杨舍近， 李 军， 安东亮， 狄京元， 马心良， 李必伟

(1.国网河南省电力公司漯河供电局，河南 漯河462000； 2.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114; 3.长沙信长电力科技有限公司，长沙 410000)

0 引言

我国配电网中性点接地方式大致可分为不接地、消弧线圈接地、小电阻接地3种[1-2]。随着社会经济的发展，各接地方式都出现了不同程度的缺陷。例如小电阻接地方式存在高阻死区以及供电可靠性差[3]，弧线圈接地方式存在故障选线正确率不高，接地方式存在故障时不能可靠熄弧等问题。同样，配电网错综复杂的线路、配电网切换运行方式带来的扰动、线路所经过的地貌不同而导致的三相对地电容不对称等方面，给配电网故障选线带来的巨大的挑战。目前国内对不对称配电网接地故障选线做了大量的研究，文献[4]研究了不对称配电网不接地、消弧线圈接地方式下发生单相接地故障的零序电压轨迹，文献[5]研究了不对称系统发生弧光接地过电压的故障机理，文献[6]研究了利用两次戴维南变换研究了不对称电网的零序电流分布情况，文献[7]提取故障前后特征量，提出利用算法分析来解决不对称电网故障选线的问题。

本研究通过分析主流接地方式下的不对称配电网发生单相接地故障所出现的问题，提出利用中性点位移电压以及馈线零序电流突变量作为启动判据的动态接地方式。并在启动判据后，根据一定的延时，判别故障所发生的类型，动态切换中性点的接地方式，以实现电网所发生的不同故障的分类处理。并在漯河真型试验场验证了该方法对于不对称电网故障选线的准确性。

1 接地系统故障分析

1.1 系统运行参数分析

配电网三相馈线对地参数不对称是普遍存在的，因为架空线路每条馈线各相线均长短不一造成的馈线对地电容不对称，尽管可能电网总的不对称度近乎为0，但不代表各馈线上对地电容处于对称状态。架空线路电网的不对称度通常为0.5%～1.5%，严重时能达到5%，电缆线的不对称度相比架空线路小[8-15]。电网三相对地电容不对称是造成不平衡电流产生的主要原因之一。

不对称电网单相接地故障等效电路如图1所示。图中üA、üB、üC为三相电源电压；L为消弧线圈等效电感；gL为消弧线圈阻尼在内的中性点并联电导，可忽略不计；CAi、CBi、CCi为各线路三相对地分布电容；gAi、gBi、gCi为各线路三相对地分布电导，由于三相绝缘电力设备受污损情况近乎相同，可以认为gAi=gAi=gAi=g0i，Yi=jωCi+gi；Rf为过渡电阻。开关K闭合为中性点经消弧线圈接地系统。当电网未发生不完全接地故障前，各馈线对地电容不平衡电流为

(1)

图1 不对称电网单相接地故障等效电路Fig.1 Equivalent circuit of single-phase grounding fault in asymmetric power grid

(2)

(3)

从式(2)、式(3)可看出，在脱谐度的影响下，中性点经消弧线圈接地系统不对称电压要大于中性点不接地不对称电压。结合式(1)可知，不平衡电流在中性点经消弧线圈接地时会产生类似谐振的效应，脱谐度会改变不平衡电流大小和方向，当电网趋近于全补偿时，不平衡电流会产生激增远大于中性点不接地时的不平衡电流。

1.2 不接地系统故障特征分析

(4)

(5)

可得系统中非故障线路零序电流为

(6)

故障线路零序电流为

(7)

1.2.1 对地电容不平衡电流

故障馈线对地电容不平衡电流：

(8)

非故障馈线对地电容不平衡电流：

(9)

由式(8)(9)可以看出，各馈线对地电容不平衡电流大小方向取决于不对称电压和线路不对称因子，由于各馈线对地电容不对称因子的大小和方向存在随机性，故各馈线对地电容不平衡电流分布不存在规律性。对地电容不平衡电流分布如图2所示。

图2 对地电容不平衡电流分布图Fig.2 Unbalanced current distribution of capacitance to ground

1.2.2 平衡电流

故障馈线平衡电流：

(10)

非故障馈线平衡电流：

(11)

图3 中性点不接地系统平衡电流分布图Fig.3 Balance current distribution diagram of neutral point ungrounded system

1.3 消弧线圈接地系统故障特征分析

中性点经消弧线圈接地系统发生不完全接地故障后中性点位移电压：

(12)

非故障线路零序电流为

(13)

故障线路零序电流为

(14)

2 动态接地方式研究

2.1 原理介绍

中性点动态接地方式将消弧线圈和电阻接地方式的优点结合在一个系统中，不仅保留消弧线圈接地方式自动消除瞬时性单相接地故障、供电可靠性高的优点，还集成了电阻接地方式过电压水平较低、能快速切除故障的优点。其基本结构图如图4所示。

图4 动态接地方式基本结构图Fig.4 Basic structure diagram of dynamic grounding method

图4上半部分通过接地变压器与变电站母线相连，用于引出系统中性点，下半部分为接入接地变压器二次的测量支路、消弧线圈支路、电阻支路；测量支路为一个中性点电压的互感器TV；消弧线圈支路由开关QFD、消弧线圈L、阻尼电阻RZ及电流互感器TA组成，QFD为消弧线圈支路的投切开关；电阻支路为中性点电阻与电阻投切开关QFR组成。通过在不同时间投切不同的开关，就能实现中性点经消弧线圈接地方式和电阻接地方式地动态切换。中性点动态接地方式的工作原理如下。

