李必偉，李景祿，易洲楠，朱文葛，劉 洋

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410114)

0 引言

配電網(wǎng)接地方式大致分為不接地、電阻接地以及消弧線圈接地3種方式[1]。隨著城區(qū)配電網(wǎng)的線路不斷增加，電網(wǎng)的容性電流遠遠大于30 A，不接地方式已不再適用于城區(qū)配電網(wǎng)[2]。消弧線圈接地方式雖然能解決瞬時性故障，但是該方式不能準確選出故障線路切除故障，無法確保配電網(wǎng)安全運行[3-6]。小電阻接地方式由于其準確的選線能力而被廣泛應用，但該方式存在高阻故障選線失靈以及對無法保證配電網(wǎng)供電可靠性的問題[7-11]，為解決該系列問題眾多學者進行了大量研究。文獻[10]研究了各饋線出口處零序電壓、零序電流與接地電阻的關系，提出基于零序電壓比率制動的小電阻接地方式，保證在零序裝置保護區(qū)內發(fā)生高阻故障能準確動作，區(qū)外保護裝置不誤動，但該處理方式所診斷高阻故障只能達到1 000 Ω；文獻[12]提出電流、電壓暫態(tài)量信息判斷單相高阻接地故障，但隨著過渡電阻的增大，其暫態(tài)分量將越發(fā)不明顯；為解決小電阻供電可靠性，文獻[13]提出了中性點消弧線圈并電阻接地方式，從而滿足配電網(wǎng)供電可靠性以及瞬時性故障的準確熄弧，但該方法仍存在高阻選線失靈以及接地方式切換時易出現(xiàn)開關損壞等問題。

為解決配電網(wǎng)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相高阻接地故障選線難及供電可靠性低的問題，本研究將建立小電阻接地模型，研究小電阻接地系統(tǒng)零序電流、中性點電壓、三相電壓以及零序阻抗之間的關系，通過對上述參數(shù)的分析，提出一種動態(tài)電阻接地方式，用于彌補小電阻接地方式所出現(xiàn)的不足。

1 小電阻接地系統(tǒng)分析

1.1 故障分析

區(qū)別于消弧線圈接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時，小電阻接地系統(tǒng)所產生的故障電流較大，有利于故障檢測及時切除故障線路；同時小電阻接地方式可限制過電壓水平，避免過高的電壓損壞配電網(wǎng)設備。圖1為經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障模型，RN為中性點接地電阻，C1、C2、C3分別為輸電線路對地電容。

圖1 小電阻單相接地故障模型Fig.1 Small-resistance single-phase ground fault model

經(jīng)等效變換后其單相接地故障等效電路見圖2，Rd為故障處過渡電阻，U為故障相電壓。在中性點經(jīng)電阻接地的情況下，若系統(tǒng)C相發(fā)生單相接地故障時，其故障電流可表示為

圖2 單相接地故障等效電路Fig.2 Single-phase ground fault equivalent circuit

(1)

則中性點電壓表達式為

(2)

其非故障線路零序電流為：

(3)

(4)

故障線路零序電流為

(5)

對比上述公式可知系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，中性點電壓將發(fā)生偏移；故障線路的零序電流最大其大小為所有非故障線路零序電流之和。

1.2 高阻選線失靈

配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相故障時，由于其零序電流大，易滿足零序保護的靈敏性以及選擇性達到快速選線的效果而被廣泛應用在配電網(wǎng)。但配電網(wǎng)發(fā)生單相高阻接地故障，例如因雷擊、工人施工等導致線路斷線，會出現(xiàn)發(fā)生零序選線失靈的情況。表1為導線斷線時與不同地質表面接觸時過渡電阻阻值。

表1 不同接觸地面過渡電阻值Table 1 Transition resistance values at different contact grounds

系統(tǒng)零序保護Ⅱ段是為了彌補零序Ⅰ段的不足，應可靠躲過故障線路的電容電流以及相間故障時產生的不平衡電流。由公式(5)可知，對于10 kV中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，若中性點電阻為20 Ω，零序電流保護Ⅱ段整定值設置為30 A，經(jīng)計算可得到Ⅱ段保護動作的臨界過渡電阻為173 Ω。當該線路某條饋線單相接地故障過渡電阻大于173 Ω時，線路零序保護將無法啟動。當配電線路出現(xiàn)斷線故障，斷裂線路落在混泥土水泥地或者柏油路上，而該兩種接觸面過渡電阻都在500 Ω以上，遠遠大于線路臨界過度電阻；一般人體自身內阻抗電阻大約在1 000～1 500 Ω，過大的過渡電阻會使線路零序保護裝置不動作，故障線路不能及時切除，當事故發(fā)生地有行人路過時，極易發(fā)生人身觸電情況事故。

