物聯(lián)網(wǎng)下諧波電流差動(dòng)保護(hù)在小電流接地系統(tǒng)中的選線及定位研究

王 磊，鄒劍鋒，裘愉濤，江偉建，金 盛

(1.上海電力大學(xué)，上海 200090；2.國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中性點(diǎn)通常采用不接地、經(jīng)高阻接地或者經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，其中中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式以其較高的供電可靠性在我國(guó)小電流接地系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

配電網(wǎng)線路故障分為兩大類：短路故障和單相接地故障[2]。配電網(wǎng)中低壓線路一般距離較短、分段較多，僅采用傳統(tǒng)的電流保護(hù)或距離保護(hù)，在整定值與動(dòng)作時(shí)間上難以配合。雖然發(fā)生單相接地故障后允許運(yùn)行1～2 h，但在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)往往要求盡快找到故障點(diǎn)，防止瞬時(shí)故障發(fā)展成永久故障或者單相接地故障發(fā)展成相間短路故障。

差動(dòng)保護(hù)具有速動(dòng)性和絕對(duì)的選擇性，以及不受運(yùn)行方式影響等優(yōu)點(diǎn)，由于智能電網(wǎng)配用電業(yè)務(wù)終端點(diǎn)多、面廣且分散，配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)一直沒(méi)有普及。隨著5G技術(shù)的不斷成熟，配網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)可以快速部署，而且初期投資成本相對(duì)低，后期擴(kuò)容及維護(hù)很方便。不管是從目前的實(shí)際工程問(wèn)題出發(fā)，還是今后的技術(shù)發(fā)展方向需要，都應(yīng)將5G通信技術(shù)和電流差動(dòng)保護(hù)理念融合，通過(guò)差動(dòng)保護(hù)有效實(shí)現(xiàn)故障的切除，提高系統(tǒng)安全性和供電可靠性。

目前小電流接地系統(tǒng)單相接地故障常用的故障定位方法有[3-5]：①行波法和阻抗法；②人工注入信號(hào)法；③矩陣算法和遺傳算法；④基于暫態(tài)零序相關(guān)系數(shù)法。但是這些方法都有各自的缺點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障的定位。

傳統(tǒng)配網(wǎng)通過(guò)建設(shè)全面的數(shù)據(jù)采集、可靠通信和高性能信息處理的智能結(jié)構(gòu)已發(fā)生了巨大的改變[6]，再利用5G技術(shù)傳輸線路兩側(cè)電氣量信息，可以有效降低基建成本，實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

本文研究在5G通信方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)判定3次及5次諧波電流實(shí)現(xiàn)快速差動(dòng)保護(hù)的可行性，利用仿真分析架空線路、電纜線路以及在線路首端或者末端，過(guò)渡電阻影響下差動(dòng)保護(hù)可以有效減小故障范圍擴(kuò)大，滿足供電可靠性要求，提升配電網(wǎng)繼電保護(hù)水平。

1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)基本原理

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)通?；诠β史较?、電流幅值和相位比較來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障，可以根據(jù)不同的信息傳輸通道，采用不同的信息傳輸技術(shù)。在輸電線路中通常應(yīng)用閉鎖式功率方向差動(dòng)保護(hù)，傳輸數(shù)據(jù)相對(duì)電流保護(hù)較少，需要的通道帶寬小。與輸電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地不同，配網(wǎng)系統(tǒng)通常采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行，發(fā)生單相接地故障時(shí)無(wú)法直接應(yīng)用該原理實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。

傳統(tǒng)電流保護(hù)由于配網(wǎng)線路分段過(guò)多，使線路保護(hù)時(shí)限難以有效配合，不利于滿足選擇性要求。國(guó)網(wǎng)浙江嘉興分公司研究了5G通信下差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用，在不增加斷路器、利用現(xiàn)有線路分段結(jié)構(gòu)的情況下，在多段重點(diǎn)線路兩側(cè)裝設(shè)基于5G通信網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸?shù)牟顒?dòng)保護(hù)，與電流三段保護(hù)相配合，不僅實(shí)現(xiàn)了故障選線，而且可以在雙重化原則下只切除故障線路故障段，避免故障范圍擴(kuò)大，減少停電時(shí)間。配網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)接線原理圖如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)接線原理圖

