王 亮，李 瑞，冯俊杰

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030032）

中性点间接接地电网的故障线路选定研究

王 亮1，李 瑞1，冯俊杰2

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030032）

中性点间接接地方式普遍应用于我国配电网系统中，该方式线路当发生单相接地短路时，线路断路器不会立即跳闸，电网运行可靠性得到提高，但故障如果长期存在，将严重劣化线路的绝缘性能。在理论分析的基础上，研究了中性点间接接地电网在一相短路故障时，产生的零序高频电流，通过电磁暂态仿真软件搭建模型进行了仿真观察。研究得出：中性点间接接地电网发生线路一相短路故障时，故障线路的零序高频电流的起始半波幅值远高于正常运行线路，并且二者相位相反。最后提出一种故障信号处理方法，提高了故障线路选定的准确性。

间接接地；零序高频电流；故障线路查找

0 引言

我国中低压配电网的中性点广泛采用间接接地方式，分为不接地和电抗线圈接地两种。当线路发生一相短路故障后，由于电流回路近似开路，故障处的短路电流也就很小，因此允许线路在故障情况下短期继续运行，继电保护装置无须即刻动作跳闸。这样确保了电网的持续供电；但同时故障处另外两相的相电压将增大，可能会劣化和损坏线路的绝缘子串，导致事故扩大[1，2]。因此要及时查找和隔离故障线路。

研究表明：间接接地电网发生一相短路故障时，会产生丰富的零序高频电流。可否利用瞬态过程中的特点实现故障线路查找，是近年来正在研究的课题[3-5]。

1 间接接地电网瞬态过程的理论分析

中性点通过电抗线圈接地电网发生一相短路故障时，根据楞次定律，电抗线圈中的电流不能突变。因此故障瞬间电抗线圈中的高频电流几乎可以忽略，其瞬态过程和中性点不接地电网差别很小[3]。可利用图1中的等值电路分析间接接地电网瞬态过程。

图1 间接接地电网一相短路故障高频电流的等值电路

图1 中为零序电源电压，L为电源、三相线路和变压器等在零序回路中的等值电感，C为线路的三相对地电容。R为零序回路中的等值电阻，即接地电流路径的总电阻值。L0为电抗线圈电感。

忽略电抗线圈后，等值回路简化为u(t)突然接通到R、L、C的串联回路。对于架空线路，由于电流会迅速衰减。根据等值电路，列出方程如下

式（1）中uC为电容电压。

此微分方程的根为

式 （3） 中 Um是稳定状态下的电压幅值，

求解微分方程，得到障发生在电源电压瞬时值为最大值） 时，sinω0t= 1，求得瞬态过程中起始半波的最大值为

可以看出，零序高频电流的起始半波幅值与稳态电容电流的比值近似于ω0与ω之比，其比值可能达到数倍。通过分析得出以下结论。

a)在故障起始的瞬态过程中，零序高频电流的幅值和频率特性主要由高频电容电流的特性所决定，电抗线圈的影响可以忽略。

b)不论中性点不接地电网还是中性点通过电抗线圈接地电网，当一相短路故障发生后，零序高频电流在接地故障发生后的起始半波时刻达到最大，其数值达到稳态电容电流的数倍。

c)零序高频电流的大小同故障时刻电源相位有关，当故障发生在故障相的相电压接近于最大值时，零序高频电流幅值最大。

上述过程从理论计算上验证了间接接地电网发生一相短路故障时，故障线路会产生丰富的零序高频电流，而且不受中性点接地方式的影响。下面将通过仿真计算来进一步验证利用零序高频电流进行故障线路查找的可行性。

2 间接接地电网故障仿真

2.1 模型搭建

采用电磁暂态仿真软件PSCAD（power system computer aided design） 对间接接地电网进行了建模与仿真。模型中电源采用无限大电源，主变压器变比为110 kV/10 kV，联结组别为Y/Y0；Y0侧有中性点不接地和中性点通过电抗线圈接地两种接地方式。10 kV侧有5条出线。线路模型采用基于分布参数的bergeron线路模型，线路参数见表1，线路长度见表2。

表1 线路参数

表2 仿真线路长度

该系统中，发生一相短路故障时总的稳态对地电容电流为

式（5）中k为所有线路的总长度。当电抗线圈按过补偿10%整定方式时，电抗线圈电感大小为L=0.634 H。最终在PSCAD软件中搭建模型见图2。

图2 PSCAD仿真模型

当开关B断开时为中性点不接地电网，当开关B闭合时为中性点通过电抗线圈接地电网。在线路F1首端设置了单相短路故障。

2.2 故障仿真分析

2.2.1 B为断开状态

线路F1发生一相短路故障，故障相为L1相，故障时刻为0.015 s（L1相电压达到最大值），发生接地故障，仿真得到故障线路和正常运行线路的零序电流的波形图见图3。

图3 中性点不接地电网仿真波形（t=0.015 s）

由图3可见，当一相短路故障发生在故障相电压为最大值时，故障线路和正常运行线路在故障起始时都有幅值非常高的瞬态高频信号，高频分量在大约一个周波20 ms后迅速衰减为零，只剩稳态分量。故障线路的零序高频电流幅值达到正常运行线路的2倍，并且故障线路故障初始时刻的起始半波的相位为正，运行线路为负，即二者相位相反。另外二者稳态工频分量的相位也相反。

