能量法小電流接地方向判據的應用研究

楊 濤，金華鋒，曾兵元，梁海東，趙 舫

能量法小電流接地方向判據的應用研究

楊 濤1,2，金華鋒3，曾兵元3，梁海東2，趙 舫4

(1.杭州意能電力技術有限公司，浙江 杭州 310007；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州 310007；3.南京智匯電力技術有限公司，江蘇 南京 211100；4.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

為解決小電流接地系統(tǒng)中利用單點電氣量難以準確判斷接地故障方向的問題，提出了一種改進的能量法接地方向判據。根據疊加原理分析了單相接地故障暫態(tài)等值電路，指出了測量點處的零序能量由故障初始時刻的電容充電能量和維持LC振蕩的穩(wěn)態(tài)振蕩能量兩部分組成，分析了零序能量在不同接地方式和不同接地電阻下的特點。為了簡化定值整定原則，對零序能量函數進行了離散化處理并作了二次積分，提出了實用的能量二次積分判據。對中性點不接地方式、中性點經消弧線圈完全補償的接地方式下的金屬性故障和經3000W電阻接地故障進行了仿真測試。仿真結果表明，上述各種故障情況下該判據均能判別故障方向。

小電流接地系統(tǒng)；能量法；分布電容；共振頻率

0 引言

國內外學者對小電流接地選線方法進行了廣泛深入的研究[3-4]?，F有方法可分為主動式和被動式。主動式主要采用注入信號的方法[5-6]，通常用于故障線路停電后的故障點定位。被動式利用故障時的電壓、電流量進行接地選線，可分為基于穩(wěn)態(tài)信息、基于暫態(tài)信息和基于綜合信息的三類選線方法。

基于穩(wěn)態(tài)信息的選線方法[7-8]有零序電流幅值法[9-10]、零序電流比相法[11-12]、零序無功功率方向法[13]、零序有功功率法[14-15]和5次諧波法[16-17]等。上述方法原理相對簡單，但對于經消弧線圈補償的小電流接地系統(tǒng)或間歇性故障，由于沒有穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)電流，上述方法很難正確選出故障線路。

基于暫態(tài)信息的選線方法有首半波法[18]、基于小波變換的暫態(tài)零序電流比較法[19-27]和基于暫態(tài)零流波形特征的定位方法[28]等。通常情況下，故障產生的暫態(tài)電流遠大于穩(wěn)態(tài)電流且不受中性點接地方式的影響，因此該類方法具有較高的可靠性和靈敏度。但該類方法均需要采集高頻信號進行分析。首半波法受故障相角、系統(tǒng)參數的影響較大，應用效果一般；基于小波變換的暫態(tài)零序電流比較法和基于暫態(tài)零序波形特征的定位法均需進行復雜的計算，對裝置硬件的處理能力有較高的要求。

基于綜合信息類方法主要為復合判據法[29-30]。復合判據法根據穩(wěn)態(tài)法和暫態(tài)法的適用條件和優(yōu)缺點，并利用信息融合和模糊決策理論進行故障選線，取得了較好的效果。但復合判據法需要的信息量比較多，適用于變電站的故障選線，但無法應用于架空線路或電纜線路的分段、分支線等僅能獲取單點信息量的場合。

浙江大學何奔騰老師于1998年提出了能量法小電流接地選線原理[31]。能量法將零序電壓和零序電流乘積的積分定義為能量函數，并根據能量函數值的正負判斷故障方向。該方法算法簡單，僅需單點的零序電壓和零序電流而無需多點的綜合信息，不受消弧線圈的影響，可實現配網架空線路或電纜線路的零序方向判別。但該方法未深入分析暫態(tài)能量和穩(wěn)態(tài)能量對判據的影響，也未探討系統(tǒng)模型、暫態(tài)頻率和裝置采樣率之間的關系。對經消弧線圈完全補償的接地故障，由于其故障后穩(wěn)態(tài)零序電流為0，若按該方法所采用的每周波12點采樣值進行能量積分，其值為0，將無法判斷故障方向。

本文詳細分析了系統(tǒng)模型和暫態(tài)電流頻率之間的關系，指出對于短線暫態(tài)電流頻率可能高達數千赫茲，采用能量法計算故障方向時的裝置采樣頻率，至少需4800 Hz；提出了實用的能量法保護判據，為能量法小電流接地判別原理應用于配網架空線路或電纜線路接地故障定位提供有益探索。

