靈活接地系統(tǒng)中配電網接地保護的適應性分析

薛永端，金 鑫，劉 曉，徐丙垠

（1. 中國石油大學（華東）新能源學院，山東省青島市 266580；2. 國網山東省電力公司超高壓公司，山東省濟南市 250118；3. 山東理工大學智能電網研究院，山東省淄博市 255049）

0 引言

配電網中性點接地方式的合理選擇及其衍生的單相接地故障保護是一個綜合性的技術與工程問題，一直是國內外配電網的研究與應用熱點。配電網采用中性點靈活接地方式的初衷是在永久接地時可靠切除故障，瞬時接地時降低線路跳閘率，已在中國多地推廣應用［1-3］。關于靈活接地系統(tǒng)單相接地故障的保護與處理，相關規(guī)程給出了基本動作流程［4］，目前接地保護大多沿用了小電阻接地系統(tǒng)的定時限零序過電流保護，即利用中性點并聯(lián)小電阻投入階段的故障電流實現保護，定值較高，對高阻接地故障如斷線墜地、導線碰樹等仍存在保護靈敏度不足等問題［5］。

針對配電網高阻接地故障，近年國內外學者提出了一系列高靈敏度接地保護方法［6-23］。文獻［6］提出可利用零序電壓、零序電流對應的零序有功功率方向作為動作判據，可降低電流定值，提高耐過渡電阻能力；文獻［7］提出基于零序電壓比率制動的零序電流保護方法，利用零序電壓反映過渡電阻大小，自動調整電流動作定值，耐過渡電阻能力可達1 kΩ；文獻［8］根據故障出線零序電流幅值遠大于健全出線的特征，提出利用反時限原理實現接地故障的階段式保護，耐過渡電阻能力約為1.5 kΩ；文獻［9］根據故障時各條出線零序電流幅值和相位的差異，提出利用集中式比較的方式切除故障出線，耐過渡電阻能力約為1.5 kΩ；文獻［10］提出基于出線零序電流與中性點電流比較的保護方法，以中性點接地電阻電流作為保護啟動量，耐過渡電阻能力僅受中性點電流測量精度的限制，最大可達3 kΩ 以上；文獻［11-12］針對高阻故障時往往伴隨接地電弧，波形通常存在非線性畸變的特點，提出了電流波形凹凸性法、伏安特性法檢測高阻故障，靈敏度較高，但僅在故障點非線性程度較高、電弧狀態(tài)穩(wěn)定的情況下有較好的檢測效果；文獻［13］提出的消弧線圈并聯(lián)中電阻法的實現方式及控制原理與靈活接地方式類似，但故障特征與保護原理存在較大差異，適應性有待分析；文獻［14］提出了考慮線路出線“虛擬電阻”的基于熱穩(wěn)定原理的間歇接地故障保護方法；文獻［15-19］提出利用數學形態(tài)學、動態(tài)時間規(guī)整（DTW）算法等數字信號處理技術和神經網絡、遺傳算法等人工智能算法的保護方法，理論上較為完備，但受限于目前硬件水平，距實際應用還有一段距離。諧振接地方式下利用暫態(tài)信息的選線方法［20-21］也可用于靈活接地方式，區(qū)別是靈活接地方式下，保護不應在故障發(fā)生后動作，而應在并聯(lián)小電阻投入后動作。

理論上，上述接地保護方法均可用于靈活接地系統(tǒng)以提高高阻接地時保護的靈敏度，但由于靈活接地系統(tǒng)接地故障時中性點并聯(lián)小電阻投切的影響，故障過程存在電氣量突變現象，呈現明顯的階段性，保護的可靠性與靈敏性會相應地發(fā)生變化，其在靈活接地系統(tǒng)下適應性及性能有待分析。

