楊 濤，金華鋒，曾兵元，梁海東，趙 舫

能量法小電流接地方向判據(jù)的應(yīng)用研究

楊 濤1,2，金華鋒3，曾兵元3，梁海東2，趙 舫4

(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310007；3.南京智匯電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100；4.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

為解決小電流接地系統(tǒng)中利用單點(diǎn)電氣量難以準(zhǔn)確判斷接地故障方向的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的能量法接地方向判據(jù)。根據(jù)疊加原理分析了單相接地故障暫態(tài)等值電路，指出了測(cè)量點(diǎn)處的零序能量由故障初始時(shí)刻的電容充電能量和維持LC振蕩的穩(wěn)態(tài)振蕩能量?jī)刹糠纸M成，分析了零序能量在不同接地方式和不同接地電阻下的特點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化定值整定原則，對(duì)零序能量函數(shù)進(jìn)行了離散化處理并作了二次積分，提出了實(shí)用的能量二次積分判據(jù)。對(duì)中性點(diǎn)不接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈完全補(bǔ)償?shù)慕拥胤绞较碌慕饘傩怨收虾徒?jīng)3000W電阻接地故障進(jìn)行了仿真測(cè)試。仿真結(jié)果表明，上述各種故障情況下該判據(jù)均能判別故障方向。

小電流接地系統(tǒng)；能量法；分布電容；共振頻率

0 引言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小電流接地選線方法進(jìn)行了廣泛深入的研究[3-4]?，F(xiàn)有方法可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式主要采用注入信號(hào)的方法[5-6]，通常用于故障線路停電后的故障點(diǎn)定位。被動(dòng)式利用故障時(shí)的電壓、電流量進(jìn)行接地選線，可分為基于穩(wěn)態(tài)信息、基于暫態(tài)信息和基于綜合信息的三類(lèi)選線方法。

基于穩(wěn)態(tài)信息的選線方法[7-8]有零序電流幅值法[9-10]、零序電流比相法[11-12]、零序無(wú)功功率方向法[13]、零序有功功率法[14-15]和5次諧波法[16-17]等。上述方法原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)或間歇性故障，由于沒(méi)有穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)電流，上述方法很難正確選出故障線路。

基于暫態(tài)信息的選線方法有首半波法[18]、基于小波變換的暫態(tài)零序電流比較法[19-27]和基于暫態(tài)零流波形特征的定位方法[28]等。通常情況下，故障產(chǎn)生的暫態(tài)電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流且不受中性點(diǎn)接地方式的影響，因此該類(lèi)方法具有較高的可靠性和靈敏度。但該類(lèi)方法均需要采集高頻信號(hào)進(jìn)行分析。首半波法受故障相角、系統(tǒng)參數(shù)的影響較大，應(yīng)用效果一般；基于小波變換的暫態(tài)零序電流比較法和基于暫態(tài)零序波形特征的定位法均需進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，對(duì)裝置硬件的處理能力有較高的要求。

基于綜合信息類(lèi)方法主要為復(fù)合判據(jù)法[29-30]。復(fù)合判據(jù)法根據(jù)穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，并利用信息融合和模糊決策理論進(jìn)行故障選線，取得了較好的效果。但復(fù)合判據(jù)法需要的信息量比較多，適用于變電站的故障選線，但無(wú)法應(yīng)用于架空線路或電纜線路的分段、分支線等僅能獲取單點(diǎn)信息量的場(chǎng)合。

浙江大學(xué)何奔騰老師于1998年提出了能量法小電流接地選線原理[31]。能量法將零序電壓和零序電流乘積的積分定義為能量函數(shù)，并根據(jù)能量函數(shù)值的正負(fù)判斷故障方向。該方法算法簡(jiǎn)單，僅需單點(diǎn)的零序電壓和零序電流而無(wú)需多點(diǎn)的綜合信息，不受消弧線圈的影響，可實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)架空線路或電纜線路的零序方向判別。但該方法未深入分析暫態(tài)能量和穩(wěn)態(tài)能量對(duì)判據(jù)的影響，也未探討系統(tǒng)模型、暫態(tài)頻率和裝置采樣率之間的關(guān)系。對(duì)經(jīng)消弧線圈完全補(bǔ)償?shù)慕拥毓收?，由于其故障后穩(wěn)態(tài)零序電流為0，若按該方法所采用的每周波12點(diǎn)采樣值進(jìn)行能量積分，其值為0，將無(wú)法判斷故障方向。

本文詳細(xì)分析了系統(tǒng)模型和暫態(tài)電流頻率之間的關(guān)系，指出對(duì)于短線暫態(tài)電流頻率可能高達(dá)數(shù)千赫茲，采用能量法計(jì)算故障方向時(shí)的裝置采樣頻率，至少需4800 Hz；提出了實(shí)用的能量法保護(hù)判據(jù)，為能量法小電流接地判別原理應(yīng)用于配網(wǎng)架空線路或電纜線路接地故障定位提供有益探索。

