曾祥君，尹项根，张 哲，陈德树，文明浩
华中科技大学电力系，湖北武汉430073
1 引言
我国3～60kV中压电网一般采用中性点不接地方式或经消弧线圈接地方式。这种接地方式故障接地残流小，故障选线较困难［1，2］。当系统发生单相接地故障时，一般依靠逐条出线拉闸停电来判断故障线路，严重地影响供电的可靠性。为了提高配电自动化水平，国内外提出了一些故障选线方法，其中应用较多的有：采用基波或谐波零序电流的大小和方向进行故障选线［3，4］及采用注入信号法故障选线［5，6］。
传统的以零序电流为特征的接地选线方法一般采用对所有出线零序电流的大小和方向进行比较，判断零序电流最大且方向与其它线路不一样的线路为故障线路。受系统阻抗尤其是消弧线圈的补偿度、线路参数及接地故障电阻的影响，接地故障电流变化范围较大；当消弧线圈全补偿或高阻接地故障时［7］，故障电流很小，使零序电流的大小和方向精确测量困难，影响保护精度。另一方面，以上故障选线方法都需集中比较各条出线的零序测量电流的大小或相位，其仪器接线复杂，难以与馈线保护结合为一体，不宜在开关柜上就地安装，满足不了配电自动化在FTU上实现的要求。
最近，国内外提出的基于暂态能量及零序有功电流分量的故障选线方法，有待进一步完善［7，8］。
本文提出的基于零序导纳接地保护原理不受接地故障过渡电阻的影响，具有较高的保护精度，适合在馈线保护中实现和在FTU上安装。
2 零序测量导纳分析
假设一配电网含有n回出线，三相负荷对称，系统参数对称如图1、2所示。电源对地导纳Y0s＝gs+jbs.任意线路i的对地导纳YOI=GI+JBI被查线路k的对地导纳：Y0k＝gk＋jbk，取线路k的对地导纳：Y0K=gk+jbk，取线路k的零序测量导纳为本线路的零序测量电流与零序电压
(1)非故障线路的零序测量导纳分析
其他任意线路i发生单相接地故障时，非故障线路k的零序测量导纳等于线路自身导纳，电导与电纳均为正数
架空线路的阻尼率d约为3%～5%，线路污染受潮，d可增至10% ；电缆线路d值约为2%～4%，绝缘老化时，可增至10%［1］。导纳角α一般在84.2°～88.9°的范围内。其它线路故障时，非故障线路k的零序测量导纳在导纳平面上为矢量1，如图3所示。
(2) 故障线路零序测量导纳分析
线路k自身发生单相接地故障时，零序测量导纳为
由式(3)看出：故障线路零序测量导纳等于电源零序导纳与非故障线路零序导纳之和的负数。
根据式(3)、(5)，对图3的导纳平面进行分析，其中2为中性点不接地时接地故障线路k的零序测量导纳；3为中性点高阻接地时测量导纳；4、5为中性点经消弧线圈直接接地时的测量导纳，其中4为谐振补偿时的导纳，5为过补偿时的导纳，随着系统运行方式的变化，脱谐度v变化，测量导纳在直线6上变化；7、8为中性点经消弧线圈并联电阻接地时的零序测量导纳，其中7为谐振补偿时的导纳，8为过补偿时的导纳，随着系统运行方式的变化，脱谐度v变化，测量导纳在直线9上变化。
式(5)减式(1)得
即线路k自身接地故障时零序测量导纳与其它线路接地故障时线路k的测量导纳之差(零序测量导纳的变化)的绝对值等于整个配电网的总对地导纳YT。
零序导纳接地保护即为把图3中所示的其它线路故障时馈线k的测量导纳矢量1与馈线k自身故障时的测量导纳矢量2～9进行区分。图中二者存在明显的界限：矢量1在第一象限，其它矢量在第二或第三象限，很容易把二者进行区分，完成接地保护。
3 零序导纳法接地保护的基本原理
配电网发生接地故障时，零序电压升高。此时，可采用零序电压突变量作为启动元件，并采用零序电压幅值作为辅助判据，令
U0≥Uzd(7)
式中U0为零电压幅值；Uzd为零序电压整定值，根据系统不对称度等参数选取，一般取为15％相电压。
3.1 零序导纳接地保护
理论上，对于每一条馈线，在一定时期内其长度不变，则馈线自身零序导纳几乎不变。但由于馈线自身导纳小，测量的误差大，使得其它线路接地故障时馈线k的零序测量导纳值在图中区域1的范围内变化。当考虑系统参数变化(包括消弧线圈的调谐、变电所出线回路的变化等导致的系统导纳的变化) 及测量误差的影响时，馈线k自身故障时的零序测量导纳在区域2的范围内变化。
与距离保护的阻抗继电器一样，零序导纳法接地保护采用一些算法计算零序导纳，形成导纳继电器，以便把导纳平面的故障区域2与非故障区域1进行区分，从而进行接地保护。导纳继电器也有很多种，如四边形继电器、圆形继电器、椭圆继电器、直线继电器、折线继电器等。由于区域1和区域2二者之间存在着明显的界限，图4中的圆形导纳继电器、图5中的折线导纳继电器都能可靠地对二者进行区分，实现接地保护。
3.2 直线式导纳继电器分析
与阻抗继电器一样，不同的导纳继电器有不同的特性。以下以直线导纳继电器为例进行讨论图6中为区分区域1与区域2即馈线k的内部接地故障和外部接地故障，采用直线式导纳继电器选取整定直线垂直于线段AB，交点为C,设
AC＝kAB (8)
式中k为整定值，取k在0～1的范围内。在图6的导纳平面中,A0取其它线路接地故障时馈线k自身的零序测量导纳的典型值Y0k; B0取馈线k自身故障时的零序测量导纳的典型值Y′ 0k;AB对应(Y′0k－Y0k)即Y″0k;C0对应(kY″0k＋Y0k)。采用相位比较方式(相位差β)，区域3(动作区)可表示为
图7、8分别表示中性点不接地系统及经消弧线圈接地系统的直线式导纳继电器的动作特征。比较图6～8接地保护的裕度，中性点经电阻接地系统的保护裕度最大，经消弧线圈接地系统的保护裕度最小。
4 零序导纳接地保护的特点