1 原理

圖1 單相接地故障暫態(tài)等效電路

假設金屬性故障發(fā)生在電壓峰值時刻，則

中性點零序補償電流為

疊加電容和中性點電流后，零序電流為

測量點處的零序能量定義為

其中：

圖2為中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時反向疊加電源產生的零序能量，紅色曲線為電容充電能量，藍色曲線為穩(wěn)態(tài)振蕩能量，綠色曲線為兩者的疊加。從波形可以看出，衰減后的電容充電能量和穩(wěn)態(tài)振蕩能量同方向，暫態(tài)能量在故障發(fā)生瞬間快速由0增大到最大值，然后快速衰減，衰減到第一個波谷，其幅值也遠大于0。疊加同方向的穩(wěn)態(tài)振蕩能量后，更能確保零序能量大于0。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)單相接地時的故障能量

圖3 中性點過補償系統(tǒng)單相接地時的故障能量

2 保護判據

測量點安裝于變電站線路出口處或線路分段。變電站線路出口處，規(guī)定電流方向由母線指向線路為正方向；線路分段處，規(guī)定電流方向由電源指向負荷為正方向。由第1節(jié)的分析可知，若單相接地故障發(fā)生在本線正方向，零序能量值為負；若單相接地故障發(fā)生在母線或其他線路，零序能量值為正。對式(6)進行離散化處理，得到基于暫態(tài)零序能量的單相接地方向判據，如式(11)所示。

由于零序電流暫態(tài)分量的共振主頻率為300～ 1000 Hz[32]，為了避免暫態(tài)能量泄漏引起方向誤判，采樣頻率取4800 Hz。

圖5 單相高阻接地時的故障能量積分

3 仿真測試

圖6 仿真系統(tǒng)模型

表1 模型參數

圖7 中性點不接地系統(tǒng)的能量積分值

圖8 經電抗完全補償系統(tǒng)的能量積分值

仿真結果證明了能量積分的方向性，根據能量積分值可以判別單相接地故障方向，當能量積分值為負時，故障發(fā)生在觀測點正方向；當能量積分值為正時，故障發(fā)生在觀測點反方向。

比較圖7、圖8各個故障點的仿真結果，對于金屬性故障，不管是中性點不接地系統(tǒng)還是經消弧線圈補償系統(tǒng)，各點的能量積分值差別不大；對于高阻接地故障，由于分布電容和消弧線圈產生LC共振，相當于末端開路，因此作用于分布式的零序電容越大，對應的零序電流和零序能量積分也更大，能量積分方向判據更靈敏。

4 結論

基于零序能量積分的單相接地故障方向判據，需要以較高的采樣頻率采集零序電壓和零序電流，將兩者瞬時值相乘進行兩次積分；當能量積分小于0時，故障發(fā)生在觀測點正方向；當能量積分大于0時，發(fā)生在反方向。不管是中性點不接地系統(tǒng)，還是中性點經消弧線圈完全補償的小電流接地系統(tǒng)，采用能量積分方向判據，均能有效判別單相接地故障方向。

在實際應用中，還需要考慮采樣誤差、計算誤差、零序不平衡分量以及外部干擾等因素對判據的影響。

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Application of the criterion of small current grounding direction of the energy method

YANG Tao1, 2, JIN Huafeng3, ZENG Bingyuan3, LIANG Haidong2, ZHAO Fang4

(1. Hangzhou Yineng Electric Power Technology Co., Ltd., Hangzhou 310007, China; 2. State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd. Electric Power Research Institute, Hangzhou 310007, China; 3. Nanjing Zhihui Power Technology Co., Ltd.,Nanjing 211100, China; 4. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

It is difficult to accurately determine the ground fault direction using a single-point electrical quantity in a small current grounding system. Thus an improved energy method-based grounding direction criterion is proposed. From the superposition principle, a single-phase ground fault transient equivalent circuit is analyzed, and the zero-sequence energy at the measurement point is composed of the capacitor charging energy at the initial moment of the fault and the steady-state oscillation energy to maintain the LC oscillation. The characteristics of the zero-sequence energy in different grounding modes and resistances are analyzed. To simplify the setting principle, the zero-sequence energy function is discretized and quadratic integration and a practical quadratic integral criterion is proposed. Simulation tests for a metallic fault and a 3000Wresistance grounding fault are conducted on the neutral point ungrounded or the neutral point fully compensated ground via the arc suppression coil. Results show that the criterion can distinguish the fault direction in the above fault conditions.

small current grounding system; energy method;distributed capacitance;resonance frequency

10.19783/j.cnki.pspc.211519

2021-11-10；

2022-02-16

楊 濤(1978—), 男，碩士，高級工程師，研究方向為繼電保護、穩(wěn)控和配電自動化等；E-mail: 27462690@qq.com

金華鋒(1972—)，男，通信作者，博士，研究員級高級工程師，研究方向為繼電保護、穩(wěn)控和配電自動化等；E-mail:475774491@qq.com

曾兵元(1981—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為繼電保護、穩(wěn)控和配電自動化等。E-mail: 18311640@qq.com

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2017YFB0903100)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0903100).

(編輯 姜新麗)