中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)

摘 要：在中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)中，根據(jù)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)設(shè)計暫態(tài)方向多級保護(hù)饋電線路，并將其劃分為多個保護(hù)區(qū)域?；诠收想娏鞯臅簯B(tài)特性，設(shè)定暫態(tài)方向多級保護(hù)的判據(jù)，準(zhǔn)確識別小電流接地故障的方向和位置。通過整定保護(hù)級差，確定各級保護(hù)動作的時間間隔，確保故障發(fā)生時，離故障點(diǎn)最近的保護(hù)裝置能夠先動作，從而迅速隔離故障區(qū)域。這種時間級差的合理設(shè)置，既保證保護(hù)的速動性，又避免不必要的誤動作。最終實(shí)現(xiàn)的小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)能有效應(yīng)對小電流接地故障。試驗結(jié)果表明，在引入暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)后，故障點(diǎn)的電壓和電流較之前得到顯著改善，電壓由13.6kV降至4kV，電流由5.8A降至1.9A，展現(xiàn)其強(qiáng)大的自主性和高效性，可以為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：中低壓配電網(wǎng)；小電流；接地故障；暫態(tài)方向；多級保護(hù)技術(shù)

中圖分類號：TM 773" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障是配電網(wǎng)中種常見的電氣故障。當(dāng)發(fā)生小電流接地時，該系統(tǒng)的三相線路電壓變化不大，且不會對負(fù)載的供電產(chǎn)生較大影響[1]。然而，雖然這種故障電流較小，但仍對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅，因此需要及時檢測和隔離。設(shè)備絕緣老化會使設(shè)備的絕緣阻值降低，導(dǎo)致絕緣性能下降，存在隱患；接地電阻增高則會使接地電流較小，故障難以被檢測到，存在安全隱患；而靜電擊穿則可能由系統(tǒng)中存在較高的靜電電壓引起，導(dǎo)致發(fā)生小電流接地故障[2]。針對中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障，可采用小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)提高故障處理能力。該技術(shù)通過分析故障發(fā)生時的暫態(tài)電流和電壓信號，結(jié)合配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，對故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和快速隔離。在維修方面，需要對接地故障進(jìn)行處理。同時，也需要對配電網(wǎng)的設(shè)備和線路進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，以減少小電流接地故障的發(fā)生概率。

1 設(shè)計暫態(tài)方向多級保護(hù)饋電線路

當(dāng)設(shè)計中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)饋電線路時，需要根據(jù)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，將饋電線路劃分為多個保護(hù)區(qū)域[3]，如圖1所示。

每個保護(hù)區(qū)域配置相應(yīng)的保護(hù)裝置，以實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測和隔離功能。當(dāng)檢測到故障發(fā)生時，保護(hù)裝置將記錄故障發(fā)生時的暫態(tài)信號[4]，并計算與正常狀態(tài)時的差異，用來判斷故障發(fā)生的方向，暫態(tài)方向判斷公式如公式（1）所示。

（1）

式中：Δl為時間窗口；t為故障時間；If（t）和Id（t）為故障發(fā)生后的電流信號；dt為積分運(yùn)算，計算在時間窗口Δl內(nèi)信號值的總和。

根據(jù)保護(hù)區(qū)域的位置和重要性，配置不同級別的保護(hù)裝置。高級別的保護(hù)裝置具有更短的故障檢測和隔離時間，以確保重要負(fù)荷的供電可靠性。同時，通過設(shè)定暫態(tài)方向多級保護(hù)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)各級保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)配合，避免誤動作和擴(kuò)大故障范圍。

2 設(shè)置暫態(tài)方向多級保護(hù)判據(jù)

多級保護(hù)判據(jù)的基本原理是根據(jù)故障發(fā)生時電氣量的變化特征，結(jié)合保護(hù)裝置的安裝位置和靈敏度[5]，將電網(wǎng)劃分為不同的保護(hù)區(qū)域，并為每個保護(hù)區(qū)域配置相應(yīng)級別的保護(hù)裝置。這些保護(hù)裝置通過檢測電氣量的變化來判斷故障是否發(fā)生在保護(hù)范圍，并決定是否啟動保護(hù)動作。

2.1 電流保護(hù)判據(jù)