1 原理

圖1 單相接地故障暫態(tài)等效電路

假設(shè)金屬性故障發(fā)生在電壓峰值時(shí)刻，則

中性點(diǎn)零序補(bǔ)償電流為

疊加電容和中性點(diǎn)電流后，零序電流為

測(cè)量點(diǎn)處的零序能量定義為

其中：

圖2為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)反向疊加電源產(chǎn)生的零序能量，紅色曲線為電容充電能量，藍(lán)色曲線為穩(wěn)態(tài)振蕩能量，綠色曲線為兩者的疊加。從波形可以看出，衰減后的電容充電能量和穩(wěn)態(tài)振蕩能量同方向，暫態(tài)能量在故障發(fā)生瞬間快速由0增大到最大值，然后快速衰減，衰減到第一個(gè)波谷，其幅值也遠(yuǎn)大于0。疊加同方向的穩(wěn)態(tài)振蕩能量后，更能確保零序能量大于0。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)的故障能量

圖3 中性點(diǎn)過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)單相接地時(shí)的故障能量

2 保護(hù)判據(jù)

測(cè)量點(diǎn)安裝于變電站線路出口處或線路分段。變電站線路出口處，規(guī)定電流方向由母線指向線路為正方向；線路分段處，規(guī)定電流方向由電源指向負(fù)荷為正方向。由第1節(jié)的分析可知，若單相接地故障發(fā)生在本線正方向，零序能量值為負(fù)；若單相接地故障發(fā)生在母線或其他線路，零序能量值為正。對(duì)式(6)進(jìn)行離散化處理，得到基于暫態(tài)零序能量的單相接地方向判據(jù)，如式(11)所示。

由于零序電流暫態(tài)分量的共振主頻率為300～ 1000 Hz[32]，為了避免暫態(tài)能量泄漏引起方向誤判，采樣頻率取4800 Hz。

圖5 單相高阻接地時(shí)的故障能量積分

3 仿真測(cè)試

圖6 仿真系統(tǒng)模型

表1 模型參數(shù)

圖7 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的能量積分值

圖8 經(jīng)電抗完全補(bǔ)償系統(tǒng)的能量積分值

仿真結(jié)果證明了能量積分的方向性，根據(jù)能量積分值可以判別單相接地故障方向，當(dāng)能量積分值為負(fù)時(shí)，故障發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)正方向；當(dāng)能量積分值為正時(shí)，故障發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)反方向。

比較圖7、圖8各個(gè)故障點(diǎn)的仿真結(jié)果，對(duì)于金屬性故障，不管是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)還是經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償系統(tǒng)，各點(diǎn)的能量積分值差別不大；對(duì)于高阻接地故障，由于分布電容和消弧線圈產(chǎn)生LC共振，相當(dāng)于末端開(kāi)路，因此作用于分布式的零序電容越大，對(duì)應(yīng)的零序電流和零序能量積分也更大，能量積分方向判據(jù)更靈敏。

4 結(jié)論

基于零序能量積分的單相接地故障方向判據(jù)，需要以較高的采樣頻率采集零序電壓和零序電流，將兩者瞬時(shí)值相乘進(jìn)行兩次積分；當(dāng)能量積分小于0時(shí)，故障發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)正方向；當(dāng)能量積分大于0時(shí)，發(fā)生在反方向。不管是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，還是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈完全補(bǔ)償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，采用能量積分方向判據(jù)，均能有效判別單相接地故障方向。

在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮采樣誤差、計(jì)算誤差、零序不平衡分量以及外部干擾等因素對(duì)判據(jù)的影響。

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Application of the criterion of small current grounding direction of the energy method

YANG Tao1, 2, JIN Huafeng3, ZENG Bingyuan3, LIANG Haidong2, ZHAO Fang4

(1. Hangzhou Yineng Electric Power Technology Co., Ltd., Hangzhou 310007, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Hangzhou 310007, China; 3. Nanjing Zhihui Power Technology Co., Ltd.,Nanjing 211100, China; 4. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

It is difficult to accurately determine the ground fault direction using a single-point electrical quantity in a small current grounding system. Thus an improved energy method-based grounding direction criterion is proposed. From the superposition principle, a single-phase ground fault transient equivalent circuit is analyzed, and the zero-sequence energy at the measurement point is composed of the capacitor charging energy at the initial moment of the fault and the steady-state oscillation energy to maintain the LC oscillation. The characteristics of the zero-sequence energy in different grounding modes and resistances are analyzed. To simplify the setting principle, the zero-sequence energy function is discretized and quadratic integration and a practical quadratic integral criterion is proposed. Simulation tests for a metallic fault and a 3000Wresistance grounding fault are conducted on the neutral point ungrounded or the neutral point fully compensated ground via the arc suppression coil. Results show that the criterion can distinguish the fault direction in the above fault conditions.

small current grounding system; energy method;distributed capacitance;resonance frequency

10.19783/j.cnki.pspc.211519

2021-11-10；

2022-02-16

楊 濤(1978—), 男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、穩(wěn)控和配電自動(dòng)化等；E-mail: 27462690@qq.com

金華鋒(1972—)，男，通信作者，博士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、穩(wěn)控和配電自動(dòng)化等；E-mail:475774491@qq.com

曾兵元(1981—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、穩(wěn)控和配電自動(dòng)化等。E-mail: 18311640@qq.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2017YFB0903100)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0903100).

(編輯 姜新麗)