基于Δi-PCA原理的分布式小电流接地选线保护方法研究

缪欣 黄海悦

（1.东方电子股份有限公司，山东烟台 264000；2.东方电子集团有限公司，山东烟台 264000）

0 引言

我国中低压配电网线路总长度约占整个电网的95%，配电网故障占整个电网故障的70% 以上。单相接地故障是配电网常见的临时性故障，占配电网故障总量的80% 左右[1-2]。由于中低压配电网的中性点一般非有效接地，因此在单相接地的情况下，并不需要立即切除，根据章程规定可以继续运行1～2 h。单相接地故障如果得不到及时处理，可能会让健全线路因过电压发生绝缘击穿，进而发展为相间短路故障，造成故障扩大化[3-5]。

单相接地故障处理面临的主要困难是工频故障电流微弱与电弧不稳定，同时线路无法形成回路，接地故障电流是分布电容电流，数值比负荷电流小很多，故障特征也不明显，从而给故障的准确研判和定位带来很大的挑战[6-8]。

目前常见的小电流接地选线在单相接地故障处理方面大多采用暂态法[9]和稳态法[10]，其中，对于暂态法，暂态特征仅在接地瞬间存在，一旦漏检就无机会再次检测，对互感器的要求低；对于稳态法，稳态特征始终存在，对互感器精度要求高[11-12]。无论是暂态法还是稳态法，都需要采集线路上的零压和零流，无法在不停电、不改造和更换现有设备的基础上实现单相接地故障的准确研判。

为解决以上问题，本文提出了一种基于相突变电流不对称（Δi-Phase Current Asymmetry，Δi-PCA）原理的分布式小电流接地选线保护方法，无须停电和增加互感器以及更换现有设备，只要检测线路中的A、B、C三相电流即可实现对10 kV 小电流接地系统实时检测预警，精确研判单相接地故障和故障选线跳闸。

1 基于相突变电流不对称原理的区段定位策略

1.1 相突变电流不对称（Δi-PCA）算法原理

基于电路理论基础，采用电路解析方法，对小电流接地系统单相接地故障进行分析。在单相接地故障时，如图1所示，健全线路以及故障所在线路的故障下游的终端，同一点测得的三相突变电流相同，三相电流突变量就是接地故障时的电容电流量；故障所在线路的故障上游的终端，两健全相的突变电流相同，而与故障相在幅值和波形上差异较大，接地点则为全网电容电流量及可能中性点零序电流之和。利用此差异特征进行单相接地选线和定位。此方法不受中性点接地方式等因素影响，耐过渡电阻能力强。

图1 发生单相接地故障时Δi-PCA 分布示意图

分析故障前各线路各相的相电流表达式如下：

式中：inp为故障前某条线路的某相电流量，n为线路编号，p为A、B、C 任一相；inpC为该相电容电流量；inpL为该相负荷电流量；Cnp为本线路某相对地电容；uN为中性点对地电压；ep为电源某相电压。

故障后，以线路1的A 相接地故障为例，故障点之前故障相测量电流量表达式如下：

式中：i1Af为图1中故障时线路1的A 相电流量；i1ACf为线路1的A 相电容电流量；i1ALf为线路1的A 相负荷电流量；if为单相接地故障点电流，且if≠0；C1A为线路1的A 相对地电容；uNf为中性点对地电压；eA为电源相电压。

而非故障线路及故障线路非故障相及故障点之后的测量电流表达式如下：

式中：n为线路编号；对于故障线路，p为非A 相及故障点之后的A 相；对于健全线路，p为A、B、C 任一相；inpf为非故障线路及故障线路非故障相及故障点之后的某相电流量；inpCf为该相电容电流量；inpLf为该相负荷电流量；Cnp为本线路某相对地电容；uNf为中性点对地电压；ep为电源某相电压。

