小電阻接地系統(tǒng)饋線自適應(yīng)零序電流保護原理及裝置實現(xiàn)

喻 磊 ，郭曉斌 ，韓博文 ，雷金勇 ，田 兵 ，白 浩 ，李海鋒 ，王 鋼

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

目前，在大中型城市配電網(wǎng)中，電纜線路所占比例越來越高，導(dǎo)致發(fā)生單相接地故障時的電容電流極大增加，容易產(chǎn)生弧光過電壓，對設(shè)備絕緣性和供電可靠性均造成不利影響。為此，中性點經(jīng)小電阻接地方式在我國城市配電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。單相接地故障作為一種最常見的電網(wǎng)故障類型［5-6］，在小電阻接地系統(tǒng)中主要依賴零序電流保護實現(xiàn)其檢測和可靠動作隔離［7］。由于小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生線路單相接地故障時，一般情況下接地（零序）電流較大，零序電流保護對于普通的單回線接地故障具有較高的選擇性和靈敏性。

然而，隨著城市配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，為了節(jié)約輸電走廊，輸電線路的同桿多回線技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。在這種情況下，配電網(wǎng)的故障種類變得非常復(fù)雜，由此所帶來的對零序電流保護的影響不容忽視。其中，因雷擊等因素所導(dǎo)致的多回線故障發(fā)生的概率也越來越高。而從對零序電流保護影響的角度考慮，多回線同相接地故障最為值得關(guān)注。這主要是因為發(fā)生多回線同相接地故障時，零序網(wǎng)絡(luò)為零序電流提供了并聯(lián)通道，導(dǎo)致流經(jīng)各故障線路的零序電流相比于發(fā)生單回線接地故障時顯著下降［8］，從而可能造成某些故障饋線的零序電流保護拒動，嚴(yán)重時會造成母線接地變壓器的零序電流保護越級誤動，使該母線上的所有負荷失電［9-10］。

目前針對小電阻接地系統(tǒng)零序電流保護的研究主要還是集中在單回線接地故障方面：文獻［7］針對單回線單相高阻接地故障提出了自適應(yīng)調(diào)整電流整定值的方案；文獻［11］針對混合接地方式提出了保護改進方案；文獻［12］則對單相接地故障時接地變壓器的零序電流保護方案進行了改進。而對多回線接地故障的情況，已有文獻主要是根據(jù)現(xiàn)場運行和繼電保護整定經(jīng)驗，提出降低饋線零序電流保護動作值的方法，以提高保護的靈敏性，同時為保證選擇性，母線接地變壓器的零序保護需要以延長保護的動作時間為代價［10，13-14］。這種解決方案盡管能夠?qū)ΤＲ?guī)零序電流保護在某些故障條件下起到改善的作用，但由于缺乏對多回線故障機理的理論分析，其通用性和適用性不強。因此，針對多回線復(fù)雜接地故障的特點，研究適用的繼電保護解決方案具有重要的理論和工程價值。

為此，本文基于故障分析理論，對小電阻接地系統(tǒng)多回線同相復(fù)雜接地故障進行故障機理分析，并推導(dǎo)了多回線接地故障的饋線零序電流與單回線接地故障零序電流之間的定量關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進的自適應(yīng)零序電流保護，通過引入母線的電壓信息，將多回線接地故障的零序電流補償為單回線故障的零序電流值，從而確保了常規(guī)的保護動作值整定方式和保護配合能夠適用于多回線復(fù)雜接地故障。

1 多回線復(fù)雜接地故障分析

1.1 多回線同相接地故障下的零序電流計算

當(dāng)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生多回線異相接地故障時，故障相之間相當(dāng)于對地短路，零序電流相比于發(fā)生單回線接地故障時顯著升高，對零序電流保護基本沒有影響［8］。因此，本節(jié)主要針對多回線同相接地故障進行故障分析。

圖1為一個典型的城市10 kV小電阻接地配電網(wǎng)示意圖。在城市配電網(wǎng)中，110 kV變電站的主變10kV低壓側(cè)一般采用三角形接線方式。因此，10kV母線需要配置Z型接地變壓器，以提供變壓器中性點經(jīng)小電阻 R0接地的途徑［15］。

