小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)特征分析

● 國網(wǎng)湖南供電服務(wù)中心（計量中心） 劉謀海 周 燦 葉瀏青 余敏琪 湖北西塞山發(fā)電股份有限公司 呂卓文

在單相接地故障情況下，配電網(wǎng)中暫態(tài)故障特征量的分布與傳播規(guī)律與穩(wěn)態(tài)特征量具有明顯差異。首先，當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地故障時，其產(chǎn)生的暫態(tài)值可能是穩(wěn)態(tài)值的幾十倍。此外，由于電感與電容在不同系統(tǒng)頻率作用下所表現(xiàn)的阻值不同，因此在暫態(tài)過程中消弧線圈無法實現(xiàn)完全補償。在諧振接地配電網(wǎng)中，當(dāng)接地故障發(fā)生時刻為相電壓與時間軸相交時，補償電感電流幅值達到最大；而當(dāng)接地故障發(fā)生時刻為相電壓達最大時，此時暫態(tài)電感電流最小（iL=0）。因此，暫態(tài)電容電流在故障發(fā)生初始時起主導(dǎo)作用，這一結(jié)論無論采用何種接地方式都適用。

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地的暫態(tài)過程中，暫態(tài)補償電感電流、暫態(tài)饋線電容電流、暫態(tài)接地電流的大小與分布可以通過諧振接地系統(tǒng)單相接地故障等效回路來分析，如圖1所示。

圖1 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障等效回路圖

其中：C為諧振接地電網(wǎng)的三相等效對地電容；L0為零序參數(shù)網(wǎng)絡(luò)中變壓器和線路的總等效電感；R0為零序回路中包括線路、大地以及故障點電阻在內(nèi)的等效電阻；rL為消弧線圈的等值有功損耗電阻；L為消弧線圈的等值電感；u0為故障回路中的等效零序電壓源。

相對于諧振接地電網(wǎng)，中性點不接地電網(wǎng)中沒有電感電流對電容電流進行補償，其暫態(tài)電流分析過程與諧振接地電網(wǎng)在本質(zhì)上是相同的，僅需要將圖1中暫態(tài)等效回路中的rL和L斷開。以下主要分析諧振接地電網(wǎng)的暫態(tài)過程。

1 暫態(tài)電容電流

在單相接地故障初期暫態(tài)過程中，配電網(wǎng)中性點連接的消弧線圈電感值明顯大于電網(wǎng)等值電感（L＞L0），因此，可以忽略L與rL的影響，L0、R0和C在暫態(tài)等效電路中組成的串聯(lián)二階回路，認(rèn)為等效零序電壓u0作用在L0、R0和C上，暫態(tài)電容電流如下式可得：

其中：Uphm表示系統(tǒng)相對地電壓的幅值。

其中：電容電流的暫態(tài)自由振蕩頻率為ωf；電容電流幅值為ICm；暫態(tài)自由振蕩衰減系數(shù)為δ；iC表示回路時間常數(shù)，與系統(tǒng)運行方式有關(guān)，當(dāng)回路時間常數(shù)越大時，自由振蕩衰減的過程耗時越長，當(dāng)回路時間常數(shù)越小，自由衰減的過程就越快?？紤]到iC．os同時具備inω和cosφ 2個因子，故無論故障發(fā)生時φ取何值，iC．os均存在。

2 暫態(tài)電感電流

根據(jù)圖1建立暫態(tài)過程中消弧線圈鐵芯磁通微分方程式，得到：

式中：W代表消弧線圈匝數(shù)；ψL代表鐵芯磁通量。

表1 主要故障特征量在配電網(wǎng)中傳播及分布規(guī)律

由式4可以看出，消弧線圈產(chǎn)生的補償電感電流iL包含衰減直流分量與工頻分量。其中，衰減直流分量僅流經(jīng)故障饋線與消弧線圈。電感電流的大小與φ有關(guān)，當(dāng)φ=π/2時，電感電流為最小值；當(dāng)φ=0時，電感電流為達到最大值。

3 暫態(tài)接地電流

由上述的分析可知，暫態(tài)接地電流包含2種電流成分，分別為暫態(tài)電容電流分量與暫態(tài)電感電流分量。暫態(tài)接地電流穩(wěn)態(tài)工頻分量幅值等于電感電流幅值與電容電流幅值的差，其暫態(tài)衰減分量的幅值為電感電流的衰減直流分量幅值與電容電流的衰減振蕩分量幅值之和。對于暫態(tài)過程中的電感電流和電容電流，由于二者在不同頻率下的阻抗具有很大差異，一般情況下無法實現(xiàn)完全補償，甚至可能會產(chǎn)生疊加作用，導(dǎo)致暫態(tài)接地電流幅值較穩(wěn)態(tài)情況下更大。

4 故障特征量在配電網(wǎng)中傳播及分布規(guī)律

小電流接地系統(tǒng)（主要包括中性點諧振接地、中心點不接地以及高阻抗接地3種方式）由于接地電弧能自行熄滅，因此廣泛應(yīng)用于我國大部分配電網(wǎng)，其中單相接地故障檢測難度最大、發(fā)生概率最高，是配電網(wǎng)急需解決的問題?；谶@兩點現(xiàn)實的考慮，本文著重對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障展開研究。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時，配電網(wǎng)故障特征傳輸及分布情況如表1所示。

盡管各種單一特征量在配電網(wǎng)中的傳播及分布規(guī)律分別從不同側(cè)面對單相接地故障進行了描述，在一定程度上反映了故障特征，但均具有一定的局限性。通過將多種故障特征信息實現(xiàn)有效的信號處理，進行多尺度大數(shù)據(jù)融合，進一步拓寬了特征樣本維度，提升不同故障信息間的互補性和冗余性，不僅有利于提高目標(biāo)特征的可探測度和故障特征量的時空分辨率，而且充分凸顯了不同故障信息之間的相似性，更使得信息的不確定性有了大幅度下降，增強了多種故障條件下各個接地系統(tǒng)故障定位方案的適應(yīng)能力。

5 結(jié)束語

本文主要從非有效接地系統(tǒng)的接地方式、單相接地故障時穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特征分量以及多種故障特征信息在不同接地方式配電網(wǎng)中的傳播規(guī)律與分布特性進行了深入分析。從分析中可以得出，無論是那種接地方式，都存在穩(wěn)態(tài)特征和暫態(tài)特征，暫態(tài)特征分量包括工頻分量、衰減的直流分量、電容電流的衰減振蕩分量，穩(wěn)態(tài)特征由于自身的信號較弱，易受消弧線圈及電弧不穩(wěn)定的影響。對于暫態(tài)過程中的電感電流和電容電流，由于二者在不同頻率下的阻抗具有很大差異，一般情況下無法實現(xiàn)完全補償，甚至可能會產(chǎn)生疊加作用，從而導(dǎo)致暫態(tài)接地電流幅值較穩(wěn)態(tài)情況下更大。