丁網(wǎng)林，溫傳新，駱 健

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京中德保護(hù)控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210003）

為了保障供電的可靠性，35 kV以下的供配電系統(tǒng)多為中性點(diǎn)不接地或經(jīng)過(guò)消弧線圈接地的系統(tǒng)。大型工業(yè)用戶的配電系統(tǒng)，同一電壓等級(jí)的配電系統(tǒng)中階梯式多級(jí)供電情況越來(lái)越多[1]。這一方面是因?yàn)榇笮凸I(yè)用戶負(fù)荷比較分散決定的，另一方面階梯式供電方式也可以提高工業(yè)用戶的建設(shè)投資，保障供電的可靠性。但是階梯式多級(jí)供電對(duì)繼電保護(hù)的選擇性也提出了更高的要求，對(duì)于相間過(guò)流保護(hù)通過(guò)帶時(shí)限的配合可以很好地解決問(wèn)題，但是對(duì)于線路的單相接地，傳統(tǒng)的小電流接地選線，在本系統(tǒng)中就失去了選擇性，有時(shí)還會(huì)造成上級(jí)保護(hù)的誤判和誤動(dòng)。上級(jí)進(jìn)線的誤動(dòng)，造成相應(yīng)的母線失電，給用戶造成巨大的損失。根據(jù)上述的分析可知，現(xiàn)有的小電流接地選線保護(hù)，對(duì)于階梯式供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)失去了選擇性，實(shí)際應(yīng)用中也經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)的情況。首先分析了階梯式不接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)的電氣量特殊，然后針對(duì)現(xiàn)有小電流接地選線用于階梯式供電系統(tǒng)存在不足的現(xiàn)狀，提出了一種可靠性高、選擇性強(qiáng)的新方法，該方法很好地解決了用戶現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)故障特征分析

1.1 階梯式供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)模型

如圖1所示，為階梯式n級(jí)供電系統(tǒng)的物理模型，規(guī)定進(jìn)線側(cè)電流正方向?yàn)榫€路流向母線，而出線側(cè)電流正方向?yàn)槟妇€流向線路。設(shè)第n段母線上所帶出線條數(shù)為m，每條線路對(duì)地電容為（i=1，2，…，m），第n-1段母線上出線條數(shù)為j，每條線路對(duì)地電容為（i=1，2，…，j），第n-2 段母線上出線條數(shù)為w，每條線路對(duì)地電容為（i=1，2，…，w）。不考慮相間電容，設(shè)系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì)為E，不考慮級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的電壓壓降。

n段母線上每條出線對(duì)地電容電流為：

n段母線的進(jìn)線對(duì)地電容電流為：

同理，n-1段母線的進(jìn)線電容電流為：

1.2 單相接地物理量分析[2，3]

1.2.1 P1點(diǎn)發(fā)生A相接地時(shí)的零序電氣量特征

如圖2所示，設(shè)第n段母線的第k條出線的P1點(diǎn)發(fā)生A相接地故障，則故障點(diǎn)處各相電壓和零序電壓為：

故障線路各相對(duì)地電容電流為：

則非故障線路側(cè)各相對(duì)地電容電流和零序電流為（i≠k）：

第n段母線進(jìn)線各相對(duì)地電容電流和零序電流為：

設(shè)第n段母線與第n-1段母線之間的級(jí)聯(lián)線為第n-1段母線的第r條出線，則該條出線的對(duì)地電容電流和零序電流為：

同理可得，第n-1段母線進(jìn)線零序電流為：

設(shè)第n-1段母線與第n-2段母線之間的級(jí)聯(lián)線為第n-2段母線的第z條出線，則該條出線的零序電流為：

由式（19）可知，在第n段母線出線發(fā)生故障時(shí)，第n段母線進(jìn)線零序電流為n段母線上每條出線對(duì)地電容電流之和與系統(tǒng)接地電流之差，考慮系統(tǒng)接地電流肯定大于n段母線上每條出線對(duì)地電容電流之和，所以第n段母線進(jìn)線零序電流方向?yàn)槟妇€流向線路。由式（23）可知對(duì)于n-1段母線出線而言其零序電流方向?yàn)榫€路流向母線。同理由式（24）和式（25），n-1段母線進(jìn)線零序電流方向?yàn)槟妇€流向線路。n-2段母線出線零序電流方向?yàn)榫€路流向母線。