在故障前后，可以认为系统电压保持不变，且负荷电流由于线电压依然对称而可以认为不变，则故障线路故障点前的故障相电流突变量表达式由公式（1）和（2）推导如下：

在故障前后，健全线路和故障线路非故障相及故障点之后的相电流突变量表达式同样由公式（1）和（3）推导如下：

当10 kV 配网系统发生单相接地故障时，由公式（5）分析可知，健全线路的三相相电流突变量为对地电容电流，其特征是幅值大小相等、波形一致，具有对称性。故障线路两个非故障相的突变电流是相同的，而故障相的突变电流除了故障点的故障电流外还包含了故障点的对地电容电流，如公式（4）表达式分析结果，为所有非故障线路对地电容电流的相量和，表现特征是远大于非故障相Δi，且波形不一致，具有不对称性的特征。因此，公式（4）和公式（5）的故障相和非故障相的Δi表达式，就是基于Δi-PCA 原理的保护判据基本理论公式，此理论公式可以作为小电流接地系统发生单相接地故障时的判断依据。

1.2 采用Δi-PCA 技术实现单相接地故障的研判

10 kV 配电线路发生单相接地故障的时候，配电网架结构将发生突变，线路上相应的电流相量也会发生突变。通过在10 kV 配电线路上合理布置基于Δi-PCA 原理的故障检测装置，在发生接地故障时实时采集线路上的A、B、C 三相电流，然后利用Δi-PCA 算法获得有效的研判数据，无须零压和零流的测量就能实现对10 kV线路小电流中性点不接地系统的故障检测，同时把结果上报配网主站，实现精准的接地故障定位和选线。

2 相突变电流不对称系统启动和动作判据主要逻辑

2.1 Δi-PCA 启动和动作判据主要逻辑

式中：k0为启动系数；Δiset为相突变电流量最小定值；ip为某相电流量，p为A、B、C 三相电流中任一相。

在启动判断中，采用惯性数据窗方法，增强抗干扰能力。数据窗均满足启动判据时，才确认可能有单相接地故障导致相突变电流，然后置启动标志确认启动。否则，就确认不启动。

在设计启动元件时，采用一旦满足启动算法，就立刻锁存启动时刻采样数据指针，捕捉启动点用于后续判断和识别数据记忆存储的启动计算等。一般启动元件配置在采样处理部分要求每个采样间隔处理一次，保证启动的实时性和灵敏性。启动元件逻辑框图如图2所示。

图2 Δi-PCA 启动元件逻辑框图

动作判据由主判据相不对称元件、辅助判据元件和控制字组成，再加上必要的延时，综合决策结果。Talarm为告警时间，整定范围0.00～300 s；ttrip为跳闸时间，整定范围0.0～300 s。动作判据逻辑图如图3所示。

图3 动作判据主要逻辑示意框图

2.2 Δi-PCA 启动和动作的返回

（1）启动返回判据：

（2）启动长时返回判据：

（3）动作返回判据：

式中：3i0ppt为当前采样点一个周波3i0（3i0=ia+ib+ic）计算采样值中峰峰值差的绝对值；3i0pp1T为记忆第一个周波3i0计算采样值中峰峰值差的绝对值；kr为返回系数，整定范围0.10～1.0；t为启动或动作返回时间；trtrip为动作返回时间定值。

设备启动与动作返回逻辑示意图如图4所示。

图4 设备启动与动作返回逻辑示意图

3 故障检测和判断

3.1 单相接地故障检测

发生单相接地故障时，接地故障类型可能千差万别，种类非常多，但总体上可以按照永久性故障、间歇性故障和瞬时性故障三种类型划分，如图5所示，其识别原则如下：

图5 单相接地故障判断依据示意图

（1）永久性故障判据：

式中：kfr为可靠系数，范围0.10～1.0；tforever为永久性故障时间，范围0～10 s。

（2）间歇性故障判据：

式中：kwr为可靠系数，范围0.10～1.0；twork为本次启动后工作时间。

（3）瞬时性故障判据：

式中：ktr为可靠系数，范围0.10～1.0；ttransient为瞬时性故障时间。

3.2 过电流检测

采用三相电流分相过流判断逻辑与限时动作的方式。在启动元件未动作时，满足过流条件并延时到告警；在启动元件动作时，满足过流条件并启动点计时25 ms先发闭锁信号，并延时到告警。当过电流检测动作时，发出告警信号，并给出相应的动作报文和就地指示灯。在动作后不满足过电流动作判据时，过电流检测瞬时自动返回。