圖1 10 kV小電阻接地系統(tǒng)Fig.1 10 kV low resistance grounding system

假設(shè)圖1中配電網(wǎng)發(fā)生n回饋線同相單相接地故障（A相發(fā)生故障，全網(wǎng)以A相為基準(zhǔn)相），可以得到其故障各序等值網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 多回線接地故障序網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Sequence networks of SPGF occurring in multi-circuit lines

根據(jù)對稱分量法，可知各故障饋線故障點處的電流、電壓關(guān)系為［16］：

其中，i=1，2，…，n；Rfi為第 i回故障饋線的過渡電阻；下標(biāo)（1）、（2）和（0）分別表示正序、負序和零序電氣量。

從母線看進系統(tǒng)側(cè)，可得母線電流、電壓關(guān)系為：

其中，和分別為n回線同相單相接地故障時，第i回故障饋線的正序、負序和零序故障電流；UM，f（1）、UM，f（2）和 UM，f（0）分別為母線上正序、負序和零序故障相電壓；Us和R0分別為系統(tǒng)電壓和中性點接地電阻；Zs（1）為系統(tǒng)正序阻抗；ZT（1）、ZT（0）分別為主變壓器的正序、零序阻抗。

從母線看進線路側(cè)，可得母線電壓與饋線電流的關(guān)系為：

其中，i=1，2，…，n。

根據(jù)對稱分量法，可知故障相的母線電壓和故障點電壓表達式為：

聯(lián)立式（1）—（4），可得：

其中，Zs∑=2（Zs（1）+ZT（1）） +ZT（0）+3R0為系統(tǒng)側(cè)的總阻抗，在系統(tǒng)運行方式確定的情況下為已知常數(shù)；Z∑.Li=2ZLi（1）+ZLi（0）+3Rfi為第 i回饋線的總阻抗。

根據(jù)故障等值序網(wǎng)絡(luò)可得到多回線故障情況下第i回饋線的零序電流：

其中表示除第 i回線路之外的其他所有故障線路總阻抗值的乘積。

以上是基于多回線A相接地故障下的饋線零序電流推導(dǎo)過程和結(jié)果。

1.2 多回線與單回線接地故障下饋線零序電流關(guān)系

由式（6）可知，在多回線同相接地故障下，故障饋線的零序電流將變得與原來該回線單獨故障時的零序電流不同，從而必然會對現(xiàn)有的基于單回線故障特征的零序電流保護產(chǎn)生影響。為了進一步量化該影響，下文進一步分析發(fā)生多回線同相接地故障時的饋線零序電流與發(fā)生單回線接地故障時的零序電流之間的定量關(guān)系。

由式（6）可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單回線故障時，該故障線路的零序電流為：

聯(lián)立式（5）—（7）可得：

由上式可得與的關(guān)系為：

2 新型自適應(yīng)零序電流保護方案

對于常規(guī)的饋線零序電流保護，其動作值的整定與配合均是基于單回線接地故障的情況，即該保護對于單回線故障具有良好的靈敏性和選擇性。因此，對于多回線接地故障，如果能夠?qū)⒛骋换毓收暇€路的零序電流，補償修正為單回線接地故障下的零序電流，則能夠使零序電流保護在沿用原有整定原則的基礎(chǔ)上，同樣適用于多回線接地故障。

基于以上思路，本文根據(jù)前文對多回線復(fù)雜接地故障機理的分析結(jié)果，提出了一種適用于小電阻接地系統(tǒng)的新型饋線自適應(yīng)零序電流保護。

其中，下標(biāo)φ為故障相；UM，φ為故障前的母線電壓，在實際保護裝置計算中取故障時刻的前一個周期所對應(yīng)的相量進行計算；UM，φ，f為故障時的母線電壓；Kc為零序電流補償系數(shù)，

由式（9）可知，若系統(tǒng)發(fā)生多回線接地故障，該保護原理只需根據(jù)母線的實時電壓值，即可自適應(yīng)地將每回故障線路的零序電流實時修正為該回線單獨故障時的零序電流值，且與各回故障線路的故障位置、過渡電阻無關(guān)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單回線接地故障時，很顯然Kc=1，即改進的保護仍然適用于單回線接地故障。