電流保護(hù)判據(jù)是基于故障發(fā)生時電流的變化特征來判斷故障位置和性質(zhì)的。其中，常用的是過電流保護(hù)和零序電流保護(hù)。

過電流保護(hù)判據(jù)如公式（2）所示。

IDgt;IS （2）

式中：ID為檢測到的電流值；IS為設(shè)定的過電流保護(hù)定值。

當(dāng)檢測到的電流值超過設(shè)定的定值時，保護(hù)裝置將啟動過電流保護(hù)動作。

零序電流保護(hù)判據(jù)如公式（3）所示。

3I0gt;IS0 （3）

式中：I0為零序電流；IS0為設(shè)定的零序電流保護(hù)定值。

零序電流保護(hù)主要用于檢測接地故障，當(dāng)零序電流超過設(shè)定的定值時，保護(hù)裝置將啟動零序電流保護(hù)動作[6]。

2.2 電壓保護(hù)判據(jù)

電壓保護(hù)判據(jù)是基于故障發(fā)生時電壓的變化特征來判斷故障位置和性質(zhì)的。常用的有低電壓保護(hù)和過電壓保護(hù)。

低電壓保護(hù)判據(jù)如公式（4）所示。

Ult;US （4）

式中：US為檢測到的電壓值；US為設(shè)定的低電壓保護(hù)定值。

當(dāng)檢測到的電壓值低于設(shè)定的定值時，保護(hù)裝置將啟動低電壓保護(hù)動作。

過電壓保護(hù)判據(jù)如公式（5）所示。

Ugt;Umax （5）

式中：Umax為設(shè)定的過電壓保護(hù)上限值。

當(dāng)檢測到的電壓值超過設(shè)定的上限值時，保護(hù)裝置將啟動過電壓保護(hù)動作。

3 整定保護(hù)級差

在中低壓配電網(wǎng)中，兩點(diǎn)接地故障的處理對保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性至關(guān)重要。當(dāng)兩端接地點(diǎn)均有較低的轉(zhuǎn)換電阻時，短路電流明顯增加，容易觸發(fā)短路保護(hù)，從而迅速隔離故障區(qū)域。然而，當(dāng)其中一個或多個接地點(diǎn)過渡電阻較大時，故障電流可能不足以觸發(fā)傳統(tǒng)短路保護(hù)裝置的閾值，這需要引入更精細(xì)的小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)。

假設(shè)故障電流為If、過渡電阻為R，那么故障電流與過渡電阻間的關(guān)系如公式（6）所示。

（6）

為應(yīng)對小電流接地故障，設(shè)置多級保護(hù)判據(jù)，并整定相鄰開關(guān)間的時間極差。時間極差Δt的確定需要考慮多個因素，例如本級保護(hù)延時元件的超前誤差、下一級保護(hù)延時元件的滯后誤差、分段開關(guān)分閘時間及電壓恢復(fù)時間等[7]。在兩點(diǎn)接地故障的情況下，由于故障電流可能較小，對速動性有更高的要求，因此時間極差Δt應(yīng)相應(yīng)縮短。

根據(jù)系統(tǒng)特性和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗[8]，設(shè)定合適的時間極差范圍Δt lt;0.5s。確保當(dāng)兩點(diǎn)接地故障發(fā)生時，中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)能夠迅速定位并隔離故障區(qū)域，減少故障對中低壓配電網(wǎng)的影響。同時，為提高保護(hù)的可靠性和準(zhǔn)確性，還結(jié)合其他故障檢測手段，實(shí)現(xiàn)對兩點(diǎn)接地故障的處理。

4 實(shí)現(xiàn)小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)

多級保護(hù)策略在中低壓配電網(wǎng)中至關(guān)重要，通過設(shè)定各線路開關(guān)設(shè)備的保護(hù)動作時間形成時間級差，確保發(fā)生故障時精確有序地隔離故障區(qū)域。針對小電流接地故障，變電站系統(tǒng)巧妙地利用較長的動作延時，不僅提升故障處理的靈活性，而且更為多級開關(guān)間提供實(shí)現(xiàn)選擇性動作的可靠途徑[9]。不僅優(yōu)化故障處理流程，而且還提高配電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。多級保護(hù)配置如圖2所示。

圖2中，饋線分段由n個開關(guān)劃分，每段配置接地方向保護(hù)。根據(jù)開關(guān)位置設(shè)定保護(hù)動作時間，時間級差Δt設(shè)為0.5s，分段開關(guān)的保護(hù)動作時間如公式（7）所示。