过电流检测判据：

式中：IA、IB、IC为三相电流有效值；Iset为过电流检测整定值；tOC为过电流检测告警时间。

启动元件动作t≥25 ms置闭锁标志。

过电流检测判断依据如图6所示。

图6 过电流检测判断依据示意图

3.3 剩余电流告警

剩余电流保护是指保护装置接入外部流出和流回的电流线路（如相线和中性线），正常时大小相等、方向相反则其和流为零，被保护部分有接地故障时将有电流通过地流回，导致保护安装处电流不再平衡产生所谓的“剩余电流”，当剩余电流达到一定值时保护动作。

剩余电流告警动作判据：

式中：3i0=ia+ib+ic；3I0set为零序电流定值；trd为剩余电流动作时间。

3.4 CT 断线告警

CT断线/缺相告警功能，采用最大电流高于起判准确电流定值而小于1.5倍额定电流时，任一相或两相电流值变化量高于门槛值时，经延时判断是否发生了CT断线或缺相。在启动元件未动作时，符合判据条件下，延时25 ms置闭锁标志，延时3 s给出告警信号，并给出相应的动作报文和就地指示灯；在启动元件动作时，符合判据条件下，启动点计时25 ms置闭锁标志，延时3 s给出告警信号。

4 应用实践

某电力公司10 kV 线路多数不具备零序电压互感器和零序电流互感器，目前运行中的存量配电终端多数不具备单相接地告警功能。如改造一次设备（增加零序互感器）并更换二次终端，改造成本太高，同时还需要停电，从而影响了系统的整体可靠性。采用基于Δi-PCA原理的单相接地检测装置完美地解决了该难题。

4.1 改造前提条件

（1）每条线路具备Ia、Ib、Ic三相电流。若现场只有A、C 两相电流，可以增加开口电流互感器卡在B 相上（变比与其他两相相同）。

（2）配电终端上具备冗余遥信。

（3）配电终端上具备通过101规约将接地告警遥信增加到之前的遥信点表中并转发主站的能力。

4.2 改造方案

4.2.1 变电站10 kV 出线单相接地解决方案

如图7所示，在每个10 kV 间隔柜的二次小室内卡导轨安装单回线路单相接地检测装置，所有单相接地检测装置与变电站内自动化设备按照IEC 101规约上送单相接地故障遥信。每个二次小室内增加电源端子及电流转接端子，其中一个间隔还需要安装电源模块和电源总开关，接入单相接地装置的电流回路优选测量CT以保证测量精度。

图7 变电站10 kV 出线单相接地解决方案

4.2.2 开闭所10 kV 进出线单相接地解决方案

如图8所示，在投运的自动化设备机柜上安装两个机架式线路单相接地检测装置，接地检测装置级联完成单相接地故障检测。按照IEC 101规约上送单相接地故障遥信。自动化设备机柜内增加电流转接端子，以便将每回路三相电流串连接入单相接地装置。接入单相接地装置的电流回路优选测量CT 以保证测量精度，没有测量CT时也可以接入保护CT。

图8 开闭所10 kV 进出线单相接地解决方案

4.3 模拟实验

如表1所示，模拟实验验证了装置单相接地故障判断功能的正确性，表明采用基于Δi-PCA 原理的分布式小电流接地选线保护方法能大大提高单相接地故障防御能力，避免了传统的人工巡查、拉路选线的弊端，大幅提升了选线正确性，提高了工作效率。

表1 单相接地模拟实验

5 结语

近年来，随着国内配电自动化建设的大力推广，大量配电成套设备接入配电自动化系统，大大提高了用电的安全性和稳定性。本文提出的基于Δi-PCA 原理的分布式小电流接地选线保护方法，有效解决了在单相接地故障处理上困扰电力公司的难题，在不停电、不改造现有设备的前提下，在提高故障时研判的精准度，缩短故障检修时间，优化故障处理流程等方面具有明显的优势，可广泛应用于10 kV 小电流接地系统，具有很高的现场工程应用价值。