錢 虹 黃正潤 阮大兵

（上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090）

我國6～35kV配電網(wǎng)中性點的接地方式大都為小電流接地方式，而在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障的概率最高。由于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電流幅值較小，可用的故障信息不夠明顯，此外，又受電壓初始相角及故障點接地電阻等因素的影響，所以故障選線一直以來都是配電網(wǎng)中的關鍵技術問題。

國內外已有相當?shù)奈墨I對這一問題進行了研究。如基于穩(wěn)態(tài)信號的群體比幅比相算法[1]、能量算法、5次或7次諧波算法[2]、無功功率算法等，但這些穩(wěn)態(tài)算法在處理大電阻接地、消弧線圈過補償及現(xiàn)場大干擾情況時有可能失效。近年來，也有人以小波變換為工具，分別提出了應用零序電流小波變換系數(shù)模值與極性[3-7]、模值的積分[8]和零序電壓電流的小波變換系數(shù)之比[9]作為選線判據(jù)。但基于小波變換的故障定位方法的選線精度可能會受短路發(fā)生時刻、故障點位置、過渡電阻以及小波基的選取等多因素的影響。

本文首先對小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障進行仿真，通過仿真分析得出各線路暫態(tài)零序電流的特征，即故障線路的暫態(tài)零序電流幅值最大、方向與所有的健全線路相反。據(jù)此，分析比較各線路暫態(tài)零序電流變化率的大小與極性，從而定位出故障線路。最后，采用Matlab搭建仿真模型，對不同的電壓初始相角、過渡電阻、故障位置以及中性點的不同接地方式進行仿真實驗，仿真結果證明該方法能夠準確、迅速地定位出故障線路，具有較強的可靠性、實用性。

1 暫態(tài)零序電流特征

1.1 暫態(tài)零序電流仿真分析

以Matlab6.5為仿真軟件，搭建小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真模型，如圖1所示。對中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障分別進行仿真分析，各線路的暫態(tài)零序電流分別如圖2和圖3所示。

從圖 2、圖 3可以看出，在故障的初始階段各線路有一個零序電流的突變量，故障線路零序電流突變的方向與非故障線路零序電流突變的方向相反，而所有健全線路的零序電流突變方向相同，并且故障線路零序電流突變量的幅值等于所有非故障線路零序電流突變量的幅值之和。

圖1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障仿真模型

圖2 中性點不接地系統(tǒng)的暫態(tài)零序電流

圖3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的暫態(tài)零序電流

1.2 小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)零序電流特征

為了進一步分析中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的暫態(tài)過程，首先得分析中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時的等效電路，等效電路如圖4所示。

圖4 暫態(tài)電流的等效電路

圖4中，U0：暫態(tài)零序電源電壓；rL、L：消弧線圈有功損耗的電阻和電感；L0：三相線路和變壓器的等值電感；C：三相的對地電容；R0：等值回路中的等值電阻；圖中的暫態(tài)電容電流為

式中，Icm為暫態(tài)電容電流的幅值；ωf為暫態(tài)自由振蕩分量角頻率；δ為自由振蕩分量的衰減系數(shù)，τC為電容回路的時間常數(shù)。而暫態(tài)電感電流為

式中，ILm為暫態(tài)電感電流的幅值；τL為電感回路的時間常數(shù)。

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障暫態(tài)零序電流由兩部分組成，一部分為暫態(tài)電容電流 iC，另一部分為暫態(tài)電感電流iL。由式（1）、式（2）可以看出暫態(tài)電容電流iC和暫態(tài)電感電流iL都包含了衰減的非周期分量和穩(wěn)定的周期分量。在暫態(tài)初始階段，電感回路的時間常數(shù)τL比較大，故暫態(tài)電感電流 iL衰減地比較慢，頻率比較低；而電容回路的時間常數(shù)τC數(shù)值比較小，故暫態(tài)電容電流iC衰減的比較快，其振蕩頻率主要由暫態(tài)分量決定，頻率比較高，因而兩者頻率的差別很大，不能夠相互補償。因此在故障的初始階段，暫態(tài)零序電流特性主要由暫態(tài)電容電流特性所決定，故不論中性點接地與否，故障點的暫態(tài)零序電流特性總是相同的。即在故障初始階段，流過故障線路的暫態(tài)零序電流幅值最大且等于流過所有健全線路的暫態(tài)零序電流幅值之和，電流方向與健全線路相反。這為后面選線判據(jù)的提出奠定了理論基礎。