在圖1中，當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生電弧，使非故障相電壓進(jìn)一步升高，從而使設(shè)備絕緣破壞，發(fā)生永久性故障而降低供電可靠性。為了減小故障電流，通常在變壓器中性點(diǎn)安裝一個(gè)大電感(產(chǎn)生的感性電流與容性電流相抵消)。為了避免中性點(diǎn)產(chǎn)生諧振過(guò)壓，配網(wǎng)多采用過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞剑话氵^(guò)補(bǔ)償度為5%～10%。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，由于對(duì)地電容電流隨外界環(huán)境的變化而變化，因此多將上級(jí)變壓器容量的20%作為計(jì)算消弧線圈的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

過(guò)補(bǔ)償理論計(jì)算公式：

(1)

式中IL——補(bǔ)償?shù)碾姼须娏?；Kp——過(guò)補(bǔ)償度；IC∑——全系統(tǒng)對(duì)地電容電流之和。

1.1 相電流差動(dòng)保護(hù)基本原理

相電流差動(dòng)保護(hù)基本原理建立在基爾霍夫電流定理的基礎(chǔ)上，外部故障或者正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)線路兩側(cè)的電流之和等于零。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于不構(gòu)成短路回路,接地短路電流比負(fù)荷電流小[8]。由于線路末端變壓器通常采用Y接地方式，發(fā)生單相接地故障后如果輸電線不斷，負(fù)荷電流依舊存在，線路末端電流幅值在相位故障前后未發(fā)生變化，故障相流過(guò)兩側(cè)電流之和為故障點(diǎn)電流，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)即使采用過(guò)補(bǔ)償方式，也會(huì)由于過(guò)補(bǔ)償度不大，使得故障點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電流很小，很難識(shí)別是否區(qū)內(nèi)發(fā)生故障[9]。

差動(dòng)保護(hù)整定公式：

Iset=KerKstKnpIkmax

(2)

式中Ker——誤差系數(shù)，取0.1；Kst——同型系數(shù)，取0.5；Knp——非周期分量系數(shù)，取1.5～2.0；Ikmax——外部故障時(shí)最大通過(guò)短路電流。

1.2 零序電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)基本原理

零序電流差動(dòng)保護(hù)基本原理與故障相電流差動(dòng)保護(hù)相似，區(qū)別在于采用兩側(cè)零序電流之和作為判別發(fā)生區(qū)內(nèi)或者區(qū)外故障的標(biāo)準(zhǔn)。

故障線路兩側(cè)所接變壓器為Y接線方式，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，三相線電壓依舊保持對(duì)稱，線路末端零序電流為零。如果故障線路與線路末端變壓器之間還有分段線路，此時(shí)線路末端零序電流為分段線路對(duì)地電容電流之和，若該線路為電纜線路且線路較長(zhǎng)，則零序電流較大。

差動(dòng)保護(hù)整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax

(3)

式中I0kmax——本段線路末端發(fā)生接地故障最大零序電流。

當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩側(cè)零序電流之和：

(4)

由式(4)可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)流過(guò)繼電器零序電流之和實(shí)際就是故障電流和本線路非故障相對(duì)地電容電流之和。如果中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，接近于完全補(bǔ)償，故障電流就會(huì)很小。本線路對(duì)地電容電流僅與本線路對(duì)地電容大小有關(guān)(電纜線路越長(zhǎng)，零序電流越大)，與故障點(diǎn)是否在區(qū)內(nèi)無(wú)關(guān)，所以零序差動(dòng)保護(hù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的選線及定位。

2 諧波電流差動(dòng)保護(hù)基本原理

一般情況下，小電流接地線系統(tǒng)按中性點(diǎn)接地方式分為不接地和經(jīng)消弧線圈接地兩種形式[10]。當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于配網(wǎng)變壓器飽和等原因，電流波形會(huì)發(fā)生畸變，短路瞬間產(chǎn)生大量高次諧波成分，其中奇數(shù)次諧波含量較大，高次諧波含量會(huì)隨諧波次數(shù)的增大而減小。由于故障點(diǎn)、消弧線圈、變壓器等電氣設(shè)備的非線性影響，故障電流中存在諧波信號(hào)，其中以5次諧波分量為主[11]。如果變壓器繞組三角形連接，則3次諧波就會(huì)形成環(huán)流，不會(huì)流入電力系統(tǒng)中，而如果線路兩側(cè)變壓器為Y形接線方式且與線路末端變壓器間存在其他分段線路，通常含有較大3次及5次諧波，經(jīng)幾個(gè)周期衰減后消失[12]。

(5)

當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，三相n次諧波的電流表達(dá)式如下：

IL(n)=Eφ(n)/(nωL)

