小電流接地系統(tǒng)故障選線的暫態(tài)零序電流變化率方法

魏臻珠，蔣建東，陳 帆，楊海波

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.衛(wèi)輝市電業(yè)局，河南衛(wèi)輝453100)

0 引言

我國(guó)6～35 kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式為小電流接地系統(tǒng)，在小電流接地系統(tǒng)中最常發(fā)生的是單相接地故障.故障點(diǎn)電流較小且受電壓初相角及故障點(diǎn)接地電阻等因素的影響，使得故障線路與非故障線路的判斷比較困難.

根據(jù)所用電氣量的不同，故障選線方法分為基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的選線方法和基于暫態(tài)信號(hào)的選線方法.基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的選線方法有群體比幅比相法、最大ΔIsinφ法、諧波法、負(fù)序分量法、零序?qū)Ъ{法和注入信號(hào)法［1-6］等.穩(wěn)態(tài)選線方法由于受線路長(zhǎng)短、系統(tǒng)運(yùn)行方式和過(guò)渡電阻的影響，靈敏度低，不能有效判斷瞬間接地故障和間歇性接地故障，且不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和經(jīng)電阻接地系統(tǒng).暫態(tài)選線方法主要有首半波法、行波法、暫態(tài)能量法和小波法［7-10］等.暫態(tài)分量中含有豐富的信息量，基于暫態(tài)信號(hào)的檢測(cè)方法靈敏度高而且不受消弧線圈的影響，不僅能判斷穩(wěn)定接地，而且能判斷瞬時(shí)接地和間歇性接地.

筆者根據(jù)小電流接地系統(tǒng)單相接地時(shí)故障線路與非故障線路暫態(tài)電流變化率的不同，構(gòu)造了利用線路暫態(tài)零序電流變化率的接地選線判據(jù).用Matlab中建立的小電流接地系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同條件下的單相接地故障進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了文中方法的有效性.

1 暫態(tài)零序電流的特點(diǎn)

1.1 小電流接地系統(tǒng)故障暫態(tài)電流的特點(diǎn)

補(bǔ)償電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流ic和暫態(tài)電感電流il兩部分組成，ic和il都包含暫態(tài)衰減分量和穩(wěn)態(tài)交流分量.在暫態(tài)初始階段，電容回路衰減時(shí)間常數(shù)τc數(shù)值較小，ic衰減較快，其振蕩頻率主要由暫態(tài)分量決定，頻率較高;電感回路的衰減時(shí)間常數(shù)τl較大，il衰減較慢，頻率較低.兩者頻率差別懸殊，不能互相補(bǔ)償，因此暫態(tài)初始階段的暫態(tài)接地電流主要由暫態(tài)電容電流的特性決定.這使得不同接地方式的小電流接地系統(tǒng)暫態(tài)零序電流分布相同.

1.2 暫態(tài)零序電流仿真分析

根據(jù)文獻(xiàn)［11］對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地故障仿真，線路的零序電流分別如圖1和圖2所示.

從圖1、圖2可以看出，單相接地故障瞬間各線路將產(chǎn)生一個(gè)零序電流突變量，故障線路零序電流突變的幅值等于非故障線路零序電流突變的幅值之和，故障線路零序電流突變的方向與非故障線路零序電流突變的方向相反，所有非故障線路的零序電流突變方向相同.基于這些特征，筆者通過(guò)比較各線路暫態(tài)電流變化率的差異來(lái)判別故障線路與非故障線路，幅值最大且方向與其它線路方向相反的線路為故障線路.

2 選線判據(jù)

根據(jù)分析，定義零序電流變化率如下式

式中:t0為線路零序電壓大于啟動(dòng)電壓的故障發(fā)生時(shí)刻;T為故障后的特征時(shí)刻，從提高檢測(cè)靈敏度和易于實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，筆者定義故障后半個(gè)周期內(nèi)線路暫態(tài)零序電流最大的時(shí)刻為選線特征時(shí)刻T，此時(shí)故障線路與非故障線路零序電流特征最明顯.

由式(1)計(jì)算得到n條線路的零序電流變化率pi(i=1，2，…，n)后，根據(jù)第1節(jié)中暫態(tài)故障電流的特點(diǎn)與選線原理，選線判據(jù)如下

同時(shí)滿足式(2)、(3)的第k條線路暫態(tài)零序電流變化率最大，同時(shí)其方向與其它線路的方向相反，為故障線路.

3 仿真驗(yàn)證

利用文獻(xiàn)［11］建立的模型對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)在不同的故障位置、接地電阻、電壓初相角、補(bǔ)償度下進(jìn)行了仿真.

3.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真分析

3.1.1 不同電壓初相角的仿真結(jié)果

設(shè)線路I在6 km處發(fā)生A相接地，故障接地電阻為15 Ω.表1為不同電壓初相角的仿真結(jié)果及選線結(jié)果.

表1 不同電壓初相角的仿真結(jié)果與選線結(jié)果Tab.1 Simulation results and fault line detection in different initial voltage angle

由表1可以看出該方法可有效判別不同電壓初相角的單相接地故障.

3.1.2 不同接地電阻的仿真結(jié)果

設(shè)線路I在4 km處發(fā)生A相接地，電壓初相角為90°.表2為不同接地電阻的仿真結(jié)果及選線結(jié)果.

表2 不同接地電阻的仿真結(jié)果與選線結(jié)果Tab.2 Simulation results and fault line detection in different transition resistance

由表2可以看出該方法可有效判別不同接地電阻的單相接地故障.

3.1.3 不同故障位置的仿真結(jié)果

設(shè)線路I發(fā)生單相接地故障，電壓初相角為90°，接地電阻為10 Ω.表3為不同故障位置的仿真結(jié)果及選線結(jié)果.

表3 不同故障位置的仿真結(jié)果與選線結(jié)果Tab.3 Simulation results and fault line detection in different fault location

由表3可以看出該方法可有效判別不同故障位置的單相接地故障.

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和經(jīng)電阻接地系統(tǒng)仿真分析

限于篇幅，表4為兩種接地方式下不同故障條件的部分仿真結(jié)果及選線結(jié)果.未給出的其它故障條件下的選線結(jié)果也都為線路I.

表4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和經(jīng)電阻接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果與選線結(jié)果Tab.4 Simulation results and fault line detection of small current neutral grounding through arc-suppression coil or resistance system

從表4可以看出，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈以及中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)中，該方法可有效判別不同條件下的單相接地故障.

4 結(jié)論

筆者根據(jù)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障發(fā)生后各線路暫態(tài)零序電流突變量的特點(diǎn)，提出了利用暫態(tài)電流變化率進(jìn)行選線的方法.仿真結(jié)果表明，該方法不受系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式、電壓初相角、過(guò)渡電阻的影響，選線靈敏度高，實(shí)用性強(qiáng).

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