本文通過建立適用于靈活接地系統(tǒng)接地故障全過程（并聯(lián)小電阻投入前、投入后、切除后）分析的零序等值模型，給出各電氣量故障特征的一般性結論，并據此提出靈活接地系統(tǒng)中接地保護面臨的問題，進而分析定時限零序過電流保護、零序功率方向保護、反時限零序電流保護、電壓制動式零序電流保護、電流比較式保護、波形畸變式保護及電流突變式保護在靈活接地系統(tǒng)接地故障不同階段的動作特性，給出其適用條件，并提出算法改進方案，總結出提升保護性能的建議，為靈活接地系統(tǒng)中接地保護的合理選擇提供參考。

1 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析

根據故障持續(xù)時間和保護是否動作，靈活接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時可分為3 個階段：

1）第1 階段：并聯(lián)小電阻投入前，系統(tǒng)為諧振接地方式；

2）第2 階段：并聯(lián)小電阻投入后，進入消弧線圈并小電阻接地方式；

3）第3 階段：并聯(lián)小電阻切除后，返回諧振接地方式。

圖1 為一具有n條線路的靈活接地系統(tǒng)單相接地故障零序等值模型。圖中，G0i、B0i分別表示線路i的對地泄漏電導及分布電（容）納，其中，i=1，2，…，n?1 時線路i為健全出線，i=n時線路i為故障出線；Rf為故障點過渡電阻；U?f=?E?A為虛擬電壓源，E?A為故障相（以A 相為例）電壓；U?0為母線處零序電壓；I?0i為線路i的對地零序電流；I?0f為故障點零序電流；I?M為故障出線零序電流；YN為中性點接地導納（圖1 紅色虛線框內）；GL、BL分別為消弧線圈零序等值電導和電（感）納；Rn為中性點并聯(lián)小電阻；S 為并聯(lián)小電阻投切開關，S 斷開時為系統(tǒng)正常運行階段及故障第1、3 階段，S 閉合時系統(tǒng)為故障第2 階段。

圖1 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障零序等值模型Fig.1 Zero-sequence equivalent model of single-phase grounding fault in flexible grounded system

如圖1 所示，無論開關S 斷開或閉合，系統(tǒng)零序導納Ys0均為中性點接地導納與所有出線對地導納的并聯(lián)，有

式中：Y0i=G0i+jB0i為健全線路零序測量導納，i=1，2，…，n?1。

故障出線零序電流為全部健全線路零序電流與中性點電流的相量和，同時也是故障點零序電流與故障出線本身對地電流的相量和，即：

式中：Y0n=G0n+jB0n為故障線路自身對地零序導納。

式（1）至式（5）描述了發(fā)生單相接地故障后，靈活接地系統(tǒng)中各電氣量之間的關系，且在并聯(lián)小電阻投入前后均成立。可見，故障第1、2 階段各電氣量均與系統(tǒng)零序導納有關。

根據式（1），可得故障第1、2 階段的系統(tǒng)零序導納Ys0，1和Ys0，2分別為：

式中：d為系統(tǒng)的阻尼率；d0為線路的阻尼率，其在線路絕緣良好時一般為2%～4%，絕緣老化時可達5%以上；dL為消弧線圈的阻尼率，一般為1.5%～2%［1］；v為消弧線圈的失諧度，在過補償狀態(tài)下一般為?10%～?5%。

10 kV 配電系統(tǒng)中，系統(tǒng)對地電容電流一般不大于200 A，即系統(tǒng)對地電納B0≤11.6 mS［7］；并聯(lián)小電阻Rn一般為4～16 Ω，本文取Rn=10 Ω，其他阻值時結果相近，代入式（7），則故障第2 階段的系統(tǒng)零序導納可近似表達為：

由式（2）至式（8）易得，與故障第1 階段相比，故障第2 階段零序電壓、健全線路零序電流的幅值減小，故障點電流的幅值增大。對于故障線路零序電流，根據式（2）、式（5）、式（6）和式（8），故障第1、2 階段的故障出線零序電流I?M，1和I?M，2的幅值之比TM為：

