王 亮，李 瑞，馮俊杰

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

中性點(diǎn)間接接地電網(wǎng)的故障線路選定研究

王 亮1，李 瑞1，馮俊杰2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

中性點(diǎn)間接接地方式普遍應(yīng)用于我國配電網(wǎng)系統(tǒng)中，該方式線路當(dāng)發(fā)生單相接地短路時，線路斷路器不會立即跳閘，電網(wǎng)運(yùn)行可靠性得到提高，但故障如果長期存在，將嚴(yán)重劣化線路的絕緣性能。在理論分析的基礎(chǔ)上，研究了中性點(diǎn)間接接地電網(wǎng)在一相短路故障時，產(chǎn)生的零序高頻電流，通過電磁暫態(tài)仿真軟件搭建模型進(jìn)行了仿真觀察。研究得出：中性點(diǎn)間接接地電網(wǎng)發(fā)生線路一相短路故障時，故障線路的零序高頻電流的起始半波幅值遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行線路，并且二者相位相反。最后提出一種故障信號處理方法，提高了故障線路選定的準(zhǔn)確性。

間接接地；零序高頻電流；故障線路查找

0 引言

我國中低壓配電網(wǎng)的中性點(diǎn)廣泛采用間接接地方式，分為不接地和電抗線圈接地兩種。當(dāng)線路發(fā)生一相短路故障后，由于電流回路近似開路，故障處的短路電流也就很小，因此允許線路在故障情況下短期繼續(xù)運(yùn)行，繼電保護(hù)裝置無須即刻動作跳閘。這樣確保了電網(wǎng)的持續(xù)供電；但同時故障處另外兩相的相電壓將增大，可能會劣化和損壞線路的絕緣子串，導(dǎo)致事故擴(kuò)大[1，2]。因此要及時查找和隔離故障線路。

研究表明：間接接地電網(wǎng)發(fā)生一相短路故障時，會產(chǎn)生豐富的零序高頻電流。可否利用瞬態(tài)過程中的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障線路查找，是近年來正在研究的課題[3-5]。

1 間接接地電網(wǎng)瞬態(tài)過程的理論分析

中性點(diǎn)通過電抗線圈接地電網(wǎng)發(fā)生一相短路故障時，根據(jù)楞次定律，電抗線圈中的電流不能突變。因此故障瞬間電抗線圈中的高頻電流幾乎可以忽略，其瞬態(tài)過程和中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)差別很小[3]?？衫脠D1中的等值電路分析間接接地電網(wǎng)瞬態(tài)過程。

圖1 間接接地電網(wǎng)一相短路故障高頻電流的等值電路

圖1 中為零序電源電壓，L為電源、三相線路和變壓器等在零序回路中的等值電感，C為線路的三相對地電容。R為零序回路中的等值電阻，即接地電流路徑的總電阻值。L0為電抗線圈電感。

忽略電抗線圈后，等值回路簡化為u(t)突然接通到R、L、C的串聯(lián)回路。對于架空線路，由于電流會迅速衰減。根據(jù)等值電路，列出方程如下

式（1）中uC為電容電壓。

此微分方程的根為

式 （3） 中 Um是穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓幅值，

求解微分方程，得到障發(fā)生在電源電壓瞬時值為最大值） 時，sinω0t= 1，求得瞬態(tài)過程中起始半波的最大值為

可以看出，零序高頻電流的起始半波幅值與穩(wěn)態(tài)電容電流的比值近似于ω0與ω之比，其比值可能達(dá)到數(shù)倍。通過分析得出以下結(jié)論。

a)在故障起始的瞬態(tài)過程中，零序高頻電流的幅值和頻率特性主要由高頻電容電流的特性所決定，電抗線圈的影響可以忽略。

b)不論中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)還是中性點(diǎn)通過電抗線圈接地電網(wǎng)，當(dāng)一相短路故障發(fā)生后，零序高頻電流在接地故障發(fā)生后的起始半波時刻達(dá)到最大，其數(shù)值達(dá)到穩(wěn)態(tài)電容電流的數(shù)倍。

c)零序高頻電流的大小同故障時刻電源相位有關(guān)，當(dāng)故障發(fā)生在故障相的相電壓接近于最大值時，零序高頻電流幅值最大。

上述過程從理論計(jì)算上驗(yàn)證了間接接地電網(wǎng)發(fā)生一相短路故障時，故障線路會產(chǎn)生豐富的零序高頻電流，而且不受中性點(diǎn)接地方式的影響。下面將通過仿真計(jì)算來進(jìn)一步驗(yàn)證利用零序高頻電流進(jìn)行故障線路查找的可行性。

