基于零序分量的配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)系統(tǒng)

王卓然，李　強(qiáng)，周飛航（西安理工大學(xué)，陜西西安710048）

基于零序分量的配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)系統(tǒng)

王卓然，李強(qiáng)，周飛航
（西安理工大學(xué)，陜西西安710048）

基于對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)輸電線路發(fā)生的單相接地故障時(shí)的零序電壓、零序電流進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，提出基于零序電流的故障定位方法適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生配電網(wǎng)單相接地故障。期間詳細(xì)介紹了零序電壓、零序電流的產(chǎn)生原理和相關(guān)特性，并提出零序電流采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、對(duì)零序電流的濾波以及放大處理，分析了零序電流相位的提取和計(jì)算，總結(jié)了應(yīng)用零序電流在故障定位中的應(yīng)用前景。

配電網(wǎng)；單相接地故障；零序分量；故障檢測(cè)與定位

1　引言

電力作為國(guó)家生產(chǎn)和人民生活必不可少的基礎(chǔ)性能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程中發(fā)揮著不可替代的重大作用。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模越來越大，鋪架的線路距離越來越遠(yuǎn)，電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)乎國(guó)家生產(chǎn)的穩(wěn)定與人民生活的幸福，一旦配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，需要第一時(shí)間定位故障點(diǎn)，并盡快排除故障［1－3］。

當(dāng)下國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者致力于配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)的研究當(dāng)中，對(duì)于配電網(wǎng)故障選線技術(shù)取得了一些成果，目前配電網(wǎng)單相接地故障的定位方法有很多種，如工人登桿檢測(cè)法、阻抗法、信號(hào)注入法等，但效果都因?yàn)楦鞣N原因而不太理想。本文從零序電流、零序電壓的特性出發(fā)，提出了基于零序電流相位的單相接地故障定位方法。本文提出的定位方法主要是基于零序電流互感線圈的使用和對(duì)零序電流相位的相關(guān)計(jì)算，下面將逐一介紹。

2　零序電流原理

電力系統(tǒng)中的供電線路是三相對(duì)稱的，所以發(fā)生接地故障時(shí)短路電流分量也是對(duì)稱的，在配電網(wǎng)輸電系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障的時(shí)候，對(duì)稱性就發(fā)生了相應(yīng)的改變，配電網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)三相不對(duì)稱的電壓分量和電流分量。此刻需要對(duì)三相不對(duì)稱的電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)槿鄬?duì)稱電路來進(jìn)行分析，在線性電路里應(yīng)用疊加原理對(duì)電流分量進(jìn)行疊加分析。

2.1接地故障點(diǎn)各分量分析

在三相電中，對(duì)于任意不對(duì)稱的三相向量可分解為三組對(duì)稱的分量：正序分量、負(fù)序分量、零序分量。假設(shè)三相向量分別為Fa、Fb、Fc，角標(biāo)0、1、2分別代表零序分量、負(fù)序分量以及正序分量，即：

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，三相中只存在正序分量。一旦配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)中就會(huì)同時(shí)存在正序分量、負(fù)序分量以及零序分量，其中零序分量、負(fù)序分量會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成嚴(yán)重的影響。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，正序分量表現(xiàn)為三相對(duì)稱、大小相等，并且相位順時(shí)針方向相差120°，負(fù)序分量也呈現(xiàn)出三相對(duì)稱且大小相等，只不過相位逆時(shí)針方向相差120°，零序分量三相對(duì)稱、大小相等、相位相同，并且只有在發(fā)生單相接地故障時(shí)才出現(xiàn)，如圖1所示。

圖1　三相向量分解圖

由于在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)中才存在零序電流，在仔細(xì)分析零序電流的相位特性后，特此提出基于零序分量的單相接地故障定位法，文中將重點(diǎn)對(duì)零序電流的一些特性，尤其是對(duì)發(fā)生單相接地故障接地點(diǎn)前后變化的零序電流特性做出分析。

2.2接地故障點(diǎn)零序電流分量的等效電路

配電網(wǎng)三相電在P點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，假設(shè)接地的相為C相，則Upa＝0。由于P點(diǎn)三相對(duì)地阻抗不等，則系統(tǒng)中三相電壓及電流不對(duì)稱。對(duì)于C相來說，P點(diǎn)接地處的零序電壓作為激勵(lì)源。圖2（a）、2（b）所示為零序等效圖。圖中Up0為故障接地點(diǎn)的零序網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)，Ip0為線路的零序電流，Zp0為線路的零序阻抗。