式中：θ=arctan(?3vB0Rf)。

由式（9）可得，對于一個確定的靈活接地系統(tǒng)，即當系統(tǒng)對地電納、失諧度、并聯(lián)小電阻阻值一定時，TM的大小僅與過渡電阻及故障出線本身對地電納有關。設v=?8%、B0=3.5 mS，則TM隨過渡電阻及故障出線本身對地電納的變化如圖2 所示。可見，并聯(lián)小電阻投入后，故障出線零序電流的幅值可能增大，也可能減小。

圖2 并聯(lián)小電阻投入前后的故障線路零序電流幅值之比的變化Fig.2 Variation of ratio of zero-sequence current amplitude of fault line before and after connection of parallel low resistance

實際上，根據式（5）至式（8），故障第2 階段的故障出線零序電流可表示為：

式中：U?0，2和U?0，1分別為故障第1、2 階段零序電壓。

由式（10）可知I?M，2分為兩部分：隨零序電壓成比例減小的原故障出線零序電流和零序電壓在并聯(lián)小電阻上產生的阻性電流。當過渡電阻較大時，并聯(lián)小電阻上的阻性電流不足以彌補減少的故障出線零序電流，從而使故障出線零序電流幅值減小。這一結論與目前的認識存在差異，也與投入并聯(lián)小電阻增大故障電流以提高保護可靠性的初衷相悖。

2 靈活接地系統(tǒng)中接地保護面臨的問題

2.1 系統(tǒng)正常運行時接地保護的誤動風險

對于以零序電流為特征量的配電網接地保護，為防止保護在系統(tǒng)正常運行時發(fā)生誤動，其整定時需躲過系統(tǒng)正常運行時不平衡零序電流的影響。10 kV 小電阻接地系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)不平衡度較小，單條電纜線路和架空線路的最大不平衡零序電流分別為0.26 A 和0.37 A［7］，考慮一定裕度，一般按躲過1～2 A 進行整定。

靈活接地系統(tǒng)正常運行時實際為諧振接地方式，消弧線圈的諧振作用會放大系統(tǒng)的不平衡度。根據規(guī)程［24］，諧振接地系統(tǒng)正常運行時，中性點電壓位移不超過額定相電壓的15%。10 kV 單條出線對地電容電流一般不超過50 A，則單條出線在正常運行時的最大不平衡零序電流可達7.5 A。若保護仍沿用小電阻接地系統(tǒng)中的電流定值，系統(tǒng)正常運行時存在誤動風險。因此，靈活接地系統(tǒng)接地保護在整定時應躲過諧振接地系統(tǒng)正常運行時最大不平衡零序電流。

2.2 故障第1 階段時接地保護的誤動風險

靈活接地系統(tǒng)在故障第1 階段的目標是利用消弧線圈補償接地電流，促進故障電弧自動熄滅。為最大程度利用消弧線圈的補償作用，同時保證出線保護、分支線保護與配電變壓器保護等多級保護之間的正確配合，靈活接地系統(tǒng)的接地保護應確保在故障第1 階段不動作。為此，保護不應以故障發(fā)生、而應以并聯(lián)小電阻投入作為啟動或動作判據。因此，靈活接地系統(tǒng)接地保護在整定時還應躲過故障第1 階段電氣量的影響。

2.3 消弧線圈調諧方式對保護啟動的影響

根據2.2 節(jié)分析，靈活接地系統(tǒng)接地保護的可靠啟動或動作依賴于并聯(lián)小電阻的準確投入，因此，靈活接地系統(tǒng)的耐過渡電阻能力不僅受限于接地保護方法本身，還受并聯(lián)小電阻投切裝置的影響。目前的并聯(lián)小電阻投切裝置一般采用與變電站絕緣監(jiān)察裝置或小電流接地保護裝置相同的啟動方式，即零序電壓越限啟動，啟動電壓一般為15～20 V，（二次值，變比為57∶1）。消弧線圈的調諧方式影響了故障發(fā)生時刻的系統(tǒng)零序導納和零序電壓，進而影響到并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動。