1.3 供電可靠性低

配電網(wǎng)線路大多存在架空—電纜混合線路，線路遭受雷擊時，線路絕緣子極易在過大的雷電沖擊電壓下發(fā)生擊穿，產生瞬時的接地電弧，因桿塔上裝設有接地裝置，其故障電流大多滿足零序保護裝置的整定值，線路將立即跳閘。小電阻接地方式保護特點是瞬時切除故障線路，但對于單電源放射式的配電系統(tǒng)，一旦限流發(fā)生跳閘，必然會使該地區(qū)供電可靠性降低。對于雷電活動頻繁的地區(qū)，由雷擊引起的跳閘事故發(fā)生率將大大提高，這嚴重影響了電網(wǎng)的供電可靠性。

2 動態(tài)電阻接地

2.1 動態(tài)電阻原理介紹

在配電網(wǎng)接地系統(tǒng)中，中性點經(jīng)小電阻接地方式都存在著高阻選線失靈以及供電可靠性低的缺陷。為確保電網(wǎng)的可靠運行、供電可靠性及經(jīng)濟性，本研究提出動態(tài)電阻接地方式，見圖3為動態(tài)電阻接地原理圖。

圖3 動態(tài)電阻接地原理圖Fig.3 Dynamic resistance grounding schematic

動態(tài)電阻接地裝置由接地變壓器引出配電線路中性點，R1、R2為中性點接地電阻，QFR1、QFR2為真空斷路器，AV、TV為電流互感器和電壓互感器用于提取流進中性點電流以及中性點電壓，將所提取的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C測控單元，由計算機判斷故障類型，對不同的故障類型進行不同的處理。動態(tài)電阻接地裝置初始狀態(tài)為中電阻接地，即動態(tài)電阻達到最大值。中性點動態(tài)電阻接地通過監(jiān)測中性點電壓(UN1、UN2為中性點電壓臨界值)將故障分為高、中、低阻3種故障狀態(tài)。

1)當配電網(wǎng)處于低阻故障時(UN>UN2)，由于動態(tài)電阻接地方式處于中電阻接地方式，其故障電流不會過大，從而導致裝置燒壞。線路上的零序電流互感器監(jiān)測各饋線上的零序電流，故障饋線零序電流由除該條饋線容抗外的容性電流以及中性點阻性電流之和，而非故障饋線零序電流為該自身饋線所產生的容性電流，因此故障饋線零序電流將遠大于非故障饋線零序電流，可通過確定最大的零序電流來選出故障饋線。同時通過一段時間的延時處理，檢測比較中性點所流過的電流及零序電流變化來判斷故障性質，進而判斷是否切除故障線路。

2)當配電網(wǎng)處于中阻故障時(UN1

3)當配電網(wǎng)處于高阻狀態(tài)時(UN

2.2 動態(tài)電阻接地阻值選取

為確定中性點所接電阻值，本研究將通過分析不接地系統(tǒng)弧光過電壓作用機理來確定電阻大小。若系統(tǒng)C相發(fā)生故障，可得到不接地方式下故障相放電等值電路，見圖4，利用開關K來模擬電弧的重燃和熄滅，C為系統(tǒng)對地電容，L為系統(tǒng)內部電感量。

圖4 不接地方式下故障相放電等值電路Fig.4 Equivalent circuit of fault phase discharge in ungrounded mode

設在t1時刻電弧重燃，即開關K閉合，在開關閉合時，作用在電容上的瞬時電壓為

Uc=Usinωt1+[U0+Usinωt1]cosω0t

(6)

UCm=2Usinωt1-U0

(7)