由式（11）可知故障線路零序電流方向?yàn)榫€路流向母線。可見(jiàn)這種情況下，級(jí)聯(lián)線路零序電流方向和故障線路零序電流方向相同。

1.2.2 P2點(diǎn)發(fā)生A相接地時(shí)的零序電氣量特征

如圖3所示，當(dāng)在n段母線與n-1段母線之間的級(jí)聯(lián)線P2點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，同上分析過(guò)程可得各段母線的進(jìn)線和出線的零序電流如下。

第n段母線進(jìn)線零序電流為：

第n-1段母線出線（第r條出線）零序電流為：

第n-1段母線進(jìn)線的零序電流為：

第n-2段母線出線的零序電流為：

1.2.3 P3點(diǎn)發(fā)生A相接地時(shí)的零序電氣量特征

如圖4所示，當(dāng)在n-1段母線與n-2段母線之間的級(jí)聯(lián)線P3點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，同上分析過(guò)程可得各段母線的進(jìn)線和出線的零序電流如下。

第n段母線進(jìn)線零序電流為：

第n-1段母線出線（第r條出線）零序電流為：

第n-1段母線進(jìn)線的零序電流為：

第n-2段母線出線的零序電流為：

從上面對(duì)P2點(diǎn)和P3發(fā)生A相接地的零序電氣量特征的分析可知，對(duì)于級(jí)聯(lián)線路，作為進(jìn)線側(cè)的零序電流方向均由母線流向線路，作為出線的零序電流方向均由線路流向母線?？傊骷?jí)級(jí)聯(lián)線路流過(guò)的零序電流與故障線路的零序電流方向相同。

1.3 傳統(tǒng)接地保護(hù)及漏電保護(hù)特性分析及缺陷

1.3.1 基本原理介紹

傳統(tǒng)的小電流接地保護(hù)原理有：

（1）基于零序電流和零序電壓的五次諧波原理[4]；（2）基于出線端的零序功率方向的原理[5，6]。

1.3.2 缺陷分析

（1）對(duì)于單級(jí)供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，只有出線端的零序電流，不存在級(jí)聯(lián)線路零序電流的問(wèn)題，所以傳統(tǒng)的利用零序電流方向的小電流接地保護(hù)原理方法能很好地解決不接地系統(tǒng)單相接地造成的問(wèn)題。

（2）對(duì)于階梯式多級(jí)供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)某級(jí)母線的出線發(fā)生單相接地故障時(shí)，由1.2分析可知，該級(jí)母線以上的各級(jí)級(jí)聯(lián)線路流過(guò)的零序電流與故障線路的零序電流方向相同，大小相似，利用零序電流方向很難保證故障識(shí)別的選擇性。

2 新型保護(hù)原理

2.1 同一條線路既作進(jìn)線又作出線電流特性分析及解決

2.1.1 P1點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障分析

當(dāng)P1點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，第n段母線與第n-1段母線之間的級(jí)聯(lián)線路在n-1側(cè) （出線端）的零序電流見(jiàn)式（23），其方向?yàn)榫€路流向母線，在n側(cè)（進(jìn)線端）的零序電流見(jiàn)式（19）,其方向?yàn)槟妇€流向線路.對(duì)于重要負(fù)荷線路正常都裝設(shè)光纖差動(dòng)保護(hù)，則級(jí)聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序差流為：

由式（34）易知當(dāng)?shù)趎段母線出線故障時(shí)，級(jí)聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序差流為級(jí)聯(lián)線路本身零序電容電流的大小，方向?yàn)橛赡妇€流向線路。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相反。