預調式消弧線圈系統(tǒng)正常運行時靠近諧振點運行，故障發(fā)生時刻的系統(tǒng)零序導納Ys0，Y即為故障第1 階段的零序導納Ys0，1。而對于隨調式消弧線圈，系統(tǒng)正常運行時其遠離諧振點運行，故障發(fā)生時刻的系統(tǒng)零序導納相當于中性點不接地系統(tǒng)的系統(tǒng)零序導納Ys0，S：

根據式（2）、式（6）和式（11），設d0=2%、d=4%、v=?8%，則消弧線圈分別為預調式與隨調式時，故障發(fā)生時刻零序電壓的變化如圖3 所示，圖中綠色平面為并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動電壓（以15 V為例）?？梢姡斚【€圈為預調式時，并聯(lián)小電阻投切裝置啟動的耐過渡電阻能力大于2.25 kΩ；當消弧線圈為隨調式且系統(tǒng)電容電流Ic較小時（小于19 A），并聯(lián)小電阻投切裝置啟動的耐過渡電阻能力在2 kΩ 以上；但隨著Ic的增大，其耐過渡電阻能力快速下降，當系統(tǒng)電容電流為100 A 時，其耐過渡電阻能力僅為380 Ω，當Ic為200 A 時，僅為180 Ω。

圖3 消弧線圈調諧方式對故障發(fā)生時刻零序電壓的影響Fig.3 Influence of tuning mode of arc suppression coil on zero-sequence voltage at fault time

3 已有保護方法在靈活接地系統(tǒng)中的適應性分析

3.1 定時限零序過電流保護的適應性分析

小電阻接地系統(tǒng)中，定時限零序過電流保護（以下簡稱為零序過電流保護）的整定原則為：1）躲過系統(tǒng)正常運行時本線路的最大不平衡電流；2）躲過本線路的對地電容電流。相比后者，前者幅值較小，整定時可忽略。為方便管理，現場零序過電流保護常采用統(tǒng)一定值，即躲過所有出線的對地電容電流，定值一般設為40～60 A。根據2.1 節(jié)分析，靈活接地系統(tǒng)正常運行時的不平衡零序電流最大不超過7.5 A，仍小于零序過電流保護的動作定值，因此，保護不會在系統(tǒng)正常運行時誤動。

由式（3）和式（8）可得，相同的過渡電阻下，靈活接地系統(tǒng)接地故障第2 階段的故障點電流與小電阻接地系統(tǒng)大致相同，零序過電流保護的耐過渡電阻能力約為90～140 Ω。

根據2.2 節(jié)分析，過補償時，故障出線零序電流大于故障出線本身對地電容電流，若仍按躲過所有出線的對地電容電流進行整定，則故障第1 階段故障出線零序電流可能大于保護動作定值，保護將誤動。為此，零序過電流保護的動作定值應在原有定值（所有出線最大對地電容電流）基礎上增加消弧線圈補償階段最大的故障點殘流。根據規(guī)程［24］，10 kV諧振接地系統(tǒng)補償后的故障點殘流小于10 A。即保護定值要從40～60 A提升至50～70 A，根據式（3），耐過渡電阻能力相應地從90～140 Ω 變?yōu)?6～110 Ω。

實際上，現場對于消弧線圈維護管理不到位的情況時有發(fā)生，故障點殘流經常達到20～30 A，甚至更大。此時，零序過電流保護的定值應進一步提高，其耐過渡電阻能力將進一步下降。這也要求在靈活接地系統(tǒng)中，要提高消弧線圈運維管理水平，保證故障點殘流符合相關標準，否則將為接地保護的整定帶來困難。

另一方面，根據2.3 節(jié)分析，無論消弧線圈采用何種調諧方式，并聯(lián)小電阻投切裝置的耐過渡電阻能力均大于零序過電流保護。因此，并聯(lián)小電阻投入并不表示零序過電流保護能夠可靠動作。據統(tǒng)計，2012—2018 年，某地5 座采用靈活接地方式的變電站共計投入并聯(lián)小電阻1 037 次，零序過電流保護僅動作了269 次，即有74.1%的接地故障在投入中性點小電阻后保護仍然拒動［25］。

