基于Δi-PCA原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法研究

繆欣 黃海悅

（1.東方電子股份有限公司，山東煙臺(tái) 264000；2.東方電子集團(tuán)有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

我國(guó)中低壓配電網(wǎng)線路總長(zhǎng)度約占整個(gè)電網(wǎng)的95%，配電網(wǎng)故障占整個(gè)電網(wǎng)故障的70% 以上。單相接地故障是配電網(wǎng)常見(jiàn)的臨時(shí)性故障，占配電網(wǎng)故障總量的80% 左右[1-2]。由于中低壓配電網(wǎng)的中性點(diǎn)一般非有效接地，因此在單相接地的情況下，并不需要立即切除，根據(jù)章程規(guī)定可以繼續(xù)運(yùn)行1～2 h。單相接地故障如果得不到及時(shí)處理，可能會(huì)讓健全線路因過(guò)電壓發(fā)生絕緣擊穿，進(jìn)而發(fā)展為相間短路故障，造成故障擴(kuò)大化[3-5]。

單相接地故障處理面臨的主要困難是工頻故障電流微弱與電弧不穩(wěn)定，同時(shí)線路無(wú)法形成回路，接地故障電流是分布電容電流，數(shù)值比負(fù)荷電流小很多，故障特征也不明顯，從而給故障的準(zhǔn)確研判和定位帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)[6-8]。

目前常見(jiàn)的小電流接地選線在單相接地故障處理方面大多采用暫態(tài)法[9]和穩(wěn)態(tài)法[10]，其中，對(duì)于暫態(tài)法，暫態(tài)特征僅在接地瞬間存在，一旦漏檢就無(wú)機(jī)會(huì)再次檢測(cè)，對(duì)互感器的要求低；對(duì)于穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)特征始終存在，對(duì)互感器精度要求高[11-12]。無(wú)論是暫態(tài)法還是穩(wěn)態(tài)法，都需要采集線路上的零壓和零流，無(wú)法在不停電、不改造和更換現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單相接地故障的準(zhǔn)確研判。

為解決以上問(wèn)題，本文提出了一種基于相突變電流不對(duì)稱（Δi-Phase Current Asymmetry，Δi-PCA）原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法，無(wú)須停電和增加互感器以及更換現(xiàn)有設(shè)備，只要檢測(cè)線路中的A、B、C三相電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV 小電流接地系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)警，精確研判單相接地故障和故障選線跳閘。

1 基于相突變電流不對(duì)稱原理的區(qū)段定位策略

1.1 相突變電流不對(duì)稱（Δi-PCA）算法原理

基于電路理論基礎(chǔ)，采用電路解析方法，對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障進(jìn)行分析。在單相接地故障時(shí)，如圖1所示，健全線路以及故障所在線路的故障下游的終端，同一點(diǎn)測(cè)得的三相突變電流相同，三相電流突變量就是接地故障時(shí)的電容電流量；故障所在線路的故障上游的終端，兩健全相的突變電流相同，而與故障相在幅值和波形上差異較大，接地點(diǎn)則為全網(wǎng)電容電流量及可能中性點(diǎn)零序電流之和。利用此差異特征進(jìn)行單相接地選線和定位。此方法不受中性點(diǎn)接地方式等因素影響，耐過(guò)渡電阻能力強(qiáng)。

圖1 發(fā)生單相接地故障時(shí)Δi-PCA 分布示意圖

分析故障前各線路各相的相電流表達(dá)式如下：

式中：inp為故障前某條線路的某相電流量，n為線路編號(hào)，p為A、B、C 任一相；inpC為該相電容電流量；inpL為該相負(fù)荷電流量；Cnp為本線路某相對(duì)地電容；uN為中性點(diǎn)對(duì)地電壓；ep為電源某相電壓。

故障后，以線路1的A 相接地故障為例，故障點(diǎn)之前故障相測(cè)量電流量表達(dá)式如下：

式中：i1Af為圖1中故障時(shí)線路1的A 相電流量；i1ACf為線路1的A 相電容電流量；i1ALf為線路1的A 相負(fù)荷電流量；if為單相接地故障點(diǎn)電流，且if≠0；C1A為線路1的A 相對(duì)地電容；uNf為中性點(diǎn)對(duì)地電壓；eA為電源相電壓。