圖2　故障前后零序分量等效圖

2.3故障點(diǎn)零序電流分量的計(jì)算

C相的P點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，很顯然有如下關(guān)系：UPc＝0，IPa＝0，IPb＝0。

根據(jù)圖2所示的零序網(wǎng)絡(luò)等效電路可得：

UPc＝－Zp0Ip0（2）

由圖2可知，在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)前后的零序電流的相位相差180°，即相位的相反的。那么，當(dāng)配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)到某個(gè)區(qū)域零序電流的相位發(fā)生180°的變化時(shí)，即可判斷故障點(diǎn)的線路區(qū)間。

3　零序電流采集系統(tǒng)

零序電流的相位采集系統(tǒng)主要組成部分如圖3所示，主要包括零序電流互感器、UAF42有源帶通濾波電路、AD8628放大電路以及零序電流計(jì)算電路。

3.1零序電流互感器

圖3　零序電流相位采集系統(tǒng)

零序電流互感器的感應(yīng)原理與普通的電流互感器的感應(yīng)原理是一樣的，但是在其使用方式上有別于普通的電流互感器。普通的電流互感器需要3個(gè)感應(yīng)線圈分別穿過三相線中的每一相，檢測(cè)到的只有其中一相的電流值，零序電流互感器需要三相線同時(shí)穿過一個(gè)線圈，檢測(cè)到的則是零序電流。

零序電流互感器的一次繞組是中性線，在三相正常運(yùn)行時(shí)，三相線路中的電流向量和為零，一次繞組中無電流通過，互感器的鐵心就不會(huì)產(chǎn)生磁通，二次繞組中就不會(huì)有感應(yīng)電流。配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相線路中的電流向量和不為零，有電流流過一次繞組，互感器的鐵芯將會(huì)產(chǎn)生磁通，二次繞組感應(yīng)出電流，此電流就是零序電流。

常用的零序電流互感器按照其結(jié)構(gòu)劃分，可以分為開合式和固定穿心式。開合式互感器應(yīng)用方便，在不改動(dòng)電纜的情況下即可進(jìn)行拆裝和更換，故本系統(tǒng)采用開合式零序電流互感器。

3.2有源帶通濾波器

零序電流互感器中感應(yīng)到的零序電流存在雜波信號(hào)，為了避免雜波信號(hào)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾，應(yīng)當(dāng)濾除雜波信號(hào)只保留50Hz的基波電流信號(hào)。本次采集系統(tǒng)選用了前后兩級(jí)帶通濾波器對(duì)采集來的零序電流進(jìn)行濾波處理，前一級(jí)濾波主要過濾掉雜波，因此前一級(jí)濾波器為中心頻率為50Hz，帶寬為10Hz的帶通濾波器。由于在系統(tǒng)中存在放大器對(duì)微弱的零序電流信號(hào)進(jìn)行放大，因此有可能造成狀態(tài)飽和，導(dǎo)致輸出的波形出現(xiàn)飽和失真，為此后一級(jí)濾波器的作用就是得到規(guī)則的正弦信號(hào)［4］。

本系統(tǒng)采用的是UAF42有源帶通濾波器。配置中心頻率為：

配置Q值：

3.3放大器

本文采用AD8628放大器為前一級(jí)濾波器輸出的零序電流信號(hào)進(jìn)行放大，如圖4所示，其中放大的倍數(shù)設(shè)置為100倍，n＝Ra／Rb。

圖4　放大器AD8628

零序電流在經(jīng)過濾波放大后進(jìn)行相位提取。本文采用10位AD轉(zhuǎn)換器對(duì)零序電流采樣20個(gè)點(diǎn)，設(shè)為Dn，采樣頻率設(shè)為1kHz。

把采樣得到的20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行比較，當(dāng)Dn和Dn＋1兩點(diǎn)符號(hào)不同時(shí)，停止比較，并記錄此時(shí)n的值。

圖5　相位采集圖

當(dāng)Δt＝1ms，由式（5）、式（6）推得：

θ＝ΔT×360／20ms＝（n＋1／2）18

當(dāng)Dn≤0，Dn＋1＞0時(shí)，如圖5所示，可得：

當(dāng)Δt＝1ms，ΔT代入式（7）中得：

如果找到相鄰的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相位值相反。那么可以判斷單相接地故障就發(fā)生在這個(gè)區(qū)間內(nèi)。

4　配電網(wǎng)仿真模型實(shí)驗(yàn)

利用Matlab仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)搭建仿真模型，然后通過仿真出的零序電流波形證明該方法的正確性。