電容上所承受電壓與接地點電弧重燃的時間以及系統(tǒng)中電容殘余電壓U0有關，如果電容殘余電壓方向與電弧重燃時刻電源電壓方向剛好相反，則電容上所承受的電壓絕對值為

|UCm|=2|Usinωt1|+|U0|

(8)

可知|UCm|>|U0|，這種情況下線路電容將出現(xiàn)了電荷累積。如果在下半個周期某時刻t2電弧又發(fā)生重燃，則又將出現(xiàn)電容上殘余電壓U0和電源電壓Usinωt2相反的情況，電容上的電荷將不斷的積累。若電容上的電荷不能及時泄放，電弧重燃將會導致電容上的電壓持續(xù)上升，直至故障擴散。

圖5 動態(tài)電阻接地方式下非故障相放電等值電路Fig.5 Non-fault phase discharge equivalent circuit in dynamic resistance grounding mode

(9)

經(jīng)上述計算分析，可以根據(jù)所接系統(tǒng)的電容電流計算出滿足快速泄放線路電荷電阻值大小，作為中性點所接電阻的初始值。若為電容電流為30 A的10 kV配電網(wǎng)，經(jīng)計算的其初始電阻應為取209～349 Ω，當切換到小電阻接地模式時其電阻值可取為30 Ω，保證在發(fā)生高阻接地故障切換電阻狀態(tài)時零序電流檢測裝置能準確捕捉饋線上零序電流的增量，使得正發(fā)生高阻故障時正確選取發(fā)生故障的饋線。

2.3 動態(tài)電阻接地對故障類型的判斷

動態(tài)接地方式由于初始狀態(tài)為中電阻接地方式，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障點所經(jīng)過的電流會遠遠小于小電阻接地方式下所產生的故障電流。若所發(fā)生的故障為瞬時性故障，由于故障電流很小，所發(fā)生的瞬時性故障可以快速消減，使得系統(tǒng)恢復到正常運行狀態(tài)，所以動態(tài)接地方式通過對故障的延時處理對故障進行判斷；若經(jīng)一定時間后系統(tǒng)未恢復到正常運行狀態(tài)，則利用零序電流選線法選出故障線路并切除，以避免故障擴大。根據(jù)發(fā)熱定律：

Q=I2Rt

(10)

在采取相同的延時條件下，當采用小電阻接地方式時，由于所產生的故障電流較大，使得故障時電阻產生巨大的熱量，附近設備存在熱量過大發(fā)生火災的風險。動態(tài)電阻接地方式初始狀態(tài)為中電阻方式，即使故障時所產生的故障電流也將遠小于小電阻接地方式，規(guī)避了小電阻接地方式存在的潛在風險。

3 動態(tài)電阻接地裝置現(xiàn)場試驗

為檢驗動態(tài)電阻方式實際應用正確性，本次試驗依托漯河真型試驗場對該接地方式進行了針對性試驗，特別是配網(wǎng)出線發(fā)生高阻接地故障時，驗證該接地方式故障處理能力。

試驗場主要包含：變電所子系統(tǒng)、故障模擬子系統(tǒng)、線路子系統(tǒng)。該模擬實驗場電源來自10 kV公共電網(wǎng)，經(jīng)隔離環(huán)節(jié)接入實驗室，不影響外部電網(wǎng)的運行安全。試驗場具有3條真實線路以及3條模擬線路。Ⅴ真培線路、Ⅵ真培線路為真實架空線，兩條線路末端通過斷路器實現(xiàn)多分段聯(lián)絡、“手拉手”等多種典型配網(wǎng)網(wǎng)架；Ⅳ真培線路為真實電纜線路，末端與Ⅴ真培首端進行聯(lián)結，可模擬架空—電纜混合線路；Ⅰ真培、Ⅱ真培、Ⅲ真培線路為集中參數(shù)模擬線路，通過調整線路首末端分散布置的電容可以模擬電容電流為10～150 A的配電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖6 漯河真型模擬試驗場Fig.6 True simulation test field

圖7 瞬時性接地故障實驗現(xiàn)場Fig.7 Test site of transient earth fault

此次試驗采用故障線路為Ⅱ真培(具有負荷模擬和斷線模擬能力)，系統(tǒng)電容電流IC=65 A，中性點動態(tài)電阻采用120 Ω、60 Ω兩個檔位。模擬配電網(wǎng)瞬時性弧光接地和永久性接地故障，驗證動態(tài)電阻接地正確處理各類故障的能力。

