王 磊，鄒劍鋒，裘愉濤，江偉建，金 盛

(1.上海電力大學(xué)，上海 200090；2.國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中性點通常采用不接地、經(jīng)高阻接地或者經(jīng)消弧線圈接地的運行方式，其中中性點經(jīng)消弧線圈接地方式以其較高的供電可靠性在我國小電流接地系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

配電網(wǎng)線路故障分為兩大類：短路故障和單相接地故障[2]。配電網(wǎng)中低壓線路一般距離較短、分段較多，僅采用傳統(tǒng)的電流保護(hù)或距離保護(hù)，在整定值與動作時間上難以配合。雖然發(fā)生單相接地故障后允許運行1～2 h，但在實際運行中，系統(tǒng)往往要求盡快找到故障點，防止瞬時故障發(fā)展成永久故障或者單相接地故障發(fā)展成相間短路故障。

差動保護(hù)具有速動性和絕對的選擇性，以及不受運行方式影響等優(yōu)點，由于智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)終端點多、面廣且分散，配網(wǎng)差動保護(hù)一直沒有普及。隨著5G技術(shù)的不斷成熟，配網(wǎng)差動保護(hù)可以快速部署，而且初期投資成本相對低，后期擴(kuò)容及維護(hù)很方便。不管是從目前的實際工程問題出發(fā)，還是今后的技術(shù)發(fā)展方向需要，都應(yīng)將5G通信技術(shù)和電流差動保護(hù)理念融合，通過差動保護(hù)有效實現(xiàn)故障的切除，提高系統(tǒng)安全性和供電可靠性。

目前小電流接地系統(tǒng)單相接地故障常用的故障定位方法有[3-5]：①行波法和阻抗法；②人工注入信號法；③矩陣算法和遺傳算法；④基于暫態(tài)零序相關(guān)系數(shù)法。但是這些方法都有各自的缺點，無法準(zhǔn)確實現(xiàn)故障的定位。

傳統(tǒng)配網(wǎng)通過建設(shè)全面的數(shù)據(jù)采集、可靠通信和高性能信息處理的智能結(jié)構(gòu)已發(fā)生了巨大的改變[6]，再利用5G技術(shù)傳輸線路兩側(cè)電氣量信息，可以有效降低基建成本，實現(xiàn)縱聯(lián)差動保護(hù)。

本文研究在5G通信方式的基礎(chǔ)上，通過判定3次及5次諧波電流實現(xiàn)快速差動保護(hù)的可行性，利用仿真分析架空線路、電纜線路以及在線路首端或者末端，過渡電阻影響下差動保護(hù)可以有效減小故障范圍擴(kuò)大，滿足供電可靠性要求，提升配電網(wǎng)繼電保護(hù)水平。

1 縱聯(lián)差動保護(hù)基本原理

縱聯(lián)差動保護(hù)通常基于功率方向、電流幅值和相位比較來區(qū)分區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障，可以根據(jù)不同的信息傳輸通道，采用不同的信息傳輸技術(shù)。在輸電線路中通常應(yīng)用閉鎖式功率方向差動保護(hù)，傳輸數(shù)據(jù)相對電流保護(hù)較少，需要的通道帶寬小。與輸電網(wǎng)中性點直接接地不同，配網(wǎng)系統(tǒng)通常采用中性點經(jīng)消弧線圈接地運行，發(fā)生單相接地故障時無法直接應(yīng)用該原理實現(xiàn)縱聯(lián)差動保護(hù)。

傳統(tǒng)電流保護(hù)由于配網(wǎng)線路分段過多，使線路保護(hù)時限難以有效配合，不利于滿足選擇性要求。國網(wǎng)浙江嘉興分公司研究了5G通信下差動保護(hù)的應(yīng)用，在不增加斷路器、利用現(xiàn)有線路分段結(jié)構(gòu)的情況下，在多段重點線路兩側(cè)裝設(shè)基于5G通信網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸?shù)牟顒颖Ｗo(hù)，與電流三段保護(hù)相配合，不僅實現(xiàn)了故障選線，而且可以在雙重化原則下只切除故障線路故障段，避免故障范圍擴(kuò)大，減少停電時間。配網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)接線原理圖如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)接線原理圖

