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小电流接地系统单相接地故障选线原理综述 |
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| 小电流接地系统单相接地故障选线原理综述 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 20:24:35  |
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0 引言
目前世界各国的配电网都采用中性点不直接接地方式（NUGS）。因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称其为小电流接地系统。可分为中性点不接地系统（NUS）、中性点经电阻接地系统（NRS）和中性点经消弧线圈接地系统（NES）。故障时由于三个线电压仍然对称，特别是中性点经消弧线圈接地系统，流过接地点的电流很小，不影响对负荷连续供电，《电力系统安全规程》规定仍可继续运行0.5~2个小时。但小接地电流系统在单相接地时，非故障相电压会升为线电压，长时间带故障运行极易产生弧光接地，形成两点接地故障，引起系统过电压，从而影响系统的安全。因此，需要一种接地后能选择故障线路的装置进行故障检测，一般不动作于跳闸而仅动作于信号。
1 研究状况回顾
国外对小电流接地保护的处理方式各不相同。前苏联采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，保护主要采用零序功率方向原理和首半波原理。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，但电阻接地方式居多，其选线原理较为简单，不接地系统主要采用功率方向继电器，电阻接地系统采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来一些国家在如何获取零序电流信号及接地点分区段方面作了不少工作并已将人工神经网络应用于接地保护。美国电网中性点主要采用电阻接地方式，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，但故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统，对高阻接地系统，接地时仅有报警功能。法国过去以地电阻接地方式居多，利用零序过电流原理实现接地故障保护，随着城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流，并为解决此种系统的接地选线问题，提出了利用Prony方法[1]和小波变换以提取故障暂态信号中的信息（如频率、幅值、相位）以区分故障与非故障线路的保护方案，但还未应用于具体装置。挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一种悬挂式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上。加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器也采用了零序过电流的保护原理，其软件算法部分采用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的速度。90年代，国外有将人工神经网络及专家系统方法应用于保护的文献。
我国配电网和大型工矿企业的供电系统大都采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，近年来一些城市电网改用电阻接地运行方式。矿井6~10kV电网过去一直采用中性点不接地方式，随井下供电线路的加长，电容电流增大。近年来消弧线圈在矿井电网中得到了推广应用并主要采用消弧线圈并串电阻的接地方式。单相接地保护原理研究始于1958年，保护方案从零序电流过流到无功方向保护，从基波方案发展到五次谐波方案，从步进式继电器到群体比幅比相，以及首半波方案，先后推出了几代产品，如许昌继电器厂的ZD系列产品，北京自动化设备厂的XJD系列装置，中国矿大的μP-1型微机检漏装置和华北电力大学研制的系列微机选线装置等。
2 单相接地时NUGS的主要特征
现对NUGS单相接地故障前后的特征归纳如下:
(1) 零序电压互感器开口电压通常为零。(实际上由于不平衡电压的影响小于5V)。接地后接近100V(金属性接地:经电阻接地U02∈(30,100))。
(2) 非接地线路(设线路序号为K)的零序电流Iok为该线路对地等效电容电流，相位超前零序电压U090°。
(3) 接地线路的零序电流I0和非接地线路的零序电流方向相反，即相位滞后零序电压U090°，且等于所有非接地线路中电容电流与变压器中性点电流之和。
(4) 对经消弧线圈接地系统(NES)，零序电流5次谐波对以上结论成立。
(5) 以上结论，与故障点接地电阻，系统运行方式，电压水平和负荷无关。
常规微机小电流接地选线装置的工作原理一般都是基于以上几个特点设计的，但实现方式和可靠性程度不尽相同。
3 对几种选线保护原理的讨论
3.1 早期的单一判据原理