本文提出的饋線自適應(yīng)零序電流保護原理流程圖如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)零序電流保護方案Fig.3 Scheme of adaptive zero-sequence current protection

3 仿真驗證

為了驗證本文提出的饋線自適應(yīng)零序保護方案，利用PSCAD／EMTDC建立一個典型的實際10 kV配電網(wǎng)模型進行仿真分析，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在仿真模型中，110 kV系統(tǒng)側(cè)的最大和最小短路容量分別為 3 898.71 MV·A 和 1 922.74 MV·A；10 kV母線的接地小電阻R0=12 Ω；10 kV母線含4回出線，架空線路長度分別為4.1 km、4.7 km、2.7 km和3.2 km；線路均采用LGJ-120型號，其正序參數(shù)r1=0.27 Ω ／km，x1=0.335 Ω ／km，零序電抗 x0=3.0x1，對地電容C=12.14 nF／km；主變壓器和接地變壓器的具體參數(shù)分別如表1、2所示。故障點f1、f2和f3分別位于線路1、線路2和線路3。根據(jù)現(xiàn)場運行的保護定值整定規(guī)程，本算例的饋線零序電流保護I段的電流動作值整定為60 A，保護Ⅱ段動作值整定為25 A。

表1 110 kV主變壓器參數(shù)Table 1 Parameters of 110 kV main transformer

表2 Z型接地變壓器參數(shù)Table 2 Parameters of Z-type grounding transformer

3.1 零序電流補償效果分析

為驗證本文所提出的零序電流補償算法的準(zhǔn)確性，設(shè)置了3組仿真方案，如表3所示。仿真結(jié)果，即零序電流原始值與補償值的比較結(jié)果，分別如圖4—7所示。

由算例1的仿真結(jié)果可知，0.1 s發(fā)生單回線路A相接地故障時，零序電流補償值和實際值相同。0.25s和0.4 s其他兩回線路相繼發(fā)生同相接地故障時，饋線的實測零序電流明顯下降，而補償算法則可根據(jù)母線的實時電壓將零序電流補償為單回線故障下的零序電流值，且具有較高的精度。由圖5可知，在0.25 s前線路L1正常運行，電流補償值近似為0，說明自適應(yīng)零序電流保護引入后不會給非故障線路帶來不利的影響；而0.25 s后發(fā)生多回線接地故障，線路L1的補償值與單回線接地故障的零序電流實測值相同。

表3 仿真方案Table 3 Simulation scheme

圖4 故障線路1的零序電流比較（算例1）Fig.4 Comparison between zero-sequence currents of faulty Line 1，in Case 1

圖5 故障線路1的零序電流比較（算例2）Fig.5 Comparison between zero-sequence currents of faulty Line 1，in Case 2

圖6 故障線路1的零序電流比較（算例3）Fig.6 Comparison between zero-sequence currents of faulty Line 1，in Case 3

圖7 故障線路2的零序電流比較（算例3）Fig.7 Comparison between zero-sequence currents of faulty Line 2，in Case 3

算例3中，線路L1在0.1 s時發(fā)生間歇性弧光接地故障，持續(xù)到0.487 s時刻發(fā)展為永久性故障。圖6和圖7的結(jié)果表明，間歇性弧光接地由于其過渡電阻呈現(xiàn)很強的非線性，而且不斷隨機變化，因此，弧光接地的故障線路和其他故障線路的實測零序電流都會隨之不斷變化。而在這種情況下，本文所提的補償算法仍適用。其中，由圖6可知，對于發(fā)生弧光接地的故障線路，由于弧光接地所對應(yīng)的過渡電阻實際上是不斷變化的，所對應(yīng)的單回線故障零序電流也隨之不斷變化，所以補償電流也是不斷變化的，這與圖4、5所示的永久性故障的情況相比有所不同；而對于其他的故障線路，其補償效果則不受弧光接地故障的影響，如圖7所示。

仿真結(jié)果表明，發(fā)生多回線接地故障時，自適應(yīng)保護算法能將各回故障線路的零序電流準(zhǔn)確地補償為該回線路單獨故障下的零序電流值，而且補償精度不受本線路和其他故障線路的故障位置、過渡電阻的影響，補償精度較高。