在圖1中，當(dāng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，可能會產(chǎn)生電弧，使非故障相電壓進(jìn)一步升高，從而使設(shè)備絕緣破壞，發(fā)生永久性故障而降低供電可靠性。為了減小故障電流，通常在變壓器中性點安裝一個大電感(產(chǎn)生的感性電流與容性電流相抵消)。為了避免中性點產(chǎn)生諧振過壓，配網(wǎng)多采用過補償?shù)姆绞?，一般過補償度為5%～10%。在系統(tǒng)實際運行中，由于對地電容電流隨外界環(huán)境的變化而變化，因此多將上級變壓器容量的20%作為計算消弧線圈的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

過補償理論計算公式：

(1)

式中IL——補償?shù)碾姼须娏?；Kp——過補償度；IC∑——全系統(tǒng)對地電容電流之和。

1.1 相電流差動保護(hù)基本原理

相電流差動保護(hù)基本原理建立在基爾霍夫電流定理的基礎(chǔ)上，外部故障或者正常運行時，流過線路兩側(cè)的電流之和等于零。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于不構(gòu)成短路回路,接地短路電流比負(fù)荷電流小[8]。由于線路末端變壓器通常采用Y接地方式，發(fā)生單相接地故障后如果輸電線不斷，負(fù)荷電流依舊存在，線路末端電流幅值在相位故障前后未發(fā)生變化，故障相流過兩側(cè)電流之和為故障點電流，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)即使采用過補償方式，也會由于過補償度不大，使得故障點穩(wěn)態(tài)電流很小，很難識別是否區(qū)內(nèi)發(fā)生故障[9]。

差動保護(hù)整定公式：

Iset=KerKstKnpIkmax

(2)

式中Ker——誤差系數(shù)，取0.1；Kst——同型系數(shù)，取0.5；Knp——非周期分量系數(shù)，取1.5～2.0；Ikmax——外部故障時最大通過短路電流。

1.2 零序電流縱聯(lián)差動保護(hù)基本原理

零序電流差動保護(hù)基本原理與故障相電流差動保護(hù)相似，區(qū)別在于采用兩側(cè)零序電流之和作為判別發(fā)生區(qū)內(nèi)或者區(qū)外故障的標(biāo)準(zhǔn)。

故障線路兩側(cè)所接變壓器為Y接線方式，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，三相線電壓依舊保持對稱，線路末端零序電流為零。如果故障線路與線路末端變壓器之間還有分段線路，此時線路末端零序電流為分段線路對地電容電流之和，若該線路為電纜線路且線路較長，則零序電流較大。

差動保護(hù)整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax

(3)

式中I0kmax——本段線路末端發(fā)生接地故障最大零序電流。

當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，兩側(cè)零序電流之和：

(4)

由式(4)可知，發(fā)生單相接地故障時流過繼電器零序電流之和實際就是故障電流和本線路非故障相對地電容電流之和。如果中性點經(jīng)消弧線圈接地，接近于完全補償，故障電流就會很小。本線路對地電容電流僅與本線路對地電容大小有關(guān)(電纜線路越長，零序電流越大)，與故障點是否在區(qū)內(nèi)無關(guān)，所以零序差動保護(hù)無法實現(xiàn)故障點的選線及定位。

2 諧波電流差動保護(hù)基本原理

一般情況下，小電流接地線系統(tǒng)按中性點接地方式分為不接地和經(jīng)消弧線圈接地兩種形式[10]。當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于配網(wǎng)變壓器飽和等原因，電流波形會發(fā)生畸變，短路瞬間產(chǎn)生大量高次諧波成分，其中奇數(shù)次諧波含量較大，高次諧波含量會隨諧波次數(shù)的增大而減小。由于故障點、消弧線圈、變壓器等電氣設(shè)備的非線性影響，故障電流中存在諧波信號，其中以5次諧波分量為主[11]。如果變壓器繞組三角形連接，則3次諧波就會形成環(huán)流，不會流入電力系統(tǒng)中，而如果線路兩側(cè)變壓器為Y形接線方式且與線路末端變壓器間存在其他分段線路，通常含有較大3次及5次諧波，經(jīng)幾個周期衰減后消失[12]。