2 選線原理

定義暫態(tài)零序電流變化率：

式中，T為故障后的特征時刻，為了提高選線的靈敏性和更易于實現(xiàn)，定義故障發(fā)生后半個周期內線路暫態(tài)零序電流幅值最大的時刻為特征時刻 T；t0為線路故障發(fā)生的初始時刻。

由式（3）計算出各線路的暫態(tài)零序電流變化率Ki(i=1, 2, …, n)，故障線路的暫態(tài)零序電流變化率幅值最大且方向與非故障線路相反，故障判據(jù)可用下式表示：

若第j條線路的暫態(tài)零序電流變化率Kj同時足式（4）、式（5），即該線路變化率的幅值最大且極性與健全線路相反，那么該線路就為故障線路。

3 仿真分析

利用圖1中的模型對中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)、中性點不接地系統(tǒng)，在不同的故障發(fā)生位置、過渡電阻、電壓初始相角下進行仿真驗證。

3.1 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真分析

1）不同故障發(fā)生位置的仿真分析

假設線路2發(fā)生單相接地故障，電壓的初始相角為90°，過渡電阻為20Ω，表1是不同故障發(fā)生位置的仿真過程和選線結果。

表1 不同故障發(fā)生位置的仿真過程與選線分析

由表1可以發(fā)現(xiàn)，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，不論故障發(fā)生在什么位置，該方法都可以準確、可靠地定位出故障線路。

2）不同過渡電阻的仿真分析

假設線路2在8km處發(fā)生A相接地故障，電壓初始相角為90°，表2是不同過渡電阻的仿真過程及選線結果。

表2 不同過渡電阻的仿真過程與選線分析

由表2可以看出，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，在不同過渡電阻的情況下該方法可以準確、可靠地定位出故障線路。

3）不同電壓初始相角的仿真分析

假設線路2在4km處發(fā)生A相接地故障，故障過渡電阻為20Ω。表3是不同電壓初始相角的仿真過程及選線結果。

表3 不同電壓初始相角的仿真過程與選線分析

由表3可以得出，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，該方法不受電壓的初始相角的影響，可以準確、可靠地定位出故障線路。

3.2 中性點不接地系統(tǒng)和經(jīng)電阻接地系統(tǒng)仿真分析

受篇幅限制，表4只給出中性點不接地系統(tǒng)在不同故障條件下的部分仿真過程及選線結果；表 5也只給出中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)在不同故障條件下的部分仿真過程及選線結果。

從表 4、表 5可以看出，對于中性點不接地以及中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，該方法不受過渡電阻、故障發(fā)生位置及電壓初始相角的影響，均可有效可靠地實現(xiàn)故障線路定位。

表4 中性點不接地系統(tǒng)的仿真過程與選線分析

表5 中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)的仿真過程與選線分析

4 結論

本文首先分析了小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時暫態(tài)零序電流的特征，即故障線路的暫態(tài)零序電流幅值最大，相位與所有非故障線路相反。據(jù)此，提出基于暫態(tài)零序電流變化率不同的選線判據(jù)，即故障線路的變化率幅值最大、極性與非故障線路相反。最后，通過Matlab搭建故障仿真模型，進行仿真驗證。實驗結果表明，本文所提出的選線方法不受過渡電阻、中性點接地方式、故障發(fā)生位置以及電壓初始相角的影響，選線原理簡單，具有較強的可靠性、實用性。

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