基于零序阻抗突變特征的諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障選線方法

邵文權，劉一歡，程 遠，2，張志華，程 暢

（1. 西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048；2. 西安理工大學 電氣工程學院，陜西 西安 710048；3. 國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710110）

0 引言

目前，隨著小電流接地系統(tǒng)故障選線技術的發(fā)展和應用，中壓配電網(wǎng)低阻接地故障選線問題逐漸得到了較好的解決［1-2］，而斷線等高阻接地故障的準確可靠選線依舊存在較大困難［3］。配電網(wǎng)高阻接地故障主要是由導線斷線墜地、導線對樹枝放電或者人體直接接觸線路引起的故障，由于其過渡電阻達數(shù)千歐以上，引起的電壓、電流突變量不明顯，導致常規(guī)保護無法可靠動作或發(fā)出告警信號［4］。接地故障的長期存在可能引發(fā)多點故障及相間短路，甚至引起火災，威脅人身財產(chǎn)安全。因此，研究適用于諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障的故障選線方法具有重要的工程應用意義。

現(xiàn)有的配電網(wǎng)故障選線方法可分為外加信號法、故障信號法和綜合法。外加信號法［5］包括S信號注入法、脈沖注入法等。故障信號法分為利用故障穩(wěn)態(tài)信號［6-8］和故障暫態(tài)信號［9-11］2 種。利用故障穩(wěn)態(tài)信號的故障選線方法包括工頻零序電流比幅比相法、零序電流有功分量法和諧波法等。但在諧振接地系統(tǒng)中，消弧線圈的補償作用不僅使得故障殘余電流變小，而且改變了故障線路零序電流的方向，導致利用穩(wěn)態(tài)分量進行故障選線的難度增大。利用故障暫態(tài)信號的故障選線方法包括首半波法、暫態(tài)零序能量法和暫態(tài)電流特征頻帶法等。與穩(wěn)態(tài)信號相比，暫態(tài)信號更加豐富但容易受到諧波、過渡電阻以及故障電弧等多種因素的影響，可靠性有待提升［12］。綜合法融合多種信號和方法，能夠取得較好的故障選線效果，但是融合方法的有效域及其組合的有效性尚需要進一步的論證和分析［13-14］。

諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障選線的主要困難在于故障電壓、故障電流特征微弱，難以可靠準確檢測，且易受到隨機因素的干擾［15-16］。為此，文獻［17］提出在配電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻的接地方式，通過在中性點投入阻值為600 Ω 的并聯(lián)電阻來增強單相接地故障電流特征，利用有功電流的增量進行故障選線，但對于高阻接地故障可能存在有功增量微弱導致故障選線可靠性低的不足。文獻［18］主要是利用健全線路和故障線路的暫態(tài)能量之間的差異來判別故障線路，該方法僅需根據(jù)線路出口處測量的暫態(tài)能量方向的不同就可以進行故障選線。文獻［19］針對傳統(tǒng)暫態(tài)模型中存在的問題進一步精確分析了諧振接地系統(tǒng)的暫態(tài)過程以及暫態(tài)電氣量特征，對高阻接地故障選線進行了更深刻的剖析，為后續(xù)高阻接地故障選線的研究提供了理論基礎。

本文針對現(xiàn)有配電網(wǎng)高阻接地故障特征微弱導致故障選線困難的問題，采用消弧線圈短時并聯(lián)電阻的接地方式改變線路零序阻抗特征進行故障選線。在單相高阻接地故障發(fā)生后，通過短時投入并聯(lián)電阻改變配電網(wǎng)的接地方式，利用健全線路與故障線路的零序阻抗的變化差異來有效識別故障線路。仿真結果表明本文所提的故障選線方法能夠有效識別諧振接地系統(tǒng)的高阻接地故障。

1 并聯(lián)電阻投入前后的故障特征

以圖1 所示的消弧線圈并聯(lián)電阻的諧振接地系統(tǒng)為例進行分析。圖中，線路Ln發(fā)生A相接地故障，Rf為過渡電阻；Lp為消弧線圈等效電感；IL和IR分別為流過消弧線圈和并聯(lián)電阻Rb的電流；Kb為并聯(lián)電阻的投切開關；EA、EB、EC為系統(tǒng)三相電壓；C0i(i=1，2，…，n)和C0s分別為線路Li和電源側系統(tǒng)的等效對地電容。

圖1 消弧線圈并聯(lián)電阻的諧振接地系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of resonant grounding system with arc suppression coil and resistance connected in parallel

圖2 為圖1 中所示單相接地故障的等效零序網(wǎng)絡。圖中，i0i為線路Li的首端零序電流；i0Lp為流過消弧線圈的零序電流；uf為故障點等效電壓源，其值為故障發(fā)生前的相電壓；ω為系統(tǒng)角頻率?？紤]到發(fā)生單相接地故障時線路自身的電阻和感抗遠小于線路對地容抗，后續(xù)線路零序阻抗計算僅考慮線路對地容抗。

圖2 單相接地故障的等效零序網(wǎng)絡Fig.2 Equivalent zero-sequence network of single-phase grounding fault