(1) 中性点接地方式对零序导纳接地保护的影响
中性点接地方式直接决定电源的零序导纳：gs＋jbs，并影响配电网总对地导纳。由式(6)可知，配电网总对地导纳越大，线路k自身接地故障时与其它线路接地故障时线路k的测量导纳之差越大，区域2与区域1相距越远，保护的裕度越大，保护灵敏度越高。比较各种接地方式可知：①中性点有电阻接地系统比无电阻接地系统的零序电导大，接地保护灵敏度高; ②无补偿的系统比经消弧线圈补偿系统的总零序电纳大，接地保护灵敏度高;③经消弧线圈补偿电网脱谐度绝对值越大，总零序电纳越大，接地保护灵敏度越高;④系统越大，对地导纳越大，接地保护灵敏度越高。
(2) 保护原理不受接地故障电阻的影响，且适合对地绝缘老化型故障的检测。从原理上讲，每条馈线的零序测量导纳的大小和方向不受故障接地电阻的影响。但实际运行中，故障接地电阻的大小直接决定故障产生的零序电流及零序电压的大小，影响零序导纳继电器的测量精度，从而对保护的灵敏度有一定的影响。
(3) 配电网结构及参数在一定程度上的变化不影响保护性能。如前面分析，当拓扑结构、补偿度及参数等变化时，Y0k始终在区域1内变化，而Y′0k始终在区域2内变化，区域1与区域2一般不会重叠。选择合适的继电器，Y0k、Y′0k按典型值(取区域1的中心点与区域2的中心点)进行整定，保证在配电网结构及参数在一定程度上变化的条件下，能精确地区分区域1与区域2，从而满足各种运行条件下接地保护可靠地动作。
(4) 能反应“母线上所有线路的等值零序导纳与故障线路的等值零序导纳相差不大”的特殊情况下的接地保护。
这种特例意味着母线上其它线路的等值零序导纳接近于零，则故障线路出口处零序电流I0k接近为零。因电流太小，精确地测量方向困难，很难通过传统方法寻找故障线路。而导纳继电器如图9所示，采用上述的整定方法，则能满足精度的要求。
(5) 如采用在线测量系统导纳，Y0k、Y′0k不是按上述的典型值整定，而是由测量值自适应整定，则可进一步提高保护精度。
(6) 该保护原理不受低压不对称负荷包括单相冲击负荷的影响。
5 仿真分析
采用EMTP仿真软件对一35 kV配电网进行仿真，见图10。分析在各种中性点接地方式下，分别在电缆线路3及架空线路4上发生金属接地及高阻接地故障时，安装在线路4上的零序导纳接地继电器的动作情况。线路4的自身导纳为：16.5＋j314 μs，仿真结果见表1。
从表1可以看出：
(1) 采用导纳继电器能保证自身接地故障时正确动作；其他线路故障时，可靠不动作。
(2) 零序接地导纳继电器受过渡电阻影响小，抗过渡电阻能力强。
(3) 当中性点接入接地电阻时，增大了接地残流、极化电流及补偿电流，有利于提高保护精度。
(4) 当中性点接入消弧线圈时，减小了接地残流、极化电流及补偿电流幅值，降低了保护精度。
| (5) 该保护方法保护精度高，能满足各种中性点接地方式的电网及各种故障接地电阻的保护要求。
6 结论
本文提出了基于零序导纳的馈线接地保护原理，讨论了直线式导纳继电器的判据。并用EMTP仿真程序对一典型配电网进行仿真分析，仿真结果验证了该保护原理的可行性。本文对零序导纳接地保护进行了详细的理论及仿真分析，得出接地导纳继电器具有如下特点：
(1) 零序导纳保护原理不受故障接地电阻的影响，抗过渡电阻能力强，且适合对地绝缘老化型故障的检测；
(2) 不需测量其他线路信号，便于在FTU上安装，有利于在配电自动化中推广；
(3) 保护动作裕度大，配电网结构及参数在一定程度上的变化不影响保护性能；
(4) 中性点经电阻接地或经消弧线圈并联电阻接地，能增大系统零序电导，有利于提高接地导纳继电器的灵敏度。
该技术有待于进一步研究，以研制馈线导纳接地保护继电器，满足现场运行要求。
参考文献：
［1］IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial power system［C］.IEEE Std 142-1991,1992:11-28.〖JP〗
［2］李福寿(Li Fushou).中性点非有效接地电网的运行(Operation for electrical power system with neutral ineffective grounding)［M］北京：水利电力出版社(Beijing:Electric Power Publication),1993:1-7
［3］王祖光(Wang Zuguang).微机小电流接地系统接地选择装置(Feeder earth fault selectiondevice for neural isolated and petersencoil grounding systems)电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),1993, 17(6)：48-51.
［4］刘凯，吴希再(Liu Kai,Wu Xizai).一种小电流系统单相接地故障选线新方法 (A new method for fault detection in ineffective grounding systems)［J］.华中理工大学学报(Journal of Huazhong University of Science and Technology)，1997,25(12)：66-68.
［5］曾祥 [1] [2] 下一页
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