3.2 自適應(yīng)保護方案動作情況分析

為驗證本文所提出的自適應(yīng)零序電流保護方案的有效性，本節(jié)通過仿真分析自適應(yīng)零序電流保護和常規(guī)零序電流保護在不同故障位置和不同過渡電阻情況下的保護動作情況。

以線路1和線路2出口處的零序電流保護為研究對象，所提出的零序電流保護動作情況及其與常規(guī)零序電流保護的比較如表4和表5所示。其中，表4為不同故障位置下的零序電流保護動作情況，f1和f2處的過渡電阻分別為20 Ω和0；表5則是考慮不同過渡電阻下的零序電流保護動作情況，f1和f2處的故障距離分別為0.3 km和1.95 km。

由表4和表5的結(jié)果可見，發(fā)生多回線接地故障時，線路上的常規(guī)零序電流保護易發(fā)生拒動，尤其當(dāng)過渡電阻之間差異較大時，容易引起某一回線零序電流顯著降低而導(dǎo)致的拒動；而對于自適應(yīng)零序電流保護，則能夠?qū)⑵渌诰€路的零序電流補償為該回線單獨發(fā)生接地故障情況下的零序電流值，進而確保基于單回線接地故障所整定的保護動作值能夠繼續(xù)應(yīng)用于多回線復(fù)雜接地故障的情況，提高傳統(tǒng)零序電流保護的適用性。同時，零序電流補償值的大小只與本故障線路的故障位置和過渡電阻有關(guān)，不受其他故障線路的影響。

表4 不同故障位置下常規(guī)零序電流保護和自適應(yīng)零序電流保護的動作情況比較Table 4 Comparison of operation between conventional and adaptive zero-sequence current protections for different fault locations

表5 不同過渡電阻下常規(guī)保護和自適應(yīng)零序電流保護的動作情況比較Table 5 Comparison of operation between conventional and adaptive zero-sequence current protection for different transition resistances

4 自適應(yīng)零序保護的裝置實現(xiàn)及RTDS測試

4.1 自適應(yīng)零序保護的實現(xiàn)

饋線保護測控一體化裝置平臺DPMC-21，采用32位浮點DSP（300M）芯片和16位高精度AD采樣，運算與邏輯功能強大。單元化設(shè)計、模塊化結(jié)構(gòu)，可擴充性強。保護測控裝置的處理器OMAP-L138由DSP內(nèi)核和ARM內(nèi)核2個內(nèi)核組成。裝置軟件的總體架構(gòu)包括保護程序、操作系統(tǒng)和監(jiān)控程序，其中保護程序運行于DSP內(nèi)核，操作系統(tǒng)和監(jiān)控程序運行于ARM內(nèi)核，2個內(nèi)核通過片上共享內(nèi)存（ShareRAM）進行數(shù)據(jù)交換。除此之外，還有運行于單片機上的IRIG-B數(shù)據(jù)解析程序以及運行于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的數(shù)據(jù)輸入／輸出（DI／DO）擴展程序。

利用DPMC-21平臺可在常規(guī)零序電流保護的基礎(chǔ)上嵌入本文所提出的新型饋線自適應(yīng)零序電流保護功能，其零序方向元件、自適應(yīng)元件均可單獨投退。

自適應(yīng)零序三段式過流保護主要針對小電阻接地系統(tǒng)，動作于跳閘。投入自適應(yīng)零序電流保護時只需設(shè)置零序電流門檻定值I0SET_MIN和阻抗定值Zs∑_SET，所有保護元件共用動作門檻定值和阻抗定值。投入自適應(yīng)元件后，若零序電流I0大于門檻定值則利用阻抗定值修正零序電流，修正后的零序電流若大于動作定值則保護動作于跳閘。本裝置的自適應(yīng)零序電流Ⅰ段的保護邏輯如圖8所示。圖中，I0fit為修正后的零序電流補償值；I0SET_I和TSET_I01分別為饋線零序電流保護的整定值和時限定值。

圖8 自適應(yīng)零序電流保護動作邏輯框圖Fig.8 Schematic diagram of operation logic of adaptive zero-sequence current protection