3.2 反時限零序電流保護的適應性分析

反時限零序電流保護［8］根據小電阻接地系統(tǒng)單相接地時，故障出線零序電流遠大于（10 倍以上）健全出線零序電流，利用反時限動作特性使故障出線保護先于健全出線保護動作，從而降低保護最小動作定值，達到高阻保護的目的。

靈活接地系統(tǒng)單相接地故障第1 階段時，由于消弧線圈的補償作用，故障出線零序電流不再遠大于、甚至小于健全出線零序電流。與多數保護方法不同的是，反時限零序電流保護在故障第1 階段，不僅可能使故障線路誤動，甚至可能跳開健全出線。因此，反時限零序電流保護的最小動作電流應躲過故障第1 階段所有出線的零序電流，這與定時限零序過電流保護的電流定值相同。因此，靈活接地系統(tǒng)沒有必要使用反時限零序電流保護。

3.3 零序功率方向保護的適應性分析

零序功率方向保護［6］的動作判據為：零序電流越限且零序功率方向元件動作。相比于零序過電流保護，其啟動電流不必躲過所有出線的對地電容電流，而是按躲過系統(tǒng)正常運行階段最大不平衡電流整定。

零序功率方向元件反映功率方向的算法有2 種：一是直接計算有功功率，根據其符號判斷功率方向；二是比較零序電流和零序電壓的相位關系。其本質是根據健全線路與故障出線零序測量導納角之間的差異判別故障線路。小電阻接地系統(tǒng)單相接地時，兩種計算方法均適用：健全出線零序有功功率從母線流向線路，符號為正，零序電流相位超前零序電壓約90°；故障出線零序有功功率從線路流向母線，符號為負，零序電流相位超前零序電壓約180°。

根據式（4），靈活接地系統(tǒng)中，健全出線i零序測量導納為健全出線本身的對地導納，不受并聯(lián)小電阻投切影響，導納角φ0i為：

由式（15）和式（16）得，故障第1 階段的故障出線零序電流超前零序電壓的角度在90°～153.4°內；故障第2 階段的故障出線零序電流超前零序電壓的角度在175.8°～180°內。即故障第1、2 階段，故障出線的有功功率均從線路流向母線。若零序功率方向元件采用計算有功功率的正負作為判據，則故障第1 階段保護存在誤動風險。為此，靈活接地方式下，保護可采用相位比較的方法，考慮一定的裕度，可按零序電流超前零序電壓165°～190°整定。

靈活接地方式下，零序功率方向保護的耐過渡電阻能力同時受限于零序電流和零序電壓。根據2.1 節(jié)分析，零序電流應躲過系統(tǒng)正常運行階段最大不平衡零序電流（7.5 A），由式（3）可得，其對應的過渡電阻約為760 Ω。而目前零序電壓多為三相電壓合成或取自電壓互感器開口三角形側，存在較大的不平衡電壓，考慮互感器精度及裝置測量誤差的影響，保護準確測量零序電壓的下限為2%的額定電壓［25］，即保護最小精確工作電壓約為120 V，由式（2）可得，其對應的過渡電阻約為500 Ω。因此，零序功率方向保護的耐過渡電阻能力主要受限于零序電壓的測量精度，約為500 Ω。

根據2.3 節(jié)分析，當系統(tǒng)的電容電流較大時，若消弧線圈采用隨調式，并聯(lián)小電阻投切裝置啟動的耐過渡電阻能力較差，可能小于500 Ω，這種情況下，保護的耐過渡電阻能力就受限于并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動。

3.4 電壓制動式零序電流保護的適應性分析

電壓制動式零序電流保護［7］根據小電阻接地系統(tǒng)單相接地時，零序電流與零序電壓成正比的特征，引入零序電壓作為制動量，自適應調整動作定值Iset，即：

根據式（4）和式（5），靈活接地系統(tǒng)接地故障的各個階段，零序電流均仍與零序電壓成正比。因此，電壓制動式零序電流保護在靈活接地方式下仍適用。

根據2.1 節(jié)分析，靈活接地方式下，保護最小動作電流Iset，min應躲過系統(tǒng)正常運行時的最大不平衡零序電流（7.5 A），耐過渡電阻能力約為760 Ω，相比于小電阻接地方式有所下降。