2 間接接地電網(wǎng)故障仿真

2.1 模型搭建

采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD（power system computer aided design） 對間接接地電網(wǎng)進(jìn)行了建模與仿真。模型中電源采用無限大電源，主變壓器變比為110 kV/10 kV，聯(lián)結(jié)組別為Y/Y0；Y0側(cè)有中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)通過電抗線圈接地兩種接地方式。10 kV側(cè)有5條出線。線路模型采用基于分布參數(shù)的bergeron線路模型，線路參數(shù)見表1，線路長度見表2。

表1 線路參數(shù)

表2 仿真線路長度

該系統(tǒng)中，發(fā)生一相短路故障時總的穩(wěn)態(tài)對地電容電流為

式（5）中k為所有線路的總長度。當(dāng)電抗線圈按過補(bǔ)償10%整定方式時，電抗線圈電感大小為L=0.634 H。最終在PSCAD軟件中搭建模型見圖2。

圖2 PSCAD仿真模型

當(dāng)開關(guān)B斷開時為中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)，當(dāng)開關(guān)B閉合時為中性點(diǎn)通過電抗線圈接地電網(wǎng)。在線路F1首端設(shè)置了單相短路故障。

2.2 故障仿真分析

2.2.1 B為斷開狀態(tài)

線路F1發(fā)生一相短路故障，故障相為L1相，故障時刻為0.015 s（L1相電壓達(dá)到最大值），發(fā)生接地故障，仿真得到故障線路和正常運(yùn)行線路的零序電流的波形圖見圖3。

圖3 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)仿真波形（t=0.015 s）

由圖3可見，當(dāng)一相短路故障發(fā)生在故障相電壓為最大值時，故障線路和正常運(yùn)行線路在故障起始時都有幅值非常高的瞬態(tài)高頻信號，高頻分量在大約一個周波20 ms后迅速衰減為零，只剩穩(wěn)態(tài)分量。故障線路的零序高頻電流幅值達(dá)到正常運(yùn)行線路的2倍，并且故障線路故障初始時刻的起始半波的相位為正，運(yùn)行線路為負(fù)，即二者相位相反。另外二者穩(wěn)態(tài)工頻分量的相位也相反。

2.2.2 B為閉合狀態(tài)

故障設(shè)置同2.2.1，得到故障線路零序測量電流、正常運(yùn)行線路的零序電流，見圖4。

圖4 中性點(diǎn)通過電抗線圈接地仿真圖（t=0.015 s）

可以看出，中性點(diǎn)通過電抗線圈接地電網(wǎng)，當(dāng)在故障相電壓最大值時刻發(fā)生一相短路故障時，它的瞬態(tài)過程與中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)基本一致，二者瞬態(tài)過程的起始半波相位相反，幅值相差約一倍。但穩(wěn)態(tài)工頻分量具有相同的相位，即通過零序穩(wěn)態(tài)分量無法區(qū)分出故障線路。

2.2.3 B為斷開狀態(tài)

除了故障起始時間為0.02 s（L1相電壓過零值時刻），其他設(shè)置如2.2.1，仿真得到的波形圖見圖5。

由圖5可見，如果一相短路故障發(fā)生在故障相電壓過零值時刻，故障線路和正常運(yùn)行線路的零序電流的高頻分量都很小，信號準(zhǔn)確度也就無法保證。此時無法從零序高頻波形中區(qū)分出故障線路。