(5)

當(dāng)發(fā)生單相接地時，三相n次諧波的電流表達(dá)式如下：

IL(n)=Eφ(n)/(nωL)

(6)

IC∑(n)=3Eφ(n)nωC∑

(7)

Ik(n)=IC∑(n)-IL(n)

(8)

式中IL(n)——消弧線圈產(chǎn)生的n次諧波電流；L——消弧線圈電感值；Eφ(n)——系統(tǒng)n次諧波相電勢；IC∑(n)——全系統(tǒng)n次諧波非故障相對地電容電流之和；C∑——全系統(tǒng)非故障相對地電容之和；Ik(n)——故障點n次諧波電流。

對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，補償后故障點的基波電流很??；對于n次諧波，容性電流為原來的n倍，而補償?shù)母行噪娏鲀H為原來的1/n，故補償電流可以忽略不計。因此，基于高次諧波可以構(gòu)造縱聯(lián)差動保護(hù)，實現(xiàn)故障定位。

(9)

式中ia(n)，ib(n)，ic(n)——n次諧波三相電流瞬時值；Im(n)——n次諧波電流幅值。

當(dāng)諧波次數(shù)n=3k，n=3k+1和n=3k-1時，諧波電流的方向與零序、正序及負(fù)序電流的方向一致，縱聯(lián)差動保護(hù)采用三次諧波電流之和(相當(dāng)于采用三相電流之和)作為判據(jù)，電流值較大，靈敏性相對于5次諧波大大提高。

差動保護(hù)整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax(n)

(10)

式中I0kmax(n)——本段線路末端發(fā)生接地故障時n次諧波最大零序電流。

當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，兩側(cè)電流之和：

(11)

IC(n)=3Eφ(n)nωCi

(12)

由式(12)可見，諧波次數(shù)越高，故障線路本身對地電容電流值越大。對地電容電流值越大，差動保護(hù)靈敏性越低。

3 Matlab仿真

通過 Matlab Simulink 建立10 kV中性點經(jīng)消弧線圈接地過補償運行方式的小電流接地仿真系統(tǒng)。設(shè)置三相電壓源為110 kV[13]；變壓器T1額定容量為20 MVA，變比為110 kV/10.5 kV；按照過補償8%設(shè)置消弧線圈，根據(jù)式(1)可以得出消弧電感為6 H，仿真模型有4條出線，線路1，2，43末端接變壓器T2，變比為10 kV/400 V，容量為640 kvar，高壓側(cè)Y形聯(lián)結(jié),低壓側(cè)Y形聯(lián)結(jié)中性點直接接地，接負(fù)載500 kW，功率因數(shù)0.85。為了仿真，在0.3 s時設(shè)置單相接地，將線路首端靠近母線的一側(cè)稱為母線側(cè)，線路末端遠(yuǎn)離母線的一側(cè)稱為對側(cè)，分別在線路1靠近母線側(cè)d1，線路41靠近母線側(cè)d2和對側(cè)d3，線路42靠近母線側(cè)d4，過渡電阻分別在0，100 Ω進(jìn)行仿真。線路阻抗參數(shù)如表1所示。線路類型長度如表2所示。

表1 線路阻抗參數(shù)表

表2 線路類型長度表

d1故障時線路1母線側(cè)零序電流測量值如圖2所示。由圖2可知，0.5 s時故障線路產(chǎn)生一個零序電流。由于補償電感較大，非周期分量隨時間衰減慢慢為零，補償后電流幅值僅為10 A左右，差動保護(hù)很難進(jìn)行故障選線及定位。d1故障時線路1兩側(cè)3,5次諧波零序電流幅值如圖3和圖4所示。