而非故障線路及故障線路非故障相及故障點(diǎn)之后的測(cè)量電流表達(dá)式如下：

式中：n為線路編號(hào)；對(duì)于故障線路，p為非A 相及故障點(diǎn)之后的A 相；對(duì)于健全線路，p為A、B、C 任一相；inpf為非故障線路及故障線路非故障相及故障點(diǎn)之后的某相電流量；inpCf為該相電容電流量；inpLf為該相負(fù)荷電流量；Cnp為本線路某相對(duì)地電容；uNf為中性點(diǎn)對(duì)地電壓；ep為電源某相電壓。

在故障前后，可以認(rèn)為系統(tǒng)電壓保持不變，且負(fù)荷電流由于線電壓依然對(duì)稱而可以認(rèn)為不變，則故障線路故障點(diǎn)前的故障相電流突變量表達(dá)式由公式（1）和（2）推導(dǎo)如下：

在故障前后，健全線路和故障線路非故障相及故障點(diǎn)之后的相電流突變量表達(dá)式同樣由公式（1）和（3）推導(dǎo)如下：

當(dāng)10 kV 配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由公式（5）分析可知，健全線路的三相相電流突變量為對(duì)地電容電流，其特征是幅值大小相等、波形一致，具有對(duì)稱性。故障線路兩個(gè)非故障相的突變電流是相同的，而故障相的突變電流除了故障點(diǎn)的故障電流外還包含了故障點(diǎn)的對(duì)地電容電流，如公式（4）表達(dá)式分析結(jié)果，為所有非故障線路對(duì)地電容電流的相量和，表現(xiàn)特征是遠(yuǎn)大于非故障相Δi，且波形不一致，具有不對(duì)稱性的特征。因此，公式（4）和公式（5）的故障相和非故障相的Δi表達(dá)式，就是基于Δi-PCA 原理的保護(hù)判據(jù)基本理論公式，此理論公式可以作為小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的判斷依據(jù)。

1.2 采用Δi-PCA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)單相接地故障的研判

10 kV 配電線路發(fā)生單相接地故障的時(shí)候，配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將發(fā)生突變，線路上相應(yīng)的電流相量也會(huì)發(fā)生突變。通過(guò)在10 kV 配電線路上合理布置基于Δi-PCA 原理的故障檢測(cè)裝置，在發(fā)生接地故障時(shí)實(shí)時(shí)采集線路上的A、B、C 三相電流，然后利用Δi-PCA 算法獲得有效的研判數(shù)據(jù)，無(wú)須零壓和零流的測(cè)量就能實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV線路小電流中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的故障檢測(cè)，同時(shí)把結(jié)果上報(bào)配網(wǎng)主站，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的接地故障定位和選線。

2 相突變電流不對(duì)稱系統(tǒng)啟動(dòng)和動(dòng)作判據(jù)主要邏輯

2.1 Δi-PCA 啟動(dòng)和動(dòng)作判據(jù)主要邏輯

式中：k0為啟動(dòng)系數(shù)；Δiset為相突變電流量最小定值；ip為某相電流量，p為A、B、C 三相電流中任一相。

在啟動(dòng)判斷中，采用慣性數(shù)據(jù)窗方法，增強(qiáng)抗干擾能力。數(shù)據(jù)窗均滿足啟動(dòng)判據(jù)時(shí)，才確認(rèn)可能有單相接地故障導(dǎo)致相突變電流，然后置啟動(dòng)標(biāo)志確認(rèn)啟動(dòng)。否則，就確認(rèn)不啟動(dòng)。

在設(shè)計(jì)啟動(dòng)元件時(shí)，采用一旦滿足啟動(dòng)算法，就立刻鎖存啟動(dòng)時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)指針，捕捉啟動(dòng)點(diǎn)用于后續(xù)判斷和識(shí)別數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)的啟動(dòng)計(jì)算等。一般啟動(dòng)元件配置在采樣處理部分要求每個(gè)采樣間隔處理一次，保證啟動(dòng)的實(shí)時(shí)性和靈敏性。啟動(dòng)元件邏輯框圖如圖2所示。