根據2.2 節(jié)分析，保護動作電流Iset應滿足：1）大于故障第1 階段單相接地時所有出線的零序電流；2）大于故障第2 階段健全出線零序電流；3）小于故障第2 階段故障出線零序電流。因此，對于故障出線，制動系數K應滿足：

式中：I?0i，1和I?0i，2分別為健全出線i在故障第1、2 階段的零序電流。

可以看出K的邊界取值范圍與線路零序測量導納相關，結合3.3 節(jié)分析，K的下限值應取3.65 mS，上限值應取33.3 mS，考慮動作可靠系數Krel=1.3，靈活接地方式下，可取4.7 mS＜K＜25.6 mS。可見，相比于小電阻接地方式，其制動系數的上限不變，下限略有上升。

3.5 電流比較式保護的適應性分析

根據所利用的零序電流特征量的不同，零序電流比較式保護可分為零序電流群體比幅比相式保護［9］和出線零序電流與中性點零序電流比較式保護［10］。

3.5.1 零序電流群體比幅比相式保護

零序電流群體比幅比相法［9］的故障判據為：在零序電流幅值最大的若干條出線中，若某條出線零序電流相位超前其他任意出線零序電流相位均在85°～110°內，則該出線為故障線路；若各出線零序電流相位差均在30°以內，則判為母線接地故障。

根據2.1 節(jié)分析，保護最小動作電流應躲過靈活接地系統(tǒng)正常運行時最大不平衡電流，耐過渡電阻能力約為760 Ω。

故障第1 階段時，故障出線零序電流相位超前健全出線零序電流0°～73.1°?？梢姡阈螂娏魅后w比幅比相法在故障第1 階段時可能將出線接地故障誤判為母線接地故障。因此，靈活接地方式下，零序電流群體比幅比相法的母線接地故障判據失效。

故障第2 階段時，故障出線零序電流相位超前健全出線零序電流85.8°～95.7°。考慮一定裕度，靈活接地方式下，出線接地故障判據應修正為：若某條出線零序電流相位超前其他任意出線零序電流相位在75°～105°內，該出線為故障出線?？梢?，其相對于小電阻接地方式下的范圍減小。

由于該方法需要測量所有出線的零序電流，僅能通過在變電站內配置獨立的集中式保護裝置實現，不適用于通道較少的出線保護裝置。

3.5.2 出線零序電流與中性點零序電流比較式保護

出線零序電流與中性點電流比較法［10］利用流經中性點電阻的電流與零序電壓同相位，引入中性點電阻電流作為零序電壓的極化相量，其原理在本質上與零序功率方向保護相同，動作定值為：

式中：I?R為中性點電阻電流；I?t為出線零序電流在中性點電阻電流上的投影；Id為投影量和中性點電阻電流的差動電流，對于故障出線，差動電流值較小，接近于0，對于健全出線，差動電流值較大，接近于中性點電流值；Iz為差動電流定值。

該方法以中性點電阻電流作為啟動量，應用于靈活接地方式時，其耐過渡電阻能力僅受限于并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動，且從根本上避免了故障第1 階段保護誤動的問題。

根據該原理，對于不同原理的出線保護，均可通過引入中性點電阻電流或并聯(lián)小電阻投切裝置的開關量作為保護啟動判據。但實際應用中，應考慮零序電流互感器的帶負載能力或開關輔助觸點數量，以及母線分列、并聯(lián)運行時中性點電阻電流如何獲取的問題。