4.2 RTDS平臺測試

在實時數(shù)字仿真平臺RTDS（Real Time Digital Simulator）上建立了第3節(jié)所述的中性點經(jīng)小電阻接地實際10 kV城市配電網(wǎng)模型，對自適應(yīng)零序電流保護裝置進行測試，其中保護裝置安裝在線路L1的首端?；赗TDS平臺，測試了該套保護裝置在不同故障位置和過渡電阻條件下發(fā)生多回線接地故障時的零序電流補償效果以及保護動作情況。

保護測試結(jié)果如表6所示，保護裝置顯示輸出的部分故障報告如圖9所示。本裝置零序過流Ⅰ段保護定值為3A（一次值為60A），Ⅱ段保護定值為1.25 A（一次值 25 A）。

表6 DPMC-21線路保護裝置零序電流補償效果以及保護動作情況Table 6 Zero-sequence current compensation and operating results of DPMC-21 protection device

圖9 DPMC-21故障報告Fig.9 Fault reports of DPMC-21

由表6可發(fā)現(xiàn)，發(fā)生單回線接地故障時零序電流的自適應(yīng)補償值與實際值基本相同，說明該裝置的自適應(yīng)零序電流保護功能同樣適用于普通的單回線接地故障；而發(fā)生多回線接地故障時，DPMC-21饋線保護投入自適應(yīng)保護后能夠根據(jù)阻抗定值和母線電壓實時修正零序電流，而且在實際運行中具備較高的補償精度，顯著提高了零序電流保護的靈敏性。

RTDS測試結(jié)果表明，對于小電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生多回線同時接地故障或者相繼接地故障時，在不同的故障位置和過渡電阻條件下DPMC-21饋線保護裝置的自適應(yīng)保護均能準(zhǔn)確檢測到接地故障，并切除故障線路，提高了保護的靈敏性和選擇性。

4.3 負荷對保護裝置的影響

由于饋線負荷變化隨機性較強，而且負荷變化對于線路出口處的保護通常是不易獲取的，為了便于分析，本文的自適應(yīng)零序電流補償算法忽略了故障時的負荷電流。然而，在實際運行中發(fā)生單相接地故障時線路仍存在負荷電流分量，因此保護裝置的補償精度會受負荷的影響。但是，由于系統(tǒng)中性點經(jīng)小電阻R0接地（R0通常為 10～14 Ω），在故障復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)中 Zs∑_SET主要決定因素為3R0，故相比于接地電阻R0，負荷阻抗對零序電流補償?shù)挠绊懯怯邢薜?。而從保護的角度，負荷導(dǎo)致的零序電流補償誤差通常在允許范圍內(nèi)，對保護裝置的正確動作基本沒有影響。

圖10為最惡劣條件（負載運行、末端故障）下該裝置的電流補償效果。由圖可見，相比于空載運行，雖然負荷導(dǎo)致補償電流存在一定的誤差，但是仍顯著提高了該保護裝置對于多回線故障的靈敏性，保護正確動作。

圖10 考慮負荷時的零序電流Fig.10 Zero-sequence current considering load

5 結(jié)論

小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生多回線同相接地故障時，零序電流的分布特征相比于單回線接地故障發(fā)生明顯變化，常規(guī)的饋線零序電流保護靈敏性難以滿足要求，嚴(yán)重情況下還可能導(dǎo)致母線接地變壓器零序保護越級誤動，擴大停電范圍。因此，本文提出了一種新型的饋線自適應(yīng)零序電流保護方案。該保護方案通過將每條饋線的零序電流實時地補償回該饋線單獨故障情況下的零序電流，從而使得零序電流保護在繼續(xù)采用原有整定配合原則的基礎(chǔ)上，解決了多回線同時接地故障對零序電流保護所造成的影響。

算法仿真以及裝置測試結(jié)果均表明，該保護方案顯著提高了饋線零序電流保護在多回線復(fù)雜接地故障情況下的靈敏性，改善了保護性能，而且不受過渡電阻、故障位置的影響。此外，該保護方案只需在原有零序電流保護方案基礎(chǔ)上，增加母線電壓信息，容易實現(xiàn)，具有較好的經(jīng)濟性和工程應(yīng)用價值。

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