逄宗海，蘇漢

(保定供電公司，河北 保定 071051)

1 引言

小電流接地系統(tǒng)即中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)，它包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(也稱諧振接地系統(tǒng))和經(jīng)高阻接地系統(tǒng)［1，2］。在我國(guó) 6～10kV中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)［3］。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，單相接地故障率最高，約占配電網(wǎng)故障的80%以上［4］。自20世紀(jì)80年代中期微機(jī)型選線投入運(yùn)行以來(lái)，各廠家相繼提出了很多選線原理［5］，并研制出基于這些選線原理的多種產(chǎn)品。其主要算法有:基于穩(wěn)態(tài)量的零序電流比幅法、零序電流方向法、五次諧波法、零序電流有功分量法［6］、負(fù)序電流法［7］和注入信號(hào)法［8］，和基于暫態(tài)量［9］的互積求和法、電流差值比較法，以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［10］、粗糙集［11］和模糊理論［12］的信息融合技術(shù)法。其中基于現(xiàn)代信息融合技術(shù)選線法是研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，準(zhǔn)確動(dòng)作率高。但是無(wú)論采用哪種融合技術(shù)，均涉及到準(zhǔn)確鑒別零序電流和零序電壓相位問(wèn)題。本文從電路設(shè)計(jì)角度，深入分析鑒相電路的每一個(gè)環(huán)節(jié)，提高鑒相精度，提高選線準(zhǔn)確動(dòng)作率。

2 單相接地故障特征

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。以A相接地為例，Rg為接地點(diǎn)過(guò)渡電阻，K1、K2為中性點(diǎn)接地方式模擬開(kāi)關(guān)，在分析中性點(diǎn)不接地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，K1、K2都斷開(kāi);在分析中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，K1閉合，K2斷開(kāi)，消弧線圈阻抗ZL=RL+jXL，RL為消弧線圈回路電阻，XL為消弧線圈感抗;分析中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地時(shí)，K1斷開(kāi)，K2閉合，RN為中性點(diǎn)接地電阻。母線零序電壓為U0。

圖1 中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)零序等效網(wǎng)絡(luò)

各種中性點(diǎn)接地方式下單相接地故障零序電壓、電流矢量圖如圖2所示。

圖2 單相接地故障零序矢量圖

根據(jù)圖2中各種情況下的矢量圖，以母線零序電壓U0方向?yàn)閰⒖挤较?，將所有饋線的基波零序電流順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)90°。上述三種系統(tǒng)的非故障饋線的零序電流方向法均與零序電壓方向重合。中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)零序電流與零序電壓夾角為180°，對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)或中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)處于(0°，180°)。因此電路設(shè)計(jì)最苛刻的要求就是必須能將180°與0°區(qū)分開(kāi)，這將是本文的重點(diǎn)。

3 鑒相電路設(shè)計(jì)

3.1 鑒相電路組成

從PT開(kāi)口三角處取得零序電壓U0，由每條饋線的零序CT獲得其零序電流I0?？紤]最為惡劣的情況，即零序電流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后，故障支路零序電流與零序電壓方向相反，而非故障支路零序電流與零序電壓同相位;鑒相電路包括多個(gè)信號(hào)處理模塊，流程圖如圖3所示。

圖3 鑒相電路模塊組成

零序電壓信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，濾波器中心頻率為50Hz，濾除高頻諧波和直流分量。經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器將正弦波轉(zhuǎn)換為矩形波，對(duì)矩形波積分得到鋸齒波。鋸齒波經(jīng)過(guò)整形，還原為矩形波，但相位發(fā)生變化，相位變化與積分電路參數(shù)緊密相關(guān)。對(duì)改變相位后的矩形波進(jìn)行微分運(yùn)算，形成尖峰脈沖。零序電流信號(hào)通過(guò)帶通濾波器，將零序電流基波分量放大后，經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器將正弦波形轉(zhuǎn)換為矩形波。線與模塊是鑒相關(guān)鍵一步，將零序電壓尖峰脈沖與零序電流矩形波做邏輯與運(yùn)算，如圖4所示。虛線矩形波為零序電流，尖峰脈沖為零序電壓處理后的波形，Po2為上述兩個(gè)信號(hào)線與結(jié)果，即零序電流為高電平時(shí)，其間的零序電壓尖峰脈沖被保留。

圖4 乘法器

3.2 積分常數(shù)的確定

積分常數(shù)τ決定零序電壓相移大小，相移過(guò)大會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障無(wú)法識(shí)別。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)如果工作在欠補(bǔ)償工況下，則故障時(shí)零序電壓與零序電流夾角位于第三象限，與中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)特征相同，不存在識(shí)別錯(cuò)誤。但實(shí)際中中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)一般采用過(guò)補(bǔ)償方式，這樣故障時(shí)零序電壓與零序電流夾角位于第二象限。這時(shí)如零序電壓相移過(guò)大，則U0與I0重合或者零序電流超前，導(dǎo)致誤判。如果電壓相移過(guò)小，則在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中脈沖過(guò)窄，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別脈沖。

根據(jù)過(guò)補(bǔ)償5% ～10%的要求，同時(shí)保證CPU能識(shí)別出窄脈沖，仿真計(jì)算得到相移在(5°，20°)范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生誤判。即必須滿足下式:

根據(jù)式(1)可以確定積分常數(shù)τ。

方波的積分電路原理如圖5所示。

圖5 方波積分電路

根據(jù)t的取值范圍得到積分常數(shù)的取值范圍為(0.282，1.002)，再根據(jù)τ就能很容易的設(shè)計(jì)出合適的微分電路。

3.3 各種系統(tǒng)單相接地故障的識(shí)別結(jié)果分析

根據(jù)式(4)選定τ=0.3，得到三個(gè)小電流接地系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果如圖6所示。

圖6 單相接地故障識(shí)別結(jié)果

①和②波形分別為中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)零序電流矩形波;③波形為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)零序電流矩形波形。④波形為非故障饋線零序電流矩形波，零序電流與零序電壓同相;從圖中可以看出中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障均能較好的識(shí)別，由于選擇的微分常數(shù)接近臨界值，所以出現(xiàn)過(guò)窄脈沖，但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)仍不影響故障識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了我國(guó)目前小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)的故障特征，指出了鑒相電路在故障信息提取時(shí)的重要作用。重點(diǎn)介紹了鑒相電路的組成，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求，計(jì)算得出微分電路的微分常數(shù)取值范圍，對(duì)電路設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用，提高了故障識(shí)別的準(zhǔn)確率。同時(shí)若提高系統(tǒng)處理器的采樣速率，能采樣到更窄的脈沖，系統(tǒng)將會(huì)更加穩(wěn)健。

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