小電流接地電網(wǎng)改進(jìn)能量法接地選線原理

保定供電公司 霍永生

1.引言

我國中低壓電網(wǎng)中，中性點(diǎn)一般采取不接地、經(jīng)高電阻接地、或經(jīng)消弧線圈接地的接地方式。這類電網(wǎng)在發(fā)生單相接地故障時，短路電流只能通過對地電容或阻抗形成小電流回路，所以又被稱為小電流接地電網(wǎng)。小電流接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后的選線困難，特別是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)。目前小電流接地系統(tǒng)故障選線方法按所用電氣量可以分為：利用注入信號和故障信號。其中利用故障信號的方法又可分為利用故障信號的穩(wěn)態(tài)量和暫態(tài)量兩種。注入法需要附加信號源且注入信號給電網(wǎng)帶來一定的影響；利用故障信號穩(wěn)態(tài)量的方法存在檢測信號偏小的問題，且不能判斷瞬間接地和間歇性接地故障；故障信號暫態(tài)量較大，完整地反映了故障發(fā)生的過程和特點(diǎn)，不僅能判斷穩(wěn)定接地，而且能夠判斷瞬間接地和間歇性接地故障。本文研究了小電流接地電網(wǎng)單相接地故障發(fā)生后的電壓和電流的特點(diǎn)，提出了利用能量變化方向的原理選擇接地線路的方法。

2.電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

為了研究電網(wǎng)單相接地故障，僅僅利用實(shí)際測量的故障波形和數(shù)值是不夠的。不但實(shí)際測量波形和數(shù)據(jù)較少，而且由于測量不準(zhǔn)確或者其它的干擾影響了對電網(wǎng)單相接地時電壓電流等物理量特征的歸納研究。所以要建立一個既便于分析又能夠反映實(shí)際電網(wǎng)特征的模型。

在中低壓電網(wǎng)中，線路的長度較短，與電壓電流波的波長相比相差幾個數(shù)量級的情況下，電路網(wǎng)絡(luò)可以用集中參數(shù)模型。單相接地故障中，要研究暫態(tài)接地和穩(wěn)定接地的過渡過程中各個物理量的變化規(guī)律，就不能忽略線路的電感，相間電容，線路電阻和線路對地導(dǎo)納，對地電容可以是不平衡的。本文中所建立的電網(wǎng)模型如圖1。模型中忽略了線路并聯(lián)電導(dǎo)和線路互感。忽略線路并聯(lián)電導(dǎo)是因為在三相線路中用并聯(lián)電導(dǎo)來表示線路電壓引起的有功功率損耗，而電壓為110kV以下的架空線路，與電壓有關(guān)的有功功率損耗主要是由絕緣子表面泄露電流所引起的，一般可以忽略不計。忽略線路線間互感是因為相對于相間電容來講，線路相間互感很小，可以忽略不計。模型的建立也是希望用軟件模擬實(shí)際電網(wǎng)正常運(yùn)行或者故障狀態(tài)的情況，忽略了影響小的過分細(xì)節(jié)的因素，抓住問題的主要部分。

以暫態(tài)量作為研究對象，所以此時定義的零序電流不再是傳統(tǒng)意義上的三序電流中的零序分量，而是三相電流瞬時值之和的1/3。同樣零序電壓也為三相電壓之和的1/3，如圖2。

根據(jù)圖1電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型列寫出電壓、電流狀態(tài)方程，接地采用開關(guān)串聯(lián)電阻的模型進(jìn)行數(shù)值計算。

2.2 模型驗證

為檢驗所建模型是否正確，作者查閱大量資料。由于間歇性電弧接地是單相接地中過程最為復(fù)雜的，若在模型上做的間歇性電弧接地仿真符合實(shí)際測得各個物理量的波形特征，那么可驗證所建立的模型是正確的。

根據(jù)對20kV電網(wǎng)測量的將近500次的單相接地故障的實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，小電流接地電網(wǎng)中單相間歇性電弧接地的接地電阻主要在200到400歐姆和2000到4000歐姆這兩個區(qū)間。所以我們就接地故障電阻在上述兩個區(qū)間的間歇性電弧接地故障運(yùn)用MATLAB仿真軟件做了大量的仿真計算。圖2為芬蘭工程師在20kV電網(wǎng)采樣率為3500HZ時錄入的故障線路零序電流和中性點(diǎn)電壓波形。圖3為作者在仿真20kV電網(wǎng)采樣率為3500HZ時發(fā)生間歇性電弧接地故障（電弧重燃五次）計算得到故障線路零序電流和中性點(diǎn)電壓波形。從仿真波形圖4和實(shí)測波形圖3看，兩者特征十分相近，說明所建立的仿真模型能夠反映實(shí)際電網(wǎng)情況。在此電網(wǎng)模型上做的仿真研究得到的規(guī)律和結(jié)果是正確的。

