谐振接地电网单相接地故障选线的研究
2014-09-24王卫增
王卫增
摘要：在小电流接地系统单相接地选线中，为了进一步解决谐振接地电网的单相接地选线问题，以及现场应用中现有方法存在的选线不准确问题，通过对补偿电网零序测量电流分布进行详细分析，同时在小电流接地选线计算和判断中，融入消弧线圈补偿电流，提出了一种新的小电流接地选线算法，该算法通常情况下主要针对谐振接地电网，同时分析单相接地故障工频稳态量。EMTP仿真分析显示该算法具有较高的保护裕度。通过挂网运行试验，该方法选线准确性得到了证明。
关键词：单相接地小电流接地电网小电流接地选线故障
1 谐振接地电网零序测量电流的分布
当单相接地故障发生在谐振接地电网上时，其零序网如图1所示。在图1中，Ci、Gi、TA、Gw、L分别代表第i条线路的三相对地电容之和、第i条线路的三相对地有功损耗等值电导之和、线路电流互感器、消弧线圈的有功损耗等值电导与并(串)电阻的和、消弧线圈的补偿电感。
图1 零序网络图
1.1 非故障线路的零序测量电流
在电流方面，如图1所示，流经非故障线路零序电流TA为：I0i=U0(Gi+jwCi)。在阻尼率方面，架空线通常为(3～5)%，如果出现严重污染，或者出现受潮时其阻尼率可达10%。对于电缆来说，其阻尼率一般为(2～4)%，当绝缘严重老化时其阻尼率可达10%。在这种情况下，导纳角的范围在84.2°～88.9°之间，如图2所示。
1.2 故障线路的零序测量电流
流经故障线路零序电流TA如下式，如图1所示。
式中：电流下标 j分别取值0，1，2，3时，在这种情况下分别代表不补偿、欠补偿、全补偿和过补偿，如图2所示。
①欠补偿，即ωCi>，则脱谐度和电网各线路的对地电容电流的分布决定着I0kj，这时I0kj可能在第I或第Ⅲ象限。当ωCi->ωCk时，在这种情况下，I0kj位于第Ⅲ象限。在线路线较短或电缆架空线混合电网中发生单相接地故障。由于Gk很小，对于脱谐度来说，如果稍大点就能满足条件。②全补偿，即ωCi=时，在这种情况下I0kj位于第Ⅱ象限。③过补偿，即ωCi<时，在这种情况下I0kj位于第Ⅱ象限。
受零序电压的影响和制约，在对电网进行补偿的过程中，故障线路的零序电流I0kj随着消弧线圈补偿电流的增大，将沿着图2中的虚线从第Ⅲ象限逐渐移向第Ⅱ象限。虚线的斜率在一定程度上受消弧线圈的铜损等值电导的影响和制约。
1.3 消弧线圈补偿电流
通过对图1进行分析可知，消弧线圈的补偿电流可以用下面公式进行标示：I0N=U0(GN-j/ωL)
2 谐振接地电网单相接地选线
在谐振接地电网中，当发生单相接地故障时，如图2所示，在这种情况下，在一个非常宽松的范围内，故障线路的零序测量电流发生相应的波动，并且其波动的范围从第Ⅲ象限到第Ⅱ象限。对于非故障线路的零序测量电流来说，通过理论方面的分析可知，通常情况下主要是位于第Ⅰ象限，在非故障电流、故障线路的零序测量电流之间有着明显的分界线，对故障线路通过各线路的零序测量电流进行相应的判断，但是保护裕度比较小。对于零序电流互感器来说，其特点表现为非线性、非一致性，进而在一定程度上使得零序电流和电压的相位测量误差等在客观上普遍存在着，并且，在实际应用的过程中，对于故障线路难以进行准确的判断。
2.1 各线路零序测量电流与补偿电流的融合
2.1.1 非故障线路的融合电流
I′0ij=I0i+I0n=U0[Gi+GN+j（ωCi-1/ωL）]