1)方式首先工作在中性点经消弧线圈接地方式，此时QFD开关闭合，QFR开关断开；若系统平衡，测量支路中性点电压互感器数值近似为0，若系统不平衡，系统虽然中性点电压，但是数值不会突变很大，不会启动故障处理流程。此时装置处于监控状态，实时测量中性点电压，正常运行时，系统一直处于消弧线圈接地方式下。

2)当装置检测到系统发生单相接地故障后，此时中性点电压和故障线路的零序电流会产生数值较大突变，此时装置启动故障处理流程，首先依然工作在消弧线圈接地方式下，利用消弧线圈提供的感性电流对故障点电流进行补偿，以促进熄弧。延时Δt1对故障点电流持续补偿，如为瞬时性接地故障，电弧自熄绝缘恢复。中性点电压亦复归，装置复归，系统正常运行，装置继续处于监控状态。

3)如为永久性接地故障，即工作消弧线圈补偿Δt1后，测量支路测量中性点电压大于设定阈值UK。考虑到消弧线圈接地方式存在故障选线困难，将电阻支路开关QFR闭合，延时Δt2时间之后，断开消弧线圈支路开关QFD，此时系统处于电阻接地方式下，故障馈线与非故障馈线的零序电流存在明显数值上的差异，利用可靠的零序电流群体比幅法即可选出故障馈线。

4)利用零序电流群体比幅法选出故障馈线后，发出跳闸命令并报警。命令发出后依然退会至消弧线圈接地方式下，接地方式恢复到初始的工作模式，继续测量电网的运行状态。系统工作在电阻接地方式下，时间短仅仅投入电阻进行快速选线，不会对系统造成影响。程序设置有严格开关状态检测，可自动或手动复位开关，出错会进行报警，保证系统的安全稳定运行。

2.2 熄弧时间确定

由于动态接地方式最初的接地方式为消弧线圈接地，而采用消弧线圈接地系统一般采用过补偿，其补偿度一般不超过10%。所以消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，经过故障点的故障电流一般小于10 A。中国电科院曾进行了10 kV消弧线圈接地系统的自熄弧试验，模拟故障点单相接地故障电流为5-30 A的燃弧弧时间及熄弧概率，如表1、2所示。

表1 消弧线圈系统不同故障电流的燃弧时间Table 1 The arcing time of the arc suppression coil system with different fault currents

表2 单相接地故障电弧自熄弧概率Table 2 Single-phase ground fault arc self-extinguishing probability

试验结果表明：消弧线圈接地方式下，当下单相接地故障点电流小于10 A时，自熄弧概率为100%，且瞬时性故障燃弧时间小于1 s。因此故障延时时间可整定为1 s，若故障出现时间仍大于整定值，可判断所出现的故障为永久性单相接地故障，经动态切换接地方式后，检测并切除发生故障的馈线。

3 试验验证

3.1 试验条件

为验证动态接地方式对于不对称配电网发生单相接地故障的检测能力，在漯河真型试验场进行了相关试验。该试验场利用集中参数代替分布参数真实模拟运行的10 kV配电网，馈线上配有对地电容器、电抗器，可调整路线上电容器、电抗器的参数，实现系统的各种不对称情况；中性点经接地变引出后可接入不同的接地方式。该真值模拟网结构及现场试验如图5、6所示，

图5 真型试验场结构拓扑图Fig.5 Topological diagram of the real test field structure

图6 现场试验照片Fig.6 Photos of field test

3.2 试验结果

针对于消弧线圈系统在不对称配电网故障选线难的问题，在漯河真型试验场验证了动态接地方式在不对称情况下，发生永久性单相接地故障试验。试验进行了故障为金属性、1 000 Ω、2 000 Ω、3 000 Ω、3 500 Ω的单相接地故障，数据如表3所示。

表3 动态接地方式永久性故障试验数据Table 3 Permanent fault test data of dynamic grounding method

分析表3中数据可知，当动态接地方式为消弧线圈接地方式时，故障线路零序电流不为最大值，无法利用零序电流比幅法选出故障线路；当动态切换为电阻接地方式时，故障线路零序电流增大，非故障线路在高阻接地时线路零序电流减小，且故障线路零序电流幅值最大，可利用零序电流比幅法正确选出故障线路。试验验证证明动态接地方式在电网不对称情况下，故障电阻为3 500 Ω时仍能准确选出故障线路。图7为故障点电阻为1 000、2 000 Ω时线路零序电流波形

图7 故障点电阻为1 000、2 000 Ω时各馈线零序电流波形Fig.7 The zero sequence current waveform of each feeder when the fault point resistance is 1 000, 2 000 Ω

4 结论

通过理论分析及试验得出以下结论：

1)在配电网不对称情况下，消弧线圈接地系统、不接地系统发生单相接地故障时，各线路零序电流存在平衡分量以及不平衡分量；特别是消弧线圈接地系统发生故障时，故障线路平衡电流是由非故障线路平衡电流及对称电压激励下消弧线圈产生的感性电流组成，方向取决于对称电压激励下消弧线圈产生的感性电流的大小。

2)将中性点位移电压、馈线零序电流作为判断故障发生的选线判据，并根据消弧线圈补偿后残余电流熄弧时间作为切换接地方式的延时整定，排除系统运行方式改变、消弧线圈调谐、瞬时性故障等因素的带来的干扰。

3)在漯河真型试验场进行了中性点经动态接地试验，试验验证表明，动态接地方式故障电阻识别效果能达到3 500 Ω，能有效解决消弧线圈接地系统在不对称情况下故障选线的难题。