3.對接地現(xiàn)象的分析研究

圖1 模型圖

圖2 TS系統(tǒng)原理圖

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

電網(wǎng)線路與大地之間存在對地電容，三相存在相間電容。一般情況下，各相對地電容。所以電網(wǎng)正常運(yùn)行時中性點(diǎn)呈現(xiàn)一定數(shù)值的對地電位差，即“不對稱電壓”，此時的電網(wǎng)為不對稱電網(wǎng)或不平衡電網(wǎng)。如果線路經(jīng)過良好的換位，使得三相對地電容與相間電容分別相等，中性點(diǎn)電壓在電網(wǎng)正常運(yùn)行時應(yīng)該為零，此時的電網(wǎng)為對稱電網(wǎng)或平衡電網(wǎng)。不管平衡電網(wǎng)還是不平衡電網(wǎng)，發(fā)生單相接地故障后，都表現(xiàn)為中性點(diǎn)電壓和相電壓以及各條線路零序電流發(fā)生變化。而且能夠直接測量的物理量也只有這些，如何利用這些量來進(jìn)行故障選線值得深入研究。

電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，故障相電壓降低，非故障相電壓和中性點(diǎn)電壓升高，零序電流增大。故障相電壓，中性點(diǎn)電壓和各線路的零序電流這三個物理量完全可以反映故障情況。對于小電流接地電網(wǎng)，各條線路的零序電流值都比較小，以往單單以零序電流的特點(diǎn)作為選線判據(jù)勢必分辨率低。而以零序電流乘以中性點(diǎn)電壓所得的零序功率以及零序功率積分得到的零序能量沒有反映到故障相電壓的變化情況。當(dāng)金屬性接地故障時故障相電壓降到零，中性點(diǎn)電壓上升到相電壓，此時零序能量有較高的分辨率；但當(dāng)接地電阻很大時，故障相電壓下降不多，中性點(diǎn)電壓幅值較小，線路零序電流也很小，此時零序能量法不能很好地判別故障線路。所以擬定以中性點(diǎn)電壓與故障相電壓的差作為電壓量，再與零序電流做積分求得的能量來研究接地故障。

式中采用（u0-ua）代替零序能量中的，保證在高阻接地故障時能量的數(shù)值較大，可以提高了分辨率。根據(jù)電網(wǎng)模型列寫電壓和電流狀態(tài)方程，接地采用開關(guān)串聯(lián)電阻的模型進(jìn)行數(shù)值計算，求得中性點(diǎn)電壓，各相電壓和各條線路的零序電流。電網(wǎng)模型參數(shù)的不同，計算出不同情況下的各條線路的能量，并繪制能量曲線來研究該能量的特點(diǎn)。

圖5為平衡電網(wǎng)在不同接地電阻和不同的故障發(fā)生時刻下各條線路的能量，其中（a）為故障發(fā)生在故障相電壓較大時刻且接地電阻較大的情況，（b）為故障發(fā)生在故障相電壓接近過零點(diǎn)時刻且接地電阻較小的情況。從圖4中可以看出當(dāng)發(fā)生小電阻接地故障時故障線路的能量瞬間變化很快，接地電阻大時變化相對較慢。而對于所有線路，不同的接地電阻和不同的接地時刻影響能量幅值，能量曲線的形狀基本不變：未發(fā)生故障時能量為零，發(fā)生故障后，故障線路能量為負(fù)而非故障線路能量為正；且從能量大小上，故障線路能量大而非故障線路能量小。

圖6為不平衡電網(wǎng)在不同接地電阻和不同的故障時刻下各條線路的能量。（a）中B相對地電容最小，A相和C相對地電容相同，故障發(fā)生時故障相電壓大，接地電阻??；（b）中A相對地電容最小，B相和C相對地電容相同，故障發(fā)生時故障相電壓小，接地電阻大。從圖中可以看出，不平衡電網(wǎng)在正常運(yùn)行時中性點(diǎn)有一定的對地電位，零序電流不為零，所以未發(fā)生故障時各條線路的能量不為零。雖然三相對地電容不相同的情況不同，使得正常情況下的能量方向不同，但只要是沒有故障發(fā)生，各條線路的能量符號是相同的（都是正的或者都是負(fù)的）。發(fā)生故障后線路能量的正負(fù)不能確定：（a）中線路3和線路1能量由負(fù)變正，線路2保持負(fù)值；（b）中線路3和線路1能量保持正值，而線路2由正變負(fù)。所以此時不能以能量的方向來判斷故障線路。同時線路2的能量大小也不再是最大的，所以能量的大小也不能作為選線依據(jù)。