3.6 波形畸變式保護適應性分析

波形畸變式保護［11-12］是利用接地電弧的熱效應，導致接地電阻在接地電流過零點附近急劇增大，之后迅速衰減，使故障電流表現為“零休”現象的特征以檢測故障。小電阻接地系統(tǒng)接地故障時，故障出線零序電流主要為阻性分量，波形的非線性畸變集中分布于過零點附近，即存在“零休”現象；而健全出線零序電流主要為容性分量，同故障出線零序電流相位相差90°，波形非線性畸變集中分布于峰值附近，如圖4 所示。

圖4 小電阻接地系統(tǒng)高阻接地故障零序電流波形Fig.4 Zero-sequence current waveforms of highimpedance grounding fault in low-resistance grounded system

根據2.2 節(jié)分析，靈活接地系統(tǒng)接地故障第1 階段時，故障出線、健全出線零序電流均主要為容性分量，電流波形的非線性畸變均分布于過零點附近，引起“零休”現象，如圖5 所示。因此，故障第1 階段的故障出線、健全出線零序電流的波形畸變特征均與小電阻接地系統(tǒng)高阻接地時故障出線零序電流相同。因此，波形畸變式保護在靈活接地系統(tǒng)故障第1階段存在誤動風險，不僅會使故障出線保護提前動作，也會導致健全出線保護誤動作，從而引發(fā)非故障區(qū)域供電中斷。

圖5 諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障零序電流波形Fig.5 Zero-sequence current waveform of highimpedance grounding fault in resonance grounded system

3.7 電流突變式保護的適應性分析

諧振接地系統(tǒng)中，消弧線圈并聯(lián)中電阻法［13］利用中電阻（約140 Ω）投入前后零序電流突變的特征實現故障保護，也稱零序電流突變式保護，與3.5.2節(jié)所述出線零序電流與中性點零序電流比較式保護相同，電流突變式保護也需要引入并聯(lián)小電阻投切裝置的開關量。

按照所利用的特征量的不同，中電阻法可分為零序電流幅值增量法、零序電流有功增量法和零序功率方向法，其中，零序功率方向法的原理和適應性與3.3 節(jié)相同，不再贅述。

3.7.1 零序電流幅值增量法

零序電流幅值增量法的原理是利用單相接地故障并聯(lián)小電阻投入后流過并聯(lián)小電阻上的電流使故障出線零序電流幅值增大來檢測故障線路。根據1.1 節(jié)分析，當過渡電阻大于臨界過渡電阻時，并聯(lián)電阻投入后，故障出線零序電流幅值非但不增大，反而減小，此時零序電流幅值增量法將失效。由式（9）得，使故障第1、2 階段故障出線零序電流幅值保持不變（TM=1）的臨界過渡電阻約為：

根據式（9），設v=?8%，可得TM在不同條件下隨過渡電阻的變化情況，如圖6 所示。可見，當系統(tǒng)對地電納、故障出線本身對地電納相同時，靈活接地方式下的零序電流幅值增量法的耐過渡電阻能力略高于消弧線圈并聯(lián)中電阻法。

圖6 故障第1、2 階段故障線路零序電流幅值之比的變化Fig.6 Changes of ratio of zero-sequence current amplitude of fault line in the first and second stages

3.7.2 零序電流有功增量法

零序電流有功增量法的原理是利用并聯(lián)小電阻上產生的電流為有功分量來檢測故障線路。根據式（2）、式（13）和式（14），故障第1、2 階段，故障出線零序電流有功分量的幅值之比為：

由式（22）可得，對于一個確定的靈活接地系統(tǒng)，即當系統(tǒng)對地電納、失諧度、阻尼率、并聯(lián)小電阻阻值一定時，TP的大小僅與過渡電阻有關，與故障出線本身的對地電納無關：當d≤?v時，無論過渡電阻多大，故障第2階段的零序有功電流幅值相比第1階段總是增大；當d＞?v時，故障第2 階段的零序有功電流幅值相比第1 階段可能增大，也可能減小，TP=1 時的臨界過渡電阻R′f0為：

可見，對于一個絕緣良好（d≤?v）的靈活接地系統(tǒng)，零序電流有功分量法的適應性高于零序電流幅值增量法；對于絕緣劣化的靈活接地系統(tǒng)，零序電流有功分量法將失效。但無論線路絕緣情況如何，故障第2 階段故障出線零序電流中有功分量的占比始終大于故障第1 階段。