圖2 Δi-PCA 啟動(dòng)元件邏輯框圖

動(dòng)作判據(jù)由主判據(jù)相不對(duì)稱元件、輔助判據(jù)元件和控制字組成，再加上必要的延時(shí)，綜合決策結(jié)果。Talarm為告警時(shí)間，整定范圍0.00～300 s；ttrip為跳閘時(shí)間，整定范圍0.0～300 s。動(dòng)作判據(jù)邏輯圖如圖3所示。

圖3 動(dòng)作判據(jù)主要邏輯示意框圖

2.2 Δi-PCA 啟動(dòng)和動(dòng)作的返回

（1）啟動(dòng)返回判據(jù)：

（2）啟動(dòng)長(zhǎng)時(shí)返回判據(jù)：

（3）動(dòng)作返回判據(jù)：

式中：3i0ppt為當(dāng)前采樣點(diǎn)一個(gè)周波3i0（3i0=ia+ib+ic）計(jì)算采樣值中峰峰值差的絕對(duì)值；3i0pp1T為記憶第一個(gè)周波3i0計(jì)算采樣值中峰峰值差的絕對(duì)值；kr為返回系數(shù)，整定范圍0.10～1.0；t為啟動(dòng)或動(dòng)作返回時(shí)間；trtrip為動(dòng)作返回時(shí)間定值。

設(shè)備啟動(dòng)與動(dòng)作返回邏輯示意圖如圖4所示。

圖4 設(shè)備啟動(dòng)與動(dòng)作返回邏輯示意圖

3 故障檢測(cè)和判斷

3.1 單相接地故障檢測(cè)

發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障類型可能千差萬(wàn)別，種類非常多，但總體上可以按照永久性故障、間歇性故障和瞬時(shí)性故障三種類型劃分，如圖5所示，其識(shí)別原則如下：

圖5 單相接地故障判斷依據(jù)示意圖

（1）永久性故障判據(jù)：

式中：kfr為可靠系數(shù)，范圍0.10～1.0；tforever為永久性故障時(shí)間，范圍0～10 s。

（2）間歇性故障判據(jù)：

式中：kwr為可靠系數(shù)，范圍0.10～1.0；twork為本次啟動(dòng)后工作時(shí)間。

（3）瞬時(shí)性故障判據(jù)：

式中：ktr為可靠系數(shù)，范圍0.10～1.0；ttransient為瞬時(shí)性故障時(shí)間。

3.2 過(guò)電流檢測(cè)

采用三相電流分相過(guò)流判斷邏輯與限時(shí)動(dòng)作的方式。在啟動(dòng)元件未動(dòng)作時(shí)，滿足過(guò)流條件并延時(shí)到告警；在啟動(dòng)元件動(dòng)作時(shí)，滿足過(guò)流條件并啟動(dòng)點(diǎn)計(jì)時(shí)25 ms先發(fā)閉鎖信號(hào)，并延時(shí)到告警。當(dāng)過(guò)電流檢測(cè)動(dòng)作時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，并給出相應(yīng)的動(dòng)作報(bào)文和就地指示燈。在動(dòng)作后不滿足過(guò)電流動(dòng)作判據(jù)時(shí)，過(guò)電流檢測(cè)瞬時(shí)自動(dòng)返回。

過(guò)電流檢測(cè)判據(jù)：

式中：IA、IB、IC為三相電流有效值；Iset為過(guò)電流檢測(cè)整定值；tOC為過(guò)電流檢測(cè)告警時(shí)間。

啟動(dòng)元件動(dòng)作t≥25 ms置閉鎖標(biāo)志。

過(guò)電流檢測(cè)判斷依據(jù)如圖6所示。

圖6 過(guò)電流檢測(cè)判斷依據(jù)示意圖

3.3 剩余電流告警

剩余電流保護(hù)是指保護(hù)裝置接入外部流出和流回的電流線路（如相線和中性線），正常時(shí)大小相等、方向相反則其和流為零，被保護(hù)部分有接地故障時(shí)將有電流通過(guò)地流回，導(dǎo)致保護(hù)安裝處電流不再平衡產(chǎn)生所謂的“剩余電流”，當(dāng)剩余電流達(dá)到一定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