經(jīng)過大量的計算，發(fā)現(xiàn)不管是平衡電網(wǎng)還是不平衡電網(wǎng)，不管故障發(fā)生在何時，故障后故障線路的能量曲線的斜率為負(fù)數(shù)而非故障線路能量曲線的斜率為正數(shù)。所以得出結(jié)論：以能量曲線的斜率來判斷故障線路。如果各條線路的能量曲線斜率符號相同則未有故障發(fā)生，或者發(fā)生母線接地故障，此時需要中性點(diǎn)電壓幅值的進(jìn)一步判斷（如果中性點(diǎn)電壓超過相電壓的15%則發(fā)生故障）；如果有線路能量曲線斜率與其他線路的能量曲線斜率不同，那么該線路即為故障線路。

4.能量變化方向選線原理

4.1 能量變化的定義

將能量曲線斜率定義為能量變化。根據(jù)上面的分析總結(jié)，能量變化方向選線原理闡述為故障線路的能量變化與非故障線路的能量變化方向是不相同的，以此判斷出故障線路。

4.2 仿真驗證

用MATLAB軟件仿真了各種電網(wǎng)條件下的情況證明上述選線原理均正確。以下是電網(wǎng)不平衡度較大時，比較極端條件下的仿真結(jié)果。

仿真條件：線路1的對地電容為1，線路2的對地電容為4，線路3的對地電容為15，A相對地電容最小，B相和C相對地電容相等。電網(wǎng)的電壓等級為6kV，正常運(yùn)行時中性點(diǎn)電壓為相電壓的13%，阻尼率為5%，脫諧度為0。在t=0.155s時線路2發(fā)生第一次燃弧接地，熄弧后又重燃5次，弧道電阻為5歐姆。

圖7為不平衡電網(wǎng)發(fā)生間歇性電弧接地故障時各條線路的能量曲線。從圖上可以看出，未發(fā)生故障時3條線路的能量曲線斜率符號相同，而發(fā)生故障后非故障線路的能量曲線斜率是正的，故障線路的能量曲線斜率是負(fù)的，即故障發(fā)生后線路能量變化方向是可以判斷出故障線路的。圖7為不平衡電網(wǎng)發(fā)生間歇性電弧接地故障時各條線路的工頻周期內(nèi)能量變化曲線。從該圖中更容易看出故障線路與非故障線路能量變化方向相反的特點(diǎn)，因為不斷的燃弧和熄弧，所以曲線呈現(xiàn)鋸齒狀。特別值得注意的是，在圖6中每次燃弧時能量曲線都有一個突變：非故障線路能量曲線突然快速上升，故障線路能量曲線突然快速下降。這樣甚至可以判斷燃弧次數(shù)和時刻。可見，能量變化方向是可以在比較復(fù)雜的故障情況下有效地判斷出故障線路的。傳統(tǒng)的能量原理認(rèn)為發(fā)生故障線路能量小于零，而圖5顯示故障線路與非故障線路能量的符號是不定的。其他大量的仿真分析也證明了證明傳統(tǒng)的能量原理在電網(wǎng)不平衡度較大時存在死區(qū)。能量變化方向選線原理無死區(qū)，且比能量原理的分辨率高（圖7中能量變化方向十分明顯）。

4.3 可行性分析

在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到硬件條件和制造成本的限制，為了降低采樣率，中性點(diǎn)電壓、故障相電壓和各條線路的零序電流量須經(jīng)過低通濾波器濾波調(diào)理后再采樣，用濾波后的電氣量計算是否還滿足上述原理呢？圖7是對仿真得到的電氣量經(jīng)過2階截止頻率為100Hz采樣率為1000Hz低通濾波器后的能量曲線圖，從圖上可以看出濾波后能量變化方向原理仍然可以準(zhǔn)確判斷故障線路。這意味著采用低成本的單片機(jī)系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)上述選線原理。

5.結(jié)論

利用中性點(diǎn)電壓，故障相電壓和零序電流求得的能量在故障前后變化的特點(diǎn)可以準(zhǔn)確區(qū)別故障線路。該方法在電網(wǎng)不平衡度較大情況和暫態(tài)接地故障情況都有效。在實(shí)際應(yīng)用中對硬件條件要求不高，選線分辨效果明顯。