圖5 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)仿真波形（t=0.02 s）

2.3 數(shù)據(jù)處理

從2.2節(jié)看到，故障線路的零序高頻電流幅值約為運(yùn)行線路的2倍以上，由于二者數(shù)量級差別不是特別大，存在誤判的可能。而且實(shí)際運(yùn)行工況中，可能會發(fā)生線路一相經(jīng)高阻接地，接地電阻進(jìn)一步削弱了零序高頻電流的幅值，降低了故障判定和故障線路查找的準(zhǔn)確度。

對線路的零序高頻電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用以擴(kuò)大故障線路零序高頻電流與運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)差別[5]：由于零序高頻電流的最高頻率小于3 kHz[1]，可設(shè)置采樣頻率為10 kHz，有裕度地滿足采樣定律。設(shè)采樣時間為0.03 s，確保能提取到完整的高頻信號。對5條線路的零序電流分別進(jìn)行采樣處理，得到5條線路的零序高頻電流離散數(shù)值i1(t)～i5(t)。令第 m條線路的 im（t） 與除去 im（t） 以外的i1(t)～i5(t)分別做乘積運(yùn)算，并求平方后使得數(shù)據(jù)為正，然后對0.03 s時間內(nèi)的該數(shù)據(jù)求積分，求和后得到第m條線路的變量Im

利用式（6）求解2.2.1節(jié)和2.2.2的每條線路的Im數(shù)值，見表3和表4。可以看到故障線路F1的I1數(shù)值是正常運(yùn)行線路I2～I(xiàn)5的約10倍，因此通過Im值可以簡易并準(zhǔn)確地區(qū)分故障線路和正常運(yùn)行線路。

表3 B為斷開狀態(tài)下的Im數(shù)值

表4 B為閉合狀態(tài)下的Im數(shù)值

3 結(jié)束語

中性點(diǎn)間接接地電網(wǎng)單相短路故障線路查找問題一直是繼電保護(hù)的一個重要研究課題。基于零序高頻電流的起始半波相位比較法，通過比較判定所有出線中與其他線路的零序高頻電流起始半波相位均相反的線路作為故障線路，并且故障線路的零序高頻電流幅值明顯高于正常運(yùn)行線路。最后提出一種數(shù)據(jù)處理方法，增加了故障線路查找的準(zhǔn)確性。

[1] 張保會，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù) [M].北京：中國電力出版社，2005：55-60.

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[3] 劉謀海，方濤，姜運(yùn).基于暫態(tài)主頻分量相關(guān)性分析的故障選線方法 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44(2)：74-78.

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[5] 李輝，唐軼，孫常青.基于綜合選線策略的小電流單相接地故障選線裝置 [J].工礦自動化，2012（4）：34-38.

Faulty Line Shooting of Neutral Indirect Grounding Power System

WANG Liang1,LI Rui1,FENG Junjie2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China; 2.State Grid Maintenance Company of SEPC,Taiyuan,Shanxi030032,China）

The mode of neutral indirect grounding is extensively applied inpower distribution networks.When single-phase grounding short-circuit occurs,circuit breaker of the faulty line will not trip promptly under this mode so that it improves the reliability of power grid operation.However,if the fault exists for long time,insulation performance of lines will be deteriorated.Based on theoretical analysis,the paper studied the features of transient zero sequence high-frequency current when single-phase grounding fault occurs.In addition,simulation was established through the software of PSCAD as a result of validation.The researches showthat comparing with the non-faulty line,the amplitude of initial half-wave of transient zero sequence current of the faulty line is much higher,and the phase is reverse.Amethod ofdata processingoffault information was provided,which could improve the accuracyoffaultyline shooting.

indirect grounding;zerosequence high-frequencycurrent;faultyline shooting

TM862

A

1671-0320（2017）04-0020-04

2017-02-07，

2017-04-10

王 亮（1989），男，山西呂梁人，2014年畢業(yè)于華北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)試驗(yàn)與研究工作；

李 瑞（1981），男，山西臨汾人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，博士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)試驗(yàn)與研究工作；

馮俊杰（1986），男，山西呂梁人，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)，助理工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。