①欠补偿，由上式可知，当I/wL>wCi，这时I′0ij就在第Ⅳ象限。自动跟踪补偿消弧线圈通常情况下在接近全补偿状态下运行，甚至手动调谐的固定补偿，也不会在过大的脱谐度状态下运行，在电网中，与某一单线路的对地电容电流相比，其补偿电流一般比较大，对于补偿电网来说，I/wL>wCi的条件总能满足。如图3，I′0k1所示。②全补偿，即=ωCi>ωCi，I′0ij在第Ⅳ象限，如图3，I′0k2所示。③过补偿，即>ωCi>ωCi，I′0ij在第Ⅳ象限，如图3，I′0k3所示。
2.1.2 故障线路的融合电流
[I0k=I0k+I0N=][][i=1，i≠k][Gi+j ωCi =I0k0][][i=1，i≠k][-U0][（ ）]
对于I0k来说，中性点不接地电网故障线路的零序测量电流I0k0恒在第Ⅲ象限，如图3所示。
2.2 谐振接地电网单相接地故障选线算法
2.2.1 各线路故障判断电流
①非故障线路。由于I′0ij在第Ⅳ象限，则必有I0ij在第Ⅳ象限(如图4所示)。I0kj=I′0ijej90°=U0[(1/ωL-ωCi)+j(Gi+GN)]。②故障线路。由于I0k在第Ⅲ象限，那么I0kk在第Ⅵ象限(如图4所示)。
[I0kk=I0kej90°=U0(ωCi-jGi)][][i=1
i≠k][][i=1
i≠k]
2.2.2 线路故障判断量
由各线路零序测量电流和本线路故障判断电流分别“点积”求得各线路故障判断量。
①非故障线路。Pi=I0ijI0i=I0ijI0icosφi，即Pi=i0i(j)i0ij(j)。式中，n代表一个工频周期的采样点数。对于I0i、I0ij来说，由于位于第Ⅰ象限，所以夹角<90°，Pi>0。② 故障线路 Pk=I0kjI0kk=I0kjI0kkcosφ，即PK=i0kj(j)i0kk(j)。I0kj主要是位于第Ⅱ象限，但是有些情况下位于第Ⅲ象限，出现这种现象主要是受补偿电网对脱谐度的影响。当I0jk靠近负实轴时，此时比较靠近第Ⅱ象限，当I0kk位于第Ⅳ象限时，这时与实轴非常靠近，在这种情况下，I0kjI0kk之间的夹角必然大于90°，并且接近180°，此时必有Pk 小于0。
实际电网在运行过程中，由于非故障线路零序测量电流I0i是故障线路零序测量电流I0k0的总和，所以故障
判断量Pk在符合方面需要与非故障判断量Pk相反，进
而在一定程度上可以保证该选线方法的保护裕度比较大。
3 仿真分析
按2.2节进行低阻接地和高阻接地，采用EMTP软件对有18条线路的10kV配电网的3种线路分别进行仿真。电网参数及仿真结果如表1所示。
①在保护裕度、保护灵敏度方面，中性点经消弧线圈并(串)电阻接地方式通常情况下与消弧线圈接地方式相比往往更高。②无论是保护裕度，还是保护灵敏度，对于全补偿来说这些都是最大的。欠补偿和过补偿在保护的灵敏度方面都会出现不同程度的降低。保护灵敏度受脱谐度的影响和制约，当脱谐度越高时，那么对应的保护灵敏度就越低，原因与①相同。③零序电压和电流的相位关系在该选线方法中没有涉及，在安装接地选线装置的过程中，零序电流与零序电压之间确定的相位关系可以不予以保证。通过“自检电路”可以验证零序电流互感器的安装是否同方向。④本选线方法在一定程度上使用了本线路测量零序电流和补偿电流的融合量，进一步对故障线路进行判断，但是没有与其它线路测量零序电流的相位进行比较。
4 结论
按照2.2公式进行编程，同时采用DSP板，分别制作4台试验样机，同时运行在2台6kV和2台10kV的电网上。该算法选线准确性高得到初步的运行证明，在灵敏度方面，对单相高阻接地故障比较高。在试验样机中，一方面采用了本文提出的算法，另一方面还采用了前1/10周波暂态分析法的算法，进而提高了对瞬时单相接地故障选线的准确性。
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