1.1 并聯(lián)電阻投入前的故障特征

由圖2 可看出，并聯(lián)電阻投入前A 相對地電壓Uk為：

忽略線路自身的零序電阻和零序感抗，則任意健全線路的零序阻抗為自身對地電容阻抗，如式（3）所示。

1.2 并聯(lián)電阻投入后的故障特征

由式（2）、（6）可以看出Uk0>U′k0（Uk0、U′k0分別為Uk0、U′k0的幅值），并聯(lián)電阻的投入改變了系統(tǒng)零序回路阻抗，使得系統(tǒng)零序電壓降低繼而影響了整個配電網(wǎng)零序電流的分布，健全線路中的零序電流減小，而故障線路由于增加了并聯(lián)電阻的有功分量，零序電流增大。

綜上所述，諧振接地系統(tǒng)的任意健全線路在并聯(lián)電阻投入前、后，其零序阻抗均為線路自身對地電容阻抗，不受并聯(lián)電阻投入動作的影響；而故障線路的零序阻抗由全系統(tǒng)健全線路、消弧線圈支路以及并聯(lián)電阻支路共同決定，受并聯(lián)電阻投入的影響但不受過渡電阻的影響。因此，通過并聯(lián)電阻的投入改變故障線路的零序阻抗特征，有望進一步解決高阻接地故障信號微弱導致故障選線困難的問題。

2 并聯(lián)電阻的優(yōu)化設計

短時投入并聯(lián)電阻的方式本質上相當于短時改變配電網(wǎng)的接地方式，增加了有功電流分量。并聯(lián)電阻應能夠改變零序阻抗特征實現(xiàn)高阻接地故障選線，且其短時投入后應使得零序電壓啟動元件能夠可靠啟動，同時不產(chǎn)生過大的故障電流，避免增加故障熄弧的難度，所以有必要對并聯(lián)電阻的取值范圍進行優(yōu)化設計。

在配電網(wǎng)中，當系統(tǒng)零序電壓的幅值超過一定門檻（一般為相電壓幅值UN的10%～15%）時［4］，零序電壓啟動元件能夠可靠啟動并發(fā)出接地故障告警信號。本文選擇15%UN作為零序電壓啟動元件的啟動門檻值，則有：

對于10 kV 系統(tǒng)，根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《配電網(wǎng)技術導則》，采用消弧線圈接地方式時應滿足在補償后接地故障殘流一般控制在10 A 以內的原則。根據(jù)等效零序網(wǎng)絡，在配電網(wǎng)投入并聯(lián)電阻后其故障點電流Ik為：

可得，故障點電流的幅值Ik與Rf、XΣ(0)之間的關系為：

對于10 kV 諧振接地系統(tǒng)，若其發(fā)生單相接地故障時的Rf≥600 Ω，即使不考慮系統(tǒng)阻抗部分的影響，由式（11）可得Ik≤10 A。顯然，對于高阻接地故障，通過投入并聯(lián)電阻能夠滿足消弧線圈補償后單相接地故障殘余電流不超過10 A的要求。

結合以上分析可知，在配電網(wǎng)諧振接地系統(tǒng)中，對于Rf最大為3 000 Ω 的單相接地故障，依據(jù)式（9）在600～1000 Ω范圍內選擇并聯(lián)電阻，能同時滿足零序電壓啟動元件啟動和故障殘流水平限制的要求。

3 利用并聯(lián)電阻投入前、后線路零序阻抗變化特征的故障選線判據(jù)

對并聯(lián)電阻投入前、后線路零序阻抗的特征進行分析可知，健全線路的零序阻抗在并聯(lián)電阻投入前、后保持一致，理論上不會有任何變化；而故障線路的零序阻抗在并聯(lián)電阻投入后增加了并聯(lián)電阻分量，所以明顯減小。因此，根據(jù)并聯(lián)電阻投入前、后線路零序阻抗的變化差異構成相應的故障選線判據(jù)如式（12）所示。

表1 不同Ik下的Rb(min)和KnTable 1 Value of Rb（min） and Kn for different values of Ik

當諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相高阻接地故障時，投入并聯(lián)電阻并計算各條線路零序阻抗變化系數(shù)。若在判別時間t內，對于某線路的零序阻抗變化系數(shù)，式（12）持續(xù)成立，則可判別該線路為故障線路；若全部線路的零序阻抗變化系數(shù)均小于門檻值，則判別為母線接地故障。故障選線流程圖如圖3所示。

圖3 故障選線流程圖Fig.3 Flowchart of fault line selection

4 仿真驗證

為驗證本文所提方法的正確性與有效性，在MATLAB 軟件平臺搭建10 kV 配電網(wǎng)仿真模型如圖4所示，模型參數(shù)見表2。設置0.1 s時線路L4在距離母線2 km處發(fā)生單相高阻接地故障，Rf=1000 Ω，消弧線圈過補償度P=10%，根據(jù)式（9）設置Rb=600 Ω，Rb在1 s時投入、2 s時退出。