2.1.2 P2點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障分析

當(dāng)P2點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，第n段母線與第n-1段母線之間的級(jí)聯(lián)線路在n-1側(cè) （出線端）的零序電流見(jiàn)式（27），其方向?yàn)榫€路流向母線，在n側(cè)（進(jìn)線端）的零序電流見(jiàn)式（26），其方向?yàn)榫€路流向母線，則聯(lián)線路在第n-1段母線出線側(cè)零序差流為：

由式（35）易知當(dāng)?shù)趎段母線與第n-1段母線之間的級(jí)聯(lián)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，級(jí)聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序差流為系統(tǒng)接地電流與該級(jí)聯(lián)線路本身電容電流之差，方向?yàn)橛删€路流向母線。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相同。

2.1.3 P3點(diǎn)發(fā)生A相單相接地故障分析

同2.1.3分析，當(dāng)P3點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，級(jí)聯(lián)線路在第n-2段母線出線側(cè)零序差流方向?yàn)榫€路流向母線。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相同。

此時(shí)第n段母線與第n-1段母線之間的級(jí)聯(lián)線路在n-1側(cè)（出線端）的零序電流見(jiàn)式（31），其方向?yàn)榫€路流向母線，在n側(cè)（進(jìn)線端）的零序電流見(jiàn)式（30）,其方向?yàn)槟妇€流向線路，則級(jí)聯(lián)線路在第n-1段母線出線側(cè)零序差流為：

由式（36）易知此時(shí)該級(jí)聯(lián)線路零序差流方向?yàn)槟妇€流向線路。此零序差流方向與故障線路的零序電流方向相反。所以利用級(jí)聯(lián)線路零序差流方向可以保證在級(jí)聯(lián)線路上一級(jí)發(fā)生故障時(shí)，該級(jí)聯(lián)線路不會(huì)誤動(dòng)。

2.2 新型判據(jù)原理

2.2.1 差流原理

由2.1分析可知，當(dāng)級(jí)聯(lián)線路發(fā)生區(qū)外的單相接地故障時(shí)，由出線端計(jì)算出的零序差流大小為本線路的電容電流，方向?yàn)樽陨霞?jí)母線流向線路；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，計(jì)算出的零序差流大小為系統(tǒng)接地電流與下級(jí)各個(gè)線路電容電流之差，遠(yuǎn)大于區(qū)外故障時(shí)的零序差流，方向?yàn)樽跃€路流向上級(jí)母線。因此，通過(guò)設(shè)定零序差流的門檻和判斷差流方向可以有效地進(jìn)行單相接地故障地判別。

2.2.2 方向比較（縱聯(lián)方向）

由上2.1分析可得，當(dāng)級(jí)聯(lián)線路下級(jí)母線出線發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路末端（進(jìn)線端）的零序電流方向?yàn)橛赡妇€流向線路。而當(dāng)線路本身發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，線路末端的零序電流方向?yàn)橛删€路流向母線。而級(jí)聯(lián)線路上級(jí)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以通過(guò)首端的零序電流方向判別。因此，在傳統(tǒng)的基于零序功率方向判據(jù)基礎(chǔ)上，增加線路出線側(cè)零序差流方向的判斷，可以可靠地判別線路本身區(qū)內(nèi)故障與下級(jí)母線出線發(fā)生的故障。

3 具體裝置的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上面分析可得，級(jí)聯(lián)線路故障時(shí)基于零序差流的動(dòng)作方程為：

基于方向比較原理的動(dòng)作方程為∶

動(dòng)作區(qū)域分別如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了階梯式供電中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)的零序電流特性，特別是發(fā)生區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)級(jí)聯(lián)線路中出線側(cè)和進(jìn)線側(cè)電流的大小和方向。在指出傳統(tǒng)的接地保護(hù)原理的不足的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了在級(jí)聯(lián)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障與下級(jí)母線出線發(fā)生單相接地故障時(shí)流過(guò)線路兩端的零序電流。提出了基于線路兩端零序差流與對(duì)雙端零序電流方向判別的接地保護(hù)原理。通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明了該保護(hù)原理的可行性。

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