(6)

IC∑(n)=3Eφ(n)nωC∑

(7)

Ik(n)=IC∑(n)-IL(n)

(8)

式中IL(n)——消弧線圈產(chǎn)生的n次諧波電流；L——消弧線圈電感值；Eφ(n)——系統(tǒng)n次諧波相電勢(shì)；IC∑(n)——全系統(tǒng)n次諧波非故障相對(duì)地電容電流之和；C∑——全系統(tǒng)非故障相對(duì)地電容之和；Ik(n)——故障點(diǎn)n次諧波電流。

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，補(bǔ)償后故障點(diǎn)的基波電流很小；對(duì)于n次諧波，容性電流為原來(lái)的n倍，而補(bǔ)償?shù)母行噪娏鲀H為原來(lái)的1/n，故補(bǔ)償電流可以忽略不計(jì)。因此，基于高次諧波可以構(gòu)造縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障定位。

(9)

式中ia(n)，ib(n)，ic(n)——n次諧波三相電流瞬時(shí)值；Im(n)——n次諧波電流幅值。

當(dāng)諧波次數(shù)n=3k，n=3k+1和n=3k-1時(shí)，諧波電流的方向與零序、正序及負(fù)序電流的方向一致，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)采用三次諧波電流之和(相當(dāng)于采用三相電流之和)作為判據(jù)，電流值較大，靈敏性相對(duì)于5次諧波大大提高。

差動(dòng)保護(hù)整定公式：

Iset=KerKstKnpI0kmax(n)

(10)

式中I0kmax(n)——本段線路末端發(fā)生接地故障時(shí)n次諧波最大零序電流。

當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩側(cè)電流之和：

(11)

IC(n)=3Eφ(n)nωCi

(12)

由式(12)可見(jiàn)，諧波次數(shù)越高，故障線路本身對(duì)地電容電流值越大。對(duì)地電容電流值越大，差動(dòng)保護(hù)靈敏性越低。

3 Matlab仿真

通過(guò) Matlab Simulink 建立10 kV中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行方式的小電流接地仿真系統(tǒng)。設(shè)置三相電壓源為110 kV[13]；變壓器T1額定容量為20 MVA，變比為110 kV/10.5 kV；按照過(guò)補(bǔ)償8%設(shè)置消弧線圈，根據(jù)式(1)可以得出消弧電感為6 H，仿真模型有4條出線，線路1，2，43末端接變壓器T2，變比為10 kV/400 V，容量為640 kvar，高壓側(cè)Y形聯(lián)結(jié),低壓側(cè)Y形聯(lián)結(jié)中性點(diǎn)直接接地，接負(fù)載500 kW，功率因數(shù)0.85。為了仿真，在0.3 s時(shí)設(shè)置單相接地，將線路首端靠近母線的一側(cè)稱為母線側(cè)，線路末端遠(yuǎn)離母線的一側(cè)稱為對(duì)側(cè)，分別在線路1靠近母線側(cè)d1，線路41靠近母線側(cè)d2和對(duì)側(cè)d3，線路42靠近母線側(cè)d4，過(guò)渡電阻分別在0，100 Ω進(jìn)行仿真。線路阻抗參數(shù)如表1所示。線路類型長(zhǎng)度如表2所示。

表1 線路阻抗參數(shù)表

表2 線路類型長(zhǎng)度表

d1故障時(shí)線路1母線側(cè)零序電流測(cè)量值如圖2所示。由圖2可知，0.5 s時(shí)故障線路產(chǎn)生一個(gè)零序電流。由于補(bǔ)償電感較大，非周期分量隨時(shí)間衰減慢慢為零，補(bǔ)償后電流幅值僅為10 A左右，差動(dòng)保護(hù)很難進(jìn)行故障選線及定位。d1故障時(shí)線路1兩側(cè)3,5次諧波零序電流幅值如圖3和圖4所示。

圖2 d1故障時(shí)線路1母線側(cè)零序電流測(cè)量值

圖3 d1故障時(shí)線路1兩側(cè)3次諧波零序電流幅值

圖4 d1故障時(shí)線路1兩側(cè)5次諧波零序電流幅值

由圖3和圖4可以看到，在單相接地后，故障線路母線側(cè)測(cè)量得到3,5次諧波零序分量突然變大，分別為50 A和70 A左右，與基波零序電流相比數(shù)值大大增加。而正常運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)電流不含諧波，3,5次諧波零序分量為零；即使正常運(yùn)行時(shí)由于非線性負(fù)荷使得系統(tǒng)含有少量3,5次諧波，本線路內(nèi)沒(méi)有故障點(diǎn)，故兩側(cè)3,5次諧波零序分量之和為零。因?yàn)榫€路1末端所接變壓器高壓側(cè)為Y接線方式，因此遠(yuǎn)離母線側(cè)測(cè)得3,5次諧波零序分量為零，與是否發(fā)生單相接地?zé)o關(guān)。3次諧波零序電流值如表3所示。5次諧波零序電流值如表4所示。