圖2 d1故障時線路1母線側(cè)零序電流測量值

圖3 d1故障時線路1兩側(cè)3次諧波零序電流幅值

圖4 d1故障時線路1兩側(cè)5次諧波零序電流幅值

由圖3和圖4可以看到，在單相接地后，故障線路母線側(cè)測量得到3,5次諧波零序分量突然變大，分別為50 A和70 A左右，與基波零序電流相比數(shù)值大大增加。而正常運行時，由于系統(tǒng)電流不含諧波，3,5次諧波零序分量為零；即使正常運行時由于非線性負(fù)荷使得系統(tǒng)含有少量3,5次諧波，本線路內(nèi)沒有故障點，故兩側(cè)3,5次諧波零序分量之和為零。因為線路1末端所接變壓器高壓側(cè)為Y接線方式，因此遠(yuǎn)離母線側(cè)測得3,5次諧波零序分量為零，與是否發(fā)生單相接地?zé)o關(guān)。3次諧波零序電流值如表3所示。5次諧波零序電流值如表4所示。

表3 3次諧波零序電流值

表4 5次諧波零序電流值

電流方向規(guī)定母線流向線路為正。從表3和表4可得，3，5次諧波在線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時差動電流都遠(yuǎn)大于區(qū)外故障時兩次諧波零序電流之和，靈敏性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波零序電流差動保護(hù)，但缺點是受過渡電阻影響極大，隨著過渡電阻的增加，諧波零序電流迅速減小。隨著人民生活水平的提高，實際運行的配網(wǎng)中含有大量整流、電弧爐及電氣機(jī)車等諧波源，諧波零序電流較多，減小了過渡電阻的影響。

由于配網(wǎng)中有時采用三角形的接線方式，3次諧波電流會在繞組內(nèi)形成環(huán)流，故采用5次諧波零序電流。在表3中，由d3故障可見，故障線路兩側(cè)均有較大諧波零序電流，故障線路至末端變壓器間線路越長，零序諧波電流越大。d3與d2故障的區(qū)別是線路首端與末端諧波零序電流不同，由于諧波時電感值增大5倍，不同位置故障使得零序電壓分布不同，進(jìn)而造成零序電流分布發(fā)生變化，可見此時靈敏性很高。在表3中，d4與d3故障時線路42兩側(cè)電流相位相反但是幅值變化不大，這是由于其相對電纜線路架空線諧波零序電流較小，可以忽略不計。如果電纜饋線多于兩條，故障線路后存在電纜線路，則與d3故障時故障線路情況相似，不會出現(xiàn)無法定位故障的問題。

綜上所述，由表4可以看出，以5次諧波零序電流幅值比較差動保護(hù)，在通常情況下可以有效將故障點定位。

4 結(jié)語

經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序和負(fù)序電流較小。由于受到系統(tǒng)本身三相不對稱或者負(fù)荷變動的影響，配電網(wǎng)分支眾多、架空電纜混合現(xiàn)象普遍，負(fù)荷短時變化大、線路異動率高。近年來，受到分布式電源大量增加等的影響，小電流接地系統(tǒng)故障選線及定位的可靠性一直是一個難以解決的問題[14-15]。隨著具備雙向、實時、高效等特點的電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的開展，通過合理應(yīng)用通信技術(shù)，促使電力傳輸?shù)睦寐?、穩(wěn)定性等得到有效增強，進(jìn)而促使電力運行穩(wěn)定性得到保證。電力物聯(lián)網(wǎng)將通過全面的數(shù)據(jù)采集、可靠通信和高性能信息處理使傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)產(chǎn)生巨大改變，通過物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，采用5G無線通信系統(tǒng)(具備足夠的帶寬)實現(xiàn)電流幅值比較差動保護(hù)。5次諧波零序電流差動保護(hù)有以下特點。

(1)受過渡電阻影響較大。由于饋線末端變壓器中性點不接地，發(fā)生單相接地故障后線路末端諧波零序電流為零。

(2)同一母線饋線越多，諧波零序電流差動保護(hù)越靈敏，線路中電纜線路越多越靈敏。

(3)一條饋線分段越多，每段越長，諧波零序電流差動保護(hù)越靈敏。線路中電纜線路越多越靈敏。

最后通過Matlab仿真驗證了配電網(wǎng)電流差動保護(hù)方法的可行性，可以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地選線及定位，既提高了故障定位的準(zhǔn)確度又滿足了實際工程需要，大大提高了配電網(wǎng)供電的可靠性。