通過現(xiàn)場試驗模擬Ⅱ真培發(fā)生單相瞬時性弧光接地故障，根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)得到，當發(fā)生弧光接地故障時，其非故障相電壓幅值相近且電壓大小明顯大于故障相電壓，瞬時性弧光試驗表明動態(tài)電阻接地方式能快速準確熄弧。當A相發(fā)生故生后，實現(xiàn)B、C兩相電壓升高，A相電壓降低，故障電流存在一定波動，在中電阻的阻尼作用下，故障點電弧能在短時間內熄滅，使得三相電壓恢復正常，相比于小電阻接地，其熄弧時間更快，極大提高了供電可靠性。

圖8 永久性接地故障實驗現(xiàn)場Fig.8 Permanent ground fault experiment site

表2 瞬時性弧光接地故障實驗Table 2 Transient arc light ground fault experiment

通過改變試驗場接地電阻柜中電阻大小模擬過渡電阻為0、1 000、3 000、3 500、5 000 Ω的永久性故障，記錄各饋線故障時零序電流及中性點電壓大小。通過表3數(shù)據(jù)可知，過渡電阻越大，配電網(wǎng)中性點電壓偏移越小，同時各饋線零序電流也有所下降。由于故障饋線零序回路疊加了阻性電流，故障饋線零序電流明顯大于其他線路。

表3 各過渡電阻下線路試驗數(shù)據(jù)Table 3 Line test data under each transition resistance

續(xù)表3

圖9為單相金屬性接地時各特征量波形圖，故障饋線零序電流明顯比非故障饋線零序電流大，故障相電壓下降至0附近，非故障相其電壓接近于線電壓；通過2 s延時處理后判斷故障類型切除故障，三相電壓恢復至正常水平。

圖9 金屬性接地故障時各狀態(tài)量波形圖Fig.9 The waveform diagram of each state quantity in the case of a metallic ground fault

圖10為單相高阻接地時各特征量波形圖，由圖像可知故障相與非故障相電壓接近，且故障時零序電流較低，可能無法達到零序電流保護裝置啟動精度；經(jīng)一定延時處理后判斷所發(fā)生故障為高阻接地，將動態(tài)電阻接地的接地狀態(tài)由中電阻接地方式切換為小電阻接地方式，增大零序電流中的阻性電流，在滿足零序電流互感器的檢測要求的情況下，通過檢測零序電流增量最大的饋線從而確定故障饋線，所以在配電網(wǎng)出現(xiàn)高阻接地情況下也能準確選出故障饋線，從而供電的可靠性以及電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

圖10 過渡電阻3 000 Ω時各狀態(tài)量波形圖Fig.10 The waveform diagram of each state when the transition resistance is 3 000 Ω

4 結 論

1)配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相高阻接地故障時，由于過渡電阻過大導致零序保護處于動作死區(qū)，不能及時切除故障；發(fā)生瞬時性故障時，不能判斷其故障類型將立即動作切斷線路，降低了電網(wǎng)供電可靠性。

2)通過研究配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時中性點電壓、零序電流以及三相電壓之間的關系，將單相故障分為高阻、中阻、低阻3種故障狀態(tài)，不同的故障狀態(tài)對應不同的處理手段。配電網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時，通過檢測各饋線零序電流增量幅度判斷故障饋線，從而解決小電阻接地故障高阻零序保護死區(qū)問題。

3)動態(tài)電阻接地方式能及時給瞬時性弧光接地故障提供放電通道，避免故障時線路電容上累積電荷而導致系統(tǒng)發(fā)生弧光接地過電壓，經(jīng)試驗得知該方法能在半個周期內將瞬時性電弧熄滅，使電網(wǎng)快速恢復穩(wěn)定。

4)在國網(wǎng)配電智能化應用及關鍵設備聯(lián)合實驗室對動態(tài)電阻選線方式進行了試驗驗證，結果表明該方式在金屬性接地和經(jīng)高過渡電阻接地故障發(fā)生時選線程序都能迅速啟動并準確地選出故障饋線，其過渡電阻識別能力達5 000 Ω。