表3 3次諧波零序電流值

表4 5次諧波零序電流值

電流方向規(guī)定母線流向線路為正。從表3和表4可得，3，5次諧波在線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)差動(dòng)電流都遠(yuǎn)大于區(qū)外故障時(shí)兩次諧波零序電流之和，靈敏性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波零序電流差動(dòng)保護(hù)，但缺點(diǎn)是受過(guò)渡電阻影響極大，隨著過(guò)渡電阻的增加，諧波零序電流迅速減小。隨著人民生活水平的提高，實(shí)際運(yùn)行的配網(wǎng)中含有大量整流、電弧爐及電氣機(jī)車等諧波源，諧波零序電流較多，減小了過(guò)渡電阻的影響。

由于配網(wǎng)中有時(shí)采用三角形的接線方式，3次諧波電流會(huì)在繞組內(nèi)形成環(huán)流，故采用5次諧波零序電流。在表3中，由d3故障可見(jiàn)，故障線路兩側(cè)均有較大諧波零序電流，故障線路至末端變壓器間線路越長(zhǎng)，零序諧波電流越大。d3與d2故障的區(qū)別是線路首端與末端諧波零序電流不同，由于諧波時(shí)電感值增大5倍，不同位置故障使得零序電壓分布不同，進(jìn)而造成零序電流分布發(fā)生變化，可見(jiàn)此時(shí)靈敏性很高。在表3中，d4與d3故障時(shí)線路42兩側(cè)電流相位相反但是幅值變化不大，這是由于其相對(duì)電纜線路架空線諧波零序電流較小，可以忽略不計(jì)。如果電纜饋線多于兩條，故障線路后存在電纜線路，則與d3故障時(shí)故障線路情況相似，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法定位故障的問(wèn)題。

綜上所述，由表4可以看出，以5次諧波零序電流幅值比較差動(dòng)保護(hù)，在通常情況下可以有效將故障點(diǎn)定位。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序和負(fù)序電流較小。由于受到系統(tǒng)本身三相不對(duì)稱或者負(fù)荷變動(dòng)的影響，配電網(wǎng)分支眾多、架空電纜混合現(xiàn)象普遍，負(fù)荷短時(shí)變化大、線路異動(dòng)率高。近年來(lái)，受到分布式電源大量增加等的影響，小電流接地系統(tǒng)故障選線及定位的可靠性一直是一個(gè)難以解決的問(wèn)題[14-15]。隨著具備雙向、實(shí)時(shí)、高效等特點(diǎn)的電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的開(kāi)展，通過(guò)合理應(yīng)用通信技術(shù)，促使電力傳輸?shù)睦寐?、穩(wěn)定性等得到有效增強(qiáng)，進(jìn)而促使電力運(yùn)行穩(wěn)定性得到保證。電力物聯(lián)網(wǎng)將通過(guò)全面的數(shù)據(jù)采集、可靠通信和高性能信息處理使傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)技術(shù)產(chǎn)生巨大改變，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，采用5G無(wú)線通信系統(tǒng)(具備足夠的帶寬)實(shí)現(xiàn)電流幅值比較差動(dòng)保護(hù)。5次諧波零序電流差動(dòng)保護(hù)有以下特點(diǎn)。

(1)受過(guò)渡電阻影響較大。由于饋線末端變壓器中性點(diǎn)不接地，發(fā)生單相接地故障后線路末端諧波零序電流為零。

(2)同一母線饋線越多，諧波零序電流差動(dòng)保護(hù)越靈敏，線路中電纜線路越多越靈敏。

(3)一條饋線分段越多，每段越長(zhǎng)，諧波零序電流差動(dòng)保護(hù)越靈敏。線路中電纜線路越多越靈敏。

最后通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)方法的可行性，可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地選線及定位，既提高了故障定位的準(zhǔn)確度又滿足了實(shí)際工程需要，大大提高了配電網(wǎng)供電的可靠性。