然而，零序電流有功增量法的可靠性同樣受零序電壓測量精度的影響。根據式（2）可知，當Rn=140 Ω 時，保護的最小精確工作電壓（120 V）對應的過渡電阻達3 kΩ 以上；而根據3.3 節(jié)分析，當Rn=10 Ω 時，保護的最小精確工作電壓（120 V）對應的過渡電阻不足500 Ω。因此，靈活接地方式下零序電流有功增量法耐過渡電阻能力低于消弧線圈并聯(lián)中電阻法。

4 靈活接地系統(tǒng)中接地保護的適應性結論

根據上述分析，得到已有配電網接地保護方法在靈活接地系統(tǒng)的適應性結論。

1）定時限零序過電流保護的動作定值應在確保消弧線圈合理補償的前提下，在原有定值基礎上提高至少10 A，耐過渡電阻能力不足110 Ω。

2）零序功率方向保護的最小動作電流受限于系統(tǒng)正常運行時的最大不平衡零序電流，耐過渡電阻能力約為500 Ω；功率方向元件應采用定值更為嚴格的電壓電流相位比較法。

3）靈活接地方式下沒有必要使用反時限零序電流保護。

4）電壓制動式零序電流保護的耐過渡電阻能力受限于最小動作電流，約為750 Ω；制動系數K的下限值相比小電阻接地系統(tǒng)應適當升高。

5）電流比較式保護中，零序電流群體比幅比相法在母線接地時判據失效，線路接地時耐過渡電阻能力約為750 Ω；出線零序電流與中性點電流比較法的耐過渡電阻能力可達3 kΩ。

6）波形畸變式保護由于保護原理的限制，不僅會使故障出線保護提前動作，也會導致健全出線保護誤動作。

7）電流突變式保護中，零序電流幅值增量法的耐過渡電阻能力高于并聯(lián)中電阻法；零序電流有功增量法的耐過渡電阻能力低于并聯(lián)中電阻法。

此外，靈活接地系統(tǒng)中可根據并聯(lián)小電阻投切前后電氣量的變化特征構成判據，其變化量主要與中性點小電阻有關，受線路參數、絕緣情況的影響較小。

5 結語

本文通過分析目前主流的接地故障保護方法，發(fā)現大部分方法在靈活接地方式下的保護性能有所下降。

1）對于定時限零序過電流保護、零序功率方向保護、電壓制動式零序電流保護、零序電流群體比幅比相法，其本質原因是無法識別系統(tǒng)狀態(tài)（并聯(lián)小電阻是否投入），為避免消弧線圈補償階段誤動、提高保護定值從而導致保護性能下降。

2）波形畸變式保護無法通過改進保護定值來避免消弧線圈補償階段誤動，若無法獲取小電阻投入信號則無法適用于靈活接地系統(tǒng)。電流突變式保護能否適用于靈活接地系統(tǒng)，系統(tǒng)狀態(tài)能否準確識別也是關鍵條件。

3）相對的，出線零序電流與中性點零序電流比較式保護因引入了并聯(lián)電阻電流信號，可準確識別靈活接地系統(tǒng)狀態(tài)，故保護性能不變。

為此，對于出線接地保護，可通過接入流過并聯(lián)小電阻上的電流量或并聯(lián)小電阻投切的開關量作為保護啟動量，但應注意零序電流互感器的帶負載能力或開關輔助觸點的數量，以及母線分列、并列運行時并聯(lián)小電阻的電流切換問題；條件允許時，宜采用集中式保護。對于線路分段保護或分支線保護，由于并聯(lián)小電阻電流量或投切開關量信息獲取存在困難，需進一步研究僅利用保護自身的特征量即可識別并聯(lián)小電阻投入時刻，或者從原理上不受并聯(lián)小電阻投入前故障特征影響的靈活接地系統(tǒng)接地保護。