圖4 10 kV配電網(wǎng)仿真模型Fig.4 Simulation model of 10 kV distribution network

表2 線路參數(shù)Table 2 Line parameters

根據(jù)上述模型參數(shù)及仿真條件，并聯(lián)電阻投入前、后所有線路的零序阻抗、零序阻抗變化系數(shù)如圖5所示。

圖5 各線路的零序阻抗和零序阻抗變化系數(shù)的計算結果（P=10%，Rf=1000 Ω）Fig.5 Calculation results of zero-sequence impedance and corresponding variation coefficient of each line when P=10% and Rf=1000 Ω

由圖5（a）可見，在并聯(lián)電阻的投入和退出過程中，配電網(wǎng)經(jīng)過短時間的過渡過程后進入穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)過程中任意健全線路的零序阻抗在并聯(lián)電阻投入前、后基本不發(fā)生變化，其值等于自身對地電容阻抗；而故障線路L4的零序阻抗在并聯(lián)電阻投入后減小，該過程主要與消弧線圈補償度P有關，仿真結果與第1節(jié)中的理論分析結果一致。

由圖5（b）可見，在故障判別時間內，在并聯(lián)電阻投入前、后，任意健全線路的零序阻抗變化系數(shù)均接近1，即零序阻抗變化很小；而故障線路的零序阻抗變化系數(shù)大于Kth。仿真計算結果符合判據(jù)式（12），證明了利用消弧線圈并聯(lián)電阻投入前后線路零序阻抗變化選線方案的正確性。

為進一步驗證本文所提方法適用性，當線路L4的2 km 處發(fā)生單相高阻接地故障時，選取不同消弧線圈補償度、不同過渡電阻對各條線路的零序阻抗及零序阻抗變化系數(shù)進行仿真計算，結果如圖6、7所示。

圖6 零序阻抗和變化系數(shù)計算結果（P=5%，Rf=1000 Ω）Fig.6 Calculation results of zero-sequence impedance and corresponding variation coefficient of each line when P=5% and Rf=1000 Ω

圖7 零序阻抗和變化系數(shù)計算結果（P=10%，Rf=3000 Ω）Fig.7 Calculation results of zero-sequence impedance and corresponding variation coefficient of each line when P=10%，Rf=3000 Ω

上述仿真結果表明，并聯(lián)電阻投入后，故障線路的零序阻抗主要與消弧線圈補償度有關，受過渡電阻的影響較小。結合圖5、6 可見，其他條件相同時，消弧線圈過補償度越小，故障線路的零序阻抗變化系數(shù)越大。結合圖5、7 可見，其他條件相同而過渡電阻不同時，故障線路的零序阻抗變化系數(shù)基本一致。此外，并聯(lián)電阻投入前后故障線路的零序阻抗變化系數(shù)均明顯大于門檻值，健全線路的零序阻抗變化系數(shù)基本為1，與理論分析一致，驗證了判據(jù)的正確性與有效性。

經(jīng)過大量仿真計算可知，對于不同的配電網(wǎng)諧振接地系統(tǒng)，選取合適的并聯(lián)電阻后，在不同的故障位置、過渡電阻和消弧線圈補償度等條件下，并聯(lián)電阻投入前、后，健全線路的零序阻抗均為自身對地電容阻抗，零序阻抗變化系數(shù)接近1；故障線路的零序阻抗與消弧線圈補償度有關，受故障位置和過渡電阻的影響較小。對于高阻接地故障，故障線路與健全線路的零序阻抗變化系數(shù)差異顯著，仿真結果與計算結果一致。因此，利用并聯(lián)電阻投入前、后線路零序阻抗特征差異的高阻接地故障選線方法能夠有效識別故障線路，且基本不受過渡電阻大小及故障位置影響，具有較好的適用性。

5 結論

本文針對目前諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障特征微弱導致故障選線困難的問題，提出了一種通過消弧線圈并聯(lián)電阻短時投入增強線路零序阻抗特征差異的故障選線方法。

1）分析了并聯(lián)電阻投入前、后零序網(wǎng)絡的特征，發(fā)現(xiàn)健全線路的零序阻抗在并聯(lián)電阻投入前、后基本不發(fā)生變化，均為其自身對地電容阻抗；故障線路的零序阻抗在并聯(lián)電阻投入后減小，為全系統(tǒng)健全線路以及消弧線圈和并聯(lián)電阻的等值阻抗，且線路零序阻抗不受過渡電阻影響。

2）給出了諧振接地系統(tǒng)的并聯(lián)電阻的選擇依據(jù)，在單相接地故障的過渡電阻不超過3 000 Ω 時，在600～1000 Ω范圍內選擇合適的并聯(lián)電阻，能同時滿足零序電壓啟動元件的啟動要求和故障殘流水平限制的要求。

3）構建了利用線路零序阻抗特征差異的高阻接地故障選線判據(jù)及實現(xiàn)方案，大量仿真驗證了高阻故障情況下短時投入并聯(lián)電阻增強線路零序阻抗特征差異的故障選線方法的有效性與適用性。

目前由于條件限制僅對本文所提方法進行了仿真驗證，下一步考慮通過物理實驗加以佐證。