剩余電流告警動(dòng)作判據(jù)：

式中：3i0=ia+ib+ic；3I0set為零序電流定值；trd為剩余電流動(dòng)作時(shí)間。

3.4 CT 斷線告警

CT斷線/缺相告警功能，采用最大電流高于起判準(zhǔn)確電流定值而小于1.5倍額定電流時(shí)，任一相或兩相電流值變化量高于門檻值時(shí)，經(jīng)延時(shí)判斷是否發(fā)生了CT斷線或缺相。在啟動(dòng)元件未動(dòng)作時(shí)，符合判據(jù)條件下，延時(shí)25 ms置閉鎖標(biāo)志，延時(shí)3 s給出告警信號(hào)，并給出相應(yīng)的動(dòng)作報(bào)文和就地指示燈；在啟動(dòng)元件動(dòng)作時(shí)，符合判據(jù)條件下，啟動(dòng)點(diǎn)計(jì)時(shí)25 ms置閉鎖標(biāo)志，延時(shí)3 s給出告警信號(hào)。

4 應(yīng)用實(shí)踐

某電力公司10 kV 線路多數(shù)不具備零序電壓互感器和零序電流互感器，目前運(yùn)行中的存量配電終端多數(shù)不具備單相接地告警功能。如改造一次設(shè)備（增加零序互感器）并更換二次終端，改造成本太高，同時(shí)還需要停電，從而影響了系統(tǒng)的整體可靠性。采用基于Δi-PCA原理的單相接地檢測(cè)裝置完美地解決了該難題。

4.1 改造前提條件

（1）每條線路具備Ia、Ib、Ic三相電流。若現(xiàn)場(chǎng)只有A、C 兩相電流，可以增加開(kāi)口電流互感器卡在B 相上（變比與其他兩相相同）。

（2）配電終端上具備冗余遙信。

（3）配電終端上具備通過(guò)101規(guī)約將接地告警遙信增加到之前的遙信點(diǎn)表中并轉(zhuǎn)發(fā)主站的能力。

4.2 改造方案

4.2.1 變電站10 kV 出線單相接地解決方案

如圖7所示，在每個(gè)10 kV 間隔柜的二次小室內(nèi)卡導(dǎo)軌安裝單回線路單相接地檢測(cè)裝置，所有單相接地檢測(cè)裝置與變電站內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備按照IEC 101規(guī)約上送單相接地故障遙信。每個(gè)二次小室內(nèi)增加電源端子及電流轉(zhuǎn)接端子，其中一個(gè)間隔還需要安裝電源模塊和電源總開(kāi)關(guān)，接入單相接地裝置的電流回路優(yōu)選測(cè)量CT以保證測(cè)量精度。

圖7 變電站10 kV 出線單相接地解決方案

4.2.2 開(kāi)閉所10 kV 進(jìn)出線單相接地解決方案

如圖8所示，在投運(yùn)的自動(dòng)化設(shè)備機(jī)柜上安裝兩個(gè)機(jī)架式線路單相接地檢測(cè)裝置，接地檢測(cè)裝置級(jí)聯(lián)完成單相接地故障檢測(cè)。按照IEC 101規(guī)約上送單相接地故障遙信。自動(dòng)化設(shè)備機(jī)柜內(nèi)增加電流轉(zhuǎn)接端子，以便將每回路三相電流串連接入單相接地裝置。接入單相接地裝置的電流回路優(yōu)選測(cè)量CT 以保證測(cè)量精度，沒(méi)有測(cè)量CT時(shí)也可以接入保護(hù)CT。

圖8 開(kāi)閉所10 kV 進(jìn)出線單相接地解決方案

4.3 模擬實(shí)驗(yàn)

如表1所示，模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置單相接地故障判斷功能的正確性，表明采用基于Δi-PCA 原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法能大大提高單相接地故障防御能力，避免了傳統(tǒng)的人工巡查、拉路選線的弊端，大幅提升了選線正確性，提高了工作效率。

表1 單相接地模擬實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)配電自動(dòng)化建設(shè)的大力推廣，大量配電成套設(shè)備接入配電自動(dòng)化系統(tǒng)，大大提高了用電的安全性和穩(wěn)定性。本文提出的基于Δi-PCA 原理的分布式小電流接地選線保護(hù)方法，有效解決了在單相接地故障處理上困擾電力公司的難題，在不停電、不改造現(xiàn)有設(shè)備的前提下，在提高故障時(shí)研判的精準(zhǔn)度，縮短故障檢修時(shí)間，優(yōu)化故障處理流程等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于10 kV 小電流接地系統(tǒng)，具有很高的現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用價(jià)值。