由于线路自身的电容电流可能大于系统中其他线路的电容电流之和，所以按零序电流大小整定的过电流继电器理论上就不完善，它还受系统运行方式、线路长短等许多因素的影响，而导致误选、漏选、多选;“功率方向”原理采用逐条检测零序电流I0功率方向来完成选线功能，当用于短线路时，由于该线路的零序电流小，再加之功率方向受干扰，在一定程度上选线是不可靠的，更多地发生误、漏选情况; 用各线路零序电流作比较，选出零序电流最大的线路为故障线路的“最大值”原理，在多条线路接地或线路长短相差悬殊的情况下，很可能造成误选和多选;“首半波”原理基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，利用故障后故障线路中暂态零序电流每一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护，但它不能反映相电压较低时的接地故障，且受接地过渡电阻影响较大，同时存在工作死区; 利用5次或7次谐波电流的大小或方向构成选择性接地保护的“谐波方向”原理，由于5次或7次谐波含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一，故其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低，在接地点存在一定过渡电阻的情况下将出现拒动现象。
3.2 群体比幅比相原理
此种方法为多重判据，多重判据即为用二种及以上原理为判据，增加可靠性和抗干扰性能力，减少受系统运行方式、长短线、接地电阻的影响。文[2]采用幅值法与相位法相结合，先用“最大值”原理从线路中选出三条及以上的零序电流I0最大的线路，然后用“功率方向原理从选出的线路中查找零序电流I0滞后零序电压U0的线路，从而选出故障线路。该方案称为3C方案，因排队后去掉了幅值小的电流，在一定程度上避免了时针效应，另外排队也避免了设定值，具有设定值随动的“水涨船高”的优点。它既可以避免单一判据带来的局限性，也可以相对缩短选线的时间，是较理想的方式。
3C方案中，因I3也可能较小，由此相位决定是I2还是I1接地可能引起误判，I3越小，误判率越高，为此文[3]提出的MLN系列微机选线装置扩展了4种选线方案，除3C方案外，增加了2C1V、1C1V、2C、1C方案，由计算机按不同条件选择合适的方案或人为设定方案判线，判线准确率得到进一步改善。
小电流系统单相接地投入保护跳闸后，要求保护装置具有更高的可靠性。文[4]将模糊决策理论引入了MLN-R系列小电流微机保护屏，将5种选线方案按模糊决策组合裁决，给出跳闸出口的同时还打印出可信度。
3.3 “注入法”原理[5]
它不利用小电流接地系统单相接地的故障量，而是利用单相接地时原边被短接暂时处于不工作状态的接地相PT，人为地向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理即通过检测，跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。当系统发生单相接地时，注入信号电流仅在接地线路接地相中流动，并经接地点入地。利用一种只反映注入信号而不反映工频及其谐波成分的信号电流探测器，对注入电流进行寻踪，就可实现单相接地故障选线与接地点定位。其主要特点有: (1)勿需增加任何一次设备不会对运行设备产生任何不良影响。(2)注入信号具有不同于系统中任何一种固有信号的特征，对它的检测不受系统运行情况的影响。(3)注入信号电流仅在接地线路接地相中流通，不会影响系统的其它部位。
3.4 注入变频信号法
为解决“S注入法”在高阻接地时存在误判的问题，文[6]提出注入变频信号法。其原理是根据故障后位移电压大小的不同，选择向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号还是向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz的恒流信号，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据。但当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大。
3.5 最大△(Isinj)原理
图1为理想情况下单相接地故障后零序电压与故障、非故障零序电流的相量关系。其中，3U0为故障后出现的零序电压,在故障前它的大小为零; 3I0,F为故障线路的零序电流，它超前3U090°; 3I0,N为非故障线路的零序电流，它滞后3U090°, 比3I0,F在数值上小很多; 3I0,T为变压器的接地电流，它与接地故障判断无关。因此，理想情况下，只要对各出线零序电流的大小或方向进行比较，就可找出故障线路。但当变电站为三相架空出线时，3I0的大小和方向要受到CT的不平衡电流Ibp的影响。最坏的情况是，由于Ibp 的影响，实际检测得到的故障线路的零序电流3I′0,F=（3I0,F+Ibp,F）与非故障线路的零序电流3I′0,N=（3I0,N+Ibp,,N)方向相同，如图2所示。显然，此时只对各出线零序电流的大小或方向进行比较将会造成误判。
为了解决上述问题，文[7]提出最大△(Isinj)方案: 把所有线路故障前、后的零序电流3I'0,I,前、3I'0,I,后都投影到3I0,F方向上。接着，计算出各线路故障前、后的投影值之差△I0,I，找出差值的最大值△I0,k,即最大的△(Isinj)。显然，当I0,k>0时，对应的线路k为故障线路，否则为h段母线故障。