2.2.2 B为闭合状态

故障设置同2.2.1，得到故障线路零序测量电流、正常运行线路的零序电流，见图4。

图4 中性点通过电抗线圈接地仿真图（t=0.015 s）

可以看出，中性点通过电抗线圈接地电网，当在故障相电压最大值时刻发生一相短路故障时，它的瞬态过程与中性点不接地电网基本一致，二者瞬态过程的起始半波相位相反，幅值相差约一倍。但稳态工频分量具有相同的相位，即通过零序稳态分量无法区分出故障线路。

2.2.3 B为断开状态

除了故障起始时间为0.02 s（L1相电压过零值时刻），其他设置如2.2.1，仿真得到的波形图见图5。

由图5可见，如果一相短路故障发生在故障相电压过零值时刻，故障线路和正常运行线路的零序电流的高频分量都很小，信号准确度也就无法保证。此时无法从零序高频波形中区分出故障线路。

图5 中性点不接地电网仿真波形（t=0.02 s）

2.3 数据处理

从2.2节看到，故障线路的零序高频电流幅值约为运行线路的2倍以上，由于二者数量级差别不是特别大，存在误判的可能。而且实际运行工况中，可能会发生线路一相经高阻接地，接地电阻进一步削弱了零序高频电流的幅值，降低了故障判定和故障线路查找的准确度。

对线路的零序高频电流数据进行处理，用以扩大故障线路零序高频电流与运行线路的数据差别[5]：由于零序高频电流的最高频率小于3 kHz[1]，可设置采样频率为10 kHz，有裕度地满足采样定律。设采样时间为0.03 s，确保能提取到完整的高频信号。对5条线路的零序电流分别进行采样处理，得到5条线路的零序高频电流离散数值i1(t)～i5(t)。令第 m条线路的 im（t） 与除去 im（t） 以外的i1(t)～i5(t)分别做乘积运算，并求平方后使得数据为正，然后对0.03 s时间内的该数据求积分，求和后得到第m条线路的变量Im

利用式（6）求解2.2.1节和2.2.2的每条线路的Im数值，见表3和表4。可以看到故障线路F1的I1数值是正常运行线路I2～I5的约10倍，因此通过Im值可以简易并准确地区分故障线路和正常运行线路。

表3 B为断开状态下的Im数值

表4 B为闭合状态下的Im数值

3 结束语

中性点间接接地电网单相短路故障线路查找问题一直是继电保护的一个重要研究课题。基于零序高频电流的起始半波相位比较法，通过比较判定所有出线中与其他线路的零序高频电流起始半波相位均相反的线路作为故障线路，并且故障线路的零序高频电流幅值明显高于正常运行线路。最后提出一种数据处理方法，增加了故障线路查找的准确性。

[1] 张保会，尹项根.电力系统继电保护 [M].北京：中国电力出版社，2005：55-60.

[2] 李雅洁，孟晓丽，宋晓辉.基于最优FIR滤波器与层次聚类的配电网单相接地故障选线方法 [J].电网技术，2015，39 (1)：143-149.

[3] 刘谋海，方涛，姜运.基于暂态主频分量相关性分析的故障选线方法 [J].电力系统保护与控制，2016，44(2)：74-78.

[4] 程传玲.基于小波分析的小电流接地系统单相接地故障选线及暂态分量的提取 [D].福州大学，2003：66.

[5] 李辉，唐轶，孙常青.基于综合选线策略的小电流单相接地故障选线装置 [J].工矿自动化，2012（4）：34-38.

Faulty Line Shooting of Neutral Indirect Grounding Power System

WANG Liang1,LI Rui1,FENG Junjie2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China; 2.State Grid Maintenance Company of SEPC,Taiyuan,Shanxi030032,China）

The mode of neutral indirect grounding is extensively applied inpower distribution networks.When single-phase grounding short-circuit occurs,circuit breaker of the faulty line will not trip promptly under this mode so that it improves the reliability of power grid operation.However,if the fault exists for long time,insulation performance of lines will be deteriorated.Based on theoretical analysis,the paper studied the features of transient zero sequence high-frequency current when single-phase grounding fault occurs.In addition,simulation was established through the software of PSCAD as a result of validation.The researches showthat comparing with the non-faulty line,the amplitude of initial half-wave of transient zero sequence current of the faulty line is much higher,and the phase is reverse.Amethod ofdata processingoffault information was provided,which could improve the accuracyoffaultyline shooting.

indirect grounding;zerosequence high-frequencycurrent;faultyline shooting

TM862

A

1671-0320（2017）04-0020-04

2017-02-07，

2017-04-10

王 亮（1989），男，山西吕梁人，2014年毕业于华北电力大学高电压与绝缘技术专业，硕士，工程师，从事电力系统继电保护试验与研究工作；

李 瑞（1981），男，山西临汾人，2012年毕业于太原理工大学机械设计及理论专业，博士，高级工程师，从事电力系统继电保护试验与研究工作；

冯俊杰（1986），男，山西吕梁人，2008年毕业于中国矿业大学热能与动力工程专业，助理工程师，从事电力系统运行维护工作。