逄宗海，苏汉

(保定供电公司，河北 保定 071051)

1 引言

小电流接地系统即中性点非直接接地系统，它包括中性点不接地系统、经消弧线圈接地系统(也称谐振接地系统)和经高阻接地系统［1，2］。在我国 6～10kV中低压配电网系统一般采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地系统［3］。在配电网系统中，单相接地故障率最高，约占配电网故障的80%以上［4］。自20世纪80年代中期微机型选线投入运行以来，各厂家相继提出了很多选线原理［5］，并研制出基于这些选线原理的多种产品。其主要算法有:基于稳态量的零序电流比幅法、零序电流方向法、五次谐波法、零序电流有功分量法［6］、负序电流法［7］和注入信号法［8］，和基于暂态量［9］的互积求和法、电流差值比较法，以及基于神经网络［10］、粗糙集［11］和模糊理论［12］的信息融合技术法。其中基于现代信息融合技术选线法是研究热点和发展趋势，准确动作率高。但是无论采用哪种融合技术，均涉及到准确鉴别零序电流和零序电压相位问题。本文从电路设计角度，深入分析鉴相电路的每一个环节，提高鉴相精度，提高选线准确动作率。

2 单相接地故障特征

小电流接地系统发生单相接地故障时，其零序等效网络如图1所示。以A相接地为例，Rg为接地点过渡电阻，K1、K2为中性点接地方式模拟开关，在分析中性点不接地网络时，K1、K2都断开;在分析中性点经消弧线圈接地网络时，K1闭合，K2断开，消弧线圈阻抗ZL=RL+jXL，RL为消弧线圈回路电阻，XL为消弧线圈感抗;分析中性点经高阻接地时，K1断开，K2闭合，RN为中性点接地电阻。母线零序电压为U0。

图1 中性点非有效接地系统零序等效网络

各种中性点接地方式下单相接地故障零序电压、电流矢量图如图2所示。

图2 单相接地故障零序矢量图

根据图2中各种情况下的矢量图，以母线零序电压U0方向为参考方向，将所有馈线的基波零序电流顺时钟旋转90°。上述三种系统的非故障馈线的零序电流方向法均与零序电压方向重合。中心点不接地系统零序电流与零序电压夹角为180°，对中性点经消弧线圈接地系统或中性点经电阻接地系统处于(0°，180°)。因此电路设计最苛刻的要求就是必须能将180°与0°区分开，这将是本文的重点。

3 鉴相电路设计

3.1 鉴相电路组成

从PT开口三角处取得零序电压U0，由每条馈线的零序CT获得其零序电流I0。考虑最为恶劣的情况，即零序电流顺时针旋转90°后，故障支路零序电流与零序电压方向相反，而非故障支路零序电流与零序电压同相位;鉴相电路包括多个信号处理模块，流程图如图3所示。

图3 鉴相电路模块组成

零序电压信号通过带通滤波器，滤波器中心频率为50Hz，滤除高频谐波和直流分量。经过过零比较器将正弦波转换为矩形波，对矩形波积分得到锯齿波。锯齿波经过整形，还原为矩形波，但相位发生变化，相位变化与积分电路参数紧密相关。对改变相位后的矩形波进行微分运算，形成尖峰脉冲。零序电流信号通过带通滤波器，将零序电流基波分量放大后，经过过零比较器将正弦波形转换为矩形波。线与模块是鉴相关键一步，将零序电压尖峰脉冲与零序电流矩形波做逻辑与运算，如图4所示。虚线矩形波为零序电流，尖峰脉冲为零序电压处理后的波形，Po2为上述两个信号线与结果，即零序电流为高电平时，其间的零序电压尖峰脉冲被保留。

图4 乘法器

3.2 积分常数的确定

积分常数τ决定零序电压相移大小，相移过大会导致中性点经消弧线圈接地系统，过小会导致中性点不接地系统单相接地故障无法识别。中性点经消弧线圈接地系统如果工作在欠补偿工况下，则故障时零序电压与零序电流夹角位于第三象限，与中性点经高阻接地系统特征相同，不存在识别错误。但实际中中性点经消弧线圈接地系统一般采用过补偿方式，这样故障时零序电压与零序电流夹角位于第二象限。这时如零序电压相移过大，则U0与I0重合或者零序电流超前，导致误判。如果电压相移过小，则在中性点不接地系统中脉冲过窄，导致无法识别脉冲。

根据过补偿5% ～10%的要求，同时保证CPU能识别出窄脉冲，仿真计算得到相移在(5°，20°)范围内，不会发生误判。即必须满足下式:

根据式(1)可以确定积分常数τ。

方波的积分电路原理如图5所示。

图5 方波积分电路

根据t的取值范围得到积分常数的取值范围为(0.282，1.002)，再根据τ就能很容易的设计出合适的微分电路。

3.3 各种系统单相接地故障的识别结果分析

根据式(4)选定τ=0.3，得到三个小电流接地系统的识别结果如图6所示。

图6 单相接地故障识别结果

①和②波形分别为中性点不接地和中性点经高阻接地系统发生单相故障时零序电流矩形波;③波形为中性点经消弧线圈接地系统发生单相故障时零序电流矩形波形。④波形为非故障馈线零序电流矩形波，零序电流与零序电压同相;从图中可以看出中性点不接地和中性点经高阻接地系统发生单相接地故障均能较好的识别，由于选择的微分常数接近临界值，所以出现过窄脉冲，但是经过试验发现仍不影响故障识别。

4 结束语

本文分析了我国目前小电流接地系统发生单相故障时的故障特征，指出了鉴相电路在故障信息提取时的重要作用。重点介绍了鉴相电路的组成，根据系统运行要求，计算得出微分电路的微分常数取值范围，对电路设计起到了指导作用，提高了故障识别的准确率。同时若提高系统处理器的采样速率，能采样到更窄的脉冲，系统将会更加稳健。

［1］李福寿.中性点非有效接地电网的运行［M］.水利电力出版社，1993.

［2］要唤年，曹梅月.电力系统谐振接地［M］，北京:中国电力出版社，2000.

［3］许颖.3～66kV电网中性点接地方式的几个问题［J］.供用电，2005，22(6):4 －7.

［4］贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理［M］.中国电力出版社，2007.

［5］张宏艳，张承学，熊睿.国内外几种先进的小电流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较［J］.电力建设，2005，26(11):41 －44.

［6］牟龙华.零序电流有功分量方向接地选线保护原理［J］.电网技术，1999，23(9):60 －62.

［7］曾祥君，尹项根，张哲，等.配电网接地故障负序电流分布及接地保护原理研究［J］.中国电机工程学报，2001，21(6):84 －89.

［8］桑在中，张慧芬，潘贞存.用注入法实现小电流接地系统单相接地选线保护［J］.电力系统自动化，1996，20(2):11 －12.

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