该原理实际上是一种最大故障电流突变量原理，能完全克服CT误差引起的不平衡电流的影响，减少了误判的可能性，灵敏度高适用范围广，是现有判别方法中较成功、有效的一种方法。但其算法有两个缺陷: 计算过程中需选取一个中间参考正弦信号，如果该信号出现问题将造成该算法失效; 该算法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计算量相当大，这使得最大△(Isinj)原理在实现过程中很难保证具有较高的可靠性和实时性。
针对上述缺陷，文[8]提出实现最大△(Isinj)的快速算法——递推DFT算法，完全省去了中间参考正弦量，同时极大地简化了原有算法的计算工作量，使得最大△(Isinj)原理可以快速、可靠地实现，从而有了更广阔的应用前景。
3.6 能量法
文[9]利用其所定义的零序能量函数实现小电流接地选线: 根据非故障线路的能量函数总是大于零，消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同，故障线路的能量函数总是小于零，并且其绝对值等于其他线路(包括消弧线圈)能量函数的总和的特征，提出方向判别和大小判别两种接地选线方法。能量法适用于经消弧线圈接地系统，并且不受负荷谐波源和暂态过程的影响，从而在理论上解决了传统方法选线准确率低的问题。
3.7 遥感式小电流接地选线原理
文[10]利用带电导体周围产生电磁场，交变电流的幅值可以通过在其激励的电磁场中的某一点所感应出的电动势的大小直接反映出来的原理，测量导线中电容电流5次谐波的变化情况，来判断故障线路。其做法是: 在所有的输电线出口处，都装设一个遥测装置(探测器)，而这个装置只接收电容电流中的5次谐波电磁场，每个装置接收的信号再集中送至中心处理装置比较出信号最强的线路，这条线路就是发生接地故障的线路。由于采用遥感接收，使得装置与电力系统一次设备不发生直接接触，是保证电力系统安全运行的较理想的装置。
3.8 负序电流选线原理
文[11]提出一种利用负序电流及负序电流与零序电流比较的故障选线原理。它基于以下特点: 负序电流由故障点产生，流向电源和非故障线路，与电源的负序电流方向基本相反; 由于故障相电压在接地故障过渡电阻上产生故障电流，故障线路的负序电流与故障相电压相位一致。另外，在假设馈线保护安装处到线路末端的线路长度较短的条件下，I'OK≈I'2K, 即故障线路K保护安装处的负序电流近似等于零序电流。由这种原理构成的保护装置具有不受弧光接地影响，抗过渡电阻能力强，负序电流与零序电流比较式接地保护具有自适应等优点。但负序电流绝大部分由故障线路流向电源，非故障线路负序电流很小，方向准确测量困难，这就使得负序方向接地保护在实际配置中使用的可能性较小; 另外，当线路K保护安装处到线路末端线路较长时，负序与零序方向保护的假设不一定成立。该技术还有待进一步研究。
3.9 基于小波变换的接地选线原理
小波分析对暂态信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征[12]~[14]、[19]。小波变换奇异性检测及模极大值理论已提出了实现故障启动和选线方法。文[15]运用由小波变换发展而来的小波包技术分解故障暂态信号，根据不同接地方式，选择能量集中的不同频带作为选线频带; 对中性点不接地配电网，选择能量集中的高频频带; 对中性点经消弧线圈接地的配电网，选择能量次最大的调频频带，并提出了基于波形识别和模值比较的故障选线逻辑判据，最终给出选线序列。
3.10 模式识别和多层前馈神经网络方法
文[16]提出用统计模式识别中基于最小错误的贝叶斯(Bayes)决策方法和人工神经网络方法进行小电流接地选线。它将故障后各线路零序电流看作某类故障的一个模式，通过人工神经网络的训练与学习来判断故障模式，从而实现故障选线。
4 尚需解决的问题
目前，国内的选线装置多采用零序电流及其高次谐波原理实现故障选线，首半波法、有功分量法等其它方法也均有采用。但是小电流系统的一个重要特征就是故障电流稳态分量幅值小，无论是谐波分量还是基波分量，都容易被干扰信号所淹没，二次侧的零序电流又容易受到CT中的不平衡电流的影响，因此基于谐波原理的装置在实际运行中易造成误判。
5 结论
(1) 配电系统发生单相接地故障时，故障信号中含有重要的暂态成分，根据此暂态信号的特征可实现故障线路的选择。具有很强的处理微弱信号能力的小波方法有利于改善高阻接地时装置的动作性能，在继电保护特别是故障分析中有着广阔的应用前景。
(2) 目前，我国NRGS只装设两相CT的架空出线的数量很大，在这种情况下难以获得零序电流，基于零序电流的选线方法失效，所以对只有两相装CT的出线也适用的选线原理还有待进一步研究。
(3) 目前，在大规模应用配电自动化技术进行单相接地故障的处理时机还未成熟时，采用独立的带有远动或通信功能的小电流接地选线设备不失为一种较实用的选择。
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作者简介
傅周兴: 男，副教授，从事供电安全方面的教学与研究工作
万耕: 女，硕士，从事小电流系统故障隔离和定位研究
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