圖6所示為搭建的仿真模型，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：三相電壓源為10kV，接地方式為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，電流電壓頻率統(tǒng)一為50Hz，配電線路為分布式輸電電路，各線路的長(zhǎng)度分別為50km、70km、80km，線路各參數(shù)為正序電阻＝0.01389Ω／km，正序感抗＝0.8997mH／km，正序容抗＝13.01pF／km，零序電阻＝0.3964Ω／km，零序感抗＝4.3313mH／km，零序容抗＝7.571pF／km；線路對(duì)地的電容都設(shè)為1uF，發(fā)生接地故障時(shí)的接地電阻設(shè)為300Ω。

圖6　仿真模型

仿真出的零序電流、電壓波形如圖7所示?；谏鲜龇抡婺Ｐ?，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，包括接地電阻大小、線路長(zhǎng)度等，在此過程中發(fā)現(xiàn)線路越長(zhǎng)對(duì)地的零序電流就越大，檢測(cè)就越準(zhǔn)確，且接地電阻的大小對(duì)故障的判斷幾乎沒有影響。

圖7　零序分量故障前后波形

5　誤差分析

由于配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境差異也很大，使得實(shí)際得到的零序電流相位與實(shí)際情況存在不同程度的誤差，因此需要采取相應(yīng)的措施，盡可能地提高采集零序電流相位的精確度。

配電網(wǎng)單線接地故障可能造成零序分量的相位和幅值發(fā)生變化。故障點(diǎn)前后的零序電流相位理論上相反，但在進(jìn)行相位判斷上只要是近似相反都應(yīng)該認(rèn)為是發(fā)生了接地故障。

至于提高采集零序電流相位的精度，在考慮成本因素的情況下，應(yīng)該選購精度相對(duì)較高的零序電流互感器。這樣可以從根本上提高采集精度。

6　結(jié)束語

本文中對(duì)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的單相接地故障進(jìn)行了介紹與分析，提出通過分析故障前后的零序電流的相位來對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行定位。

文中重點(diǎn)分析闡述了零序分量的產(chǎn)生與特征，通過分析發(fā)現(xiàn)在故障前后零序電流的相位差發(fā)生了180°轉(zhuǎn)變，再配合高精度AD數(shù)據(jù)采集，通過有源帶通濾波器以及放大器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)三相點(diǎn)零序電流的采集、過濾、放大與分析。

基于目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)研究的現(xiàn)狀，零序電流的故障定位方法的提出對(duì)于進(jìn)一步研究在線故障定位提供了重要的參考［6］。

［1］李雅潔，孟曉麗，史常凱.基于零序量采集值的配電網(wǎng)故障定位［J］.中國(guó)電力，2011，44（5）：10－14.

［2］郭玉會(huì)，戚宇林.基于零序電流的單相接地故障定位系統(tǒng)［J］.電力學(xué)報(bào)，2012，（6）.

［3］夏楠，姜彤，張利.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)負(fù)荷電流對(duì)零序電流采集的影響分析［J］.電氣應(yīng)用，2010，5.

［4］張麗敏.基于UAF42通用有源濾波器的設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)蒙古電大學(xué)刊，2002（1）：97－98.

［5］張利，夏楠，姜彤.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位方法［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010（4）：36－40.

［6］季濤，孫同景，薛永端等.配電網(wǎng)故障定位技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.繼電器，2006，33（24）：32－37.

Single phase grounding fault detecting system based on zero sequence component

WANG Zhuo－ran，LI Qiang，ZHOU Fei－h(huán)ang
（Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an 710048，China）

Based on the zero sequence voltage and zero sequence current of the single phase to earth fault in the transmission line of the power distribution network，a fault location method is proposed based on zero sequence current，which is suitable for the single phase earth fault in the system of neutral point grounding.The generation principle and correlation characteristics of zero sequence voltage and zero sequence current are introduced in detail，and basic structure of the zero sequence current acquisition system and the filtering of the zero sequence current are presented.The extraction and calculation of the phase of zero sequence current is analyzed.Finally，the application prospect of the application of the grounding fault detecting system of the zero sequence current is summarized.

distribution network；single phase grounding fault；zero sequence component；fault detection and location

TM862

A

1005—7277（2016）01—0051—04

王卓然（1987－），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)技術(shù)及電力自動(dòng)化技術(shù)。

李強(qiáng)（1961－），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)技術(shù)、電力自動(dòng)化及電弧爐控制等技術(shù)。

2015－12－02