Tn=T0+（n-1）Δt （7）

式中：T0為第n個開關(guān)的保護(hù)動作時間。

針對中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障，通過識別供電方向與暫態(tài)方向確認(rèn)故障點(diǎn)，結(jié)合保護(hù)延時和暫態(tài)無功算法，實(shí)現(xiàn)故障自愈，方法如下。

首先，通過測量配電網(wǎng)中的電流和電壓相位差，確定供電方向和暫態(tài)方向的變化，進(jìn)而識別故障點(diǎn)所在的大致位置。故障前后相位差的變化如公式（8）所示。

Δθ=θp-θ （8）

式中：θp和θ分別為故障后和故障前電壓和電流間的相位差。

θp和θ如公式（9）所示。

（9）

式中：∠（V，I）為電壓V和電流I間的相位差。

假設(shè)故障點(diǎn)位于第i個和第i+1個開關(guān)之間，計算故障發(fā)生前后該段線路上的暫態(tài)無功功率變化量ΔQ來確定故障點(diǎn)的位置。暫態(tài)無功功率變化量如公式（10）所示。

ΔQ=Qp-Q （10）

式中：Qp和Q分別為故障發(fā)生前后第i個開關(guān)所在段線路的暫態(tài)無功功率。

結(jié)合預(yù)先設(shè)定的保護(hù)延時時間Tn，當(dāng)ΔQ超過設(shè)定的閾值并且達(dá)到或超過Tn時，判斷該段線路存在小電流接地故障，并觸發(fā)相應(yīng)的故障隔離和保護(hù)動作。

5 試驗測試分析

5.1 試驗準(zhǔn)備

利用先進(jìn)的EMTP-ATP電力仿真軟件，構(gòu)建典型的10kV配電網(wǎng)模型，以模擬和分析不同接地方式下的配電網(wǎng)性能。該模型基于110kV/10kV變電站與饋線標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在搭建中變壓器的接線方式選用P/P0型結(jié)構(gòu)。通過控制開關(guān)G的狀態(tài)，靈活地切換中性點(diǎn)的接地方式。當(dāng)開關(guān)G斷開時，配電網(wǎng)處于中性點(diǎn)不接地狀態(tài)；而當(dāng)開關(guān)G閉合時，中性點(diǎn)則通過消弧線圈接地，為配電網(wǎng)提供額外的保護(hù)，配電網(wǎng)仿真模型如圖3所示。

在仿真模型中，設(shè)定H1至H5作為暫態(tài)無功功率的檢測點(diǎn)。出口斷路器G1處于合閘狀態(tài)，而G2處于分閘狀態(tài)。假設(shè)在h處發(fā)生故障，配電網(wǎng)架空線路參數(shù)見表1，設(shè)置變壓器參數(shù)見表2。

當(dāng)電壓相位初始設(shè)定為90°時，單相接地故障發(fā)生。此故障導(dǎo)致故障點(diǎn)的電壓和電流瞬態(tài)變化顯著。故障點(diǎn)的電壓和電流波形圖如圖4所示。

在配電網(wǎng)中進(jìn)行小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)場試驗，部署6臺饋線終端裝置。經(jīng)過精心處理現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，獲取故障位置的接地故障波形，如圖5所示。

5.2 試驗結(jié)果分析

由圖5可知，中低壓配電網(wǎng)的小電流接地故障經(jīng)暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)處理后，電壓從13.6kV降至4kV，電流從5.8A降至1.9A，明顯改善。該技術(shù)不依賴主站通信，能獨(dú)立可靠地檢測并隔離故障，體現(xiàn)其自主性和高效性。盡管配置保護(hù)延時整定值稍顯煩瑣，但是該技術(shù)顯著縮短故障查找時間，縮小停電范圍，尤其在復(fù)雜環(huán)境下優(yōu)勢顯著，為配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

6 結(jié)語

中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)，以其卓越的性能和獨(dú)特的優(yōu)勢，為配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。未來，隨著技術(shù)不斷完善和應(yīng)用推廣，中低壓配電網(wǎng)小電流接地故障暫態(tài)方向多級保護(hù)技術(shù)將在提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性、保證供電質(zhì)量方面發(fā)揮更重要的作用。

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