂态法的适用条件和优缺点，并利用信息融合和模糊决策理论进行故障选线，取得了较好的效果。但复合判据法需要的信息量比较多，适用于变电站的故障选线，但无法应用于架空线路或电缆线路的分段、分支线等仅能获取单点信息量的场合。

浙江大学何奔腾老师于1998年提出了能量法小电流接地选线原理[31]。能量法将零序电压和零序电流乘积的积分定义为能量函数，并根据能量函数值的正负判断故障方向。该方法算法简单，仅需单点的零序电压和零序电流而无需多点的综合信息，不受消弧线圈的影响，可实现配网架空线路或电缆线路的零序方向判别。但该方法未深入分析暂态能量和稳态能量对判据的影响，也未探讨系统模型、暂态频率和装置采样率之间的关系。对经消弧线圈完全补偿的接地故障，由于其故障后稳态零序电流为0，若按该方法所采用的每周波12点采样值进行能量积分，其值为0，将无法判断故障方向。

本文详细分析了系统模型和暂态电流频率之间的关系，指出对于短线暂态电流频率可能高达数千赫兹，采用能量法计算故障方向时的装置采样频率，至少需4800 Hz；提出了实用的能量法保护判据，为能量法小电流接地判别原理应用于配网架空线路或电缆线路接地故障定位提供有益探索。

1 原理

图1 单相接地故障暂态等效电路

假设金属性故障发生在电压峰值时刻，则

中性点零序补偿电流为

叠加电容和中性点电流后，零序电流为

测量点处的零序能量定义为

其中：

图2为中性点不接地系统单相接地故障时反向叠加电源产生的零序能量，红色曲线为电容充电能量，蓝色曲线为稳态振荡能量，绿色曲线为两者的叠加。从波形可以看出，衰减后的电容充电能量和稳态振荡能量同方向，暂态能量在故障发生瞬间快速由0增大到最大值，然后快速衰减，衰减到第一个波谷，其幅值也远大于0。叠加同方向的稳态振荡能量后，更能确保零序能量大于0。

图2 中性点不接地系统单相接地时的故障能量

图3 中性点过补偿系统单相接地时的故障能量

2 保护判据

测量点安装于变电站线路出口处或线路分段。变电站线路出口处，规定电流方向由母线指向线路为正方向；线路分段处，规定电流方向由电源指向负荷为正方向。由第1节的分析可知，若单相接地故障发生在本线正方向，零序能量值为负；若单相接地故障发生在母线或其他线路，零序能量值为正。对式(6)进行离散化处理，得到基于暂态零序能量的单相接地方向判据，如式(11)所示。

由于零序电流暂态分量的共振主频率为300～ 1000 Hz[32]，为了避免暂态能量泄漏引起方向误判，采样频率取4800 Hz。

图5 单相高阻接地时的故障能量积分

3 仿真测试

图6 仿真系统模型

表1 模型参数

图7 中性点不接地系统的能量积分值

图8 经电抗完全补偿系统的能量积分值

仿真结果证明了能量积分的方向性，根据能量积分值可以判别单相接地故障方向，当能量积分值为负时，故障发生在观测点正方向；当能量积分值为正时，故障发生在观测点反方向。

比较图7、图8各个故障点的仿真结果，对于金属性故障，不管是中性点不接地系统还是经消弧线圈补偿系统，各点的能量积分值差别不大；对于高阻接地故障，由于分布电容和消弧线圈产生LC共振，相当于末端开路，因此作用于分布式的零序电容越大，对应的零序电流和零序能量积分也更大，能量积分方向判据更灵敏。

4 结论

基于零序能量积分的单相接地故障方向判据，需要以较高的采样频率采集零序电压和零序电流，将两者瞬时值相乘进行两次积分；当能量积分小于0时，故障发生在观测点正方向；当能量积分大于0时，发生在反方向。不管是中性点不接地系统，还是中性点经消弧线圈完全补偿的小电流接地系统，采用能量积分方向判据，均能有效判别单相接地故障方向。

在实际应用中，还需要考虑采样误差、计算误差、零序不平衡分量以及外部干扰等因素对判据的影响。

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Application of the criterion of small current grounding direction of the energy method

YANG Tao1, 2, JIN Huafeng3, ZENG Bingyuan3, LIANG Haidong2, ZHAO Fang4

(1. Hangzhou Yineng Electric Power Technology Co., Ltd., Hangzhou 310007, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Hangzhou 310007, China; 3. Nanjing Zhihui Power Technology Co., Ltd.,Nanjing 211100, China; 4. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

It is difficult to accurately determine the ground fault direction using a single-point electrical quantity in a small current grounding system. Thus an improved energy method-based grounding direction criterion is proposed. From the superposition principle, a single-phase ground fault transient equivalent circuit is analyzed, and the zero-sequence energy at the measurement point is composed of the capacitor charging energy at the initial moment of the fault and the steady-state oscillation energy to maintain the LC oscillation. The characteristics of the zero-sequence energy in different grounding modes and resistances are analyzed. To simplify the setting principle, the zero-sequence energy function is discretized and quadratic integration and a practical quadratic integral criterion is proposed. Simulation tests for a metallic fault and a 3000Wresistance grounding fault are conducted on the neutral point ungrounded or the neutral point fully compensated ground via the arc suppression coil. Results show that the criterion can distinguish the fault direction in the above fault conditions.

small current grounding system; energy method;distributed capacitance;resonance frequency

10.19783/j.cnki.pspc.211519

2021-11-10；

2022-02-16

杨 涛(1978—), 男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护、稳控和配电自动化等；E-mail: 27462690@qq.com

金华锋(1972—)，男，通信作者，博士，研究员级高级工程师，研究方向为继电保护、稳控和配电自动化等；E-mail:475774491@qq.com

曾兵元(1981—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护、稳控和配电自动化等。E-mail: 18311640@qq.com

国家重点研发计划项目资助(2017YFB0903100)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0903100).

(编辑 姜新丽)