李季葛

（南京磐能电力科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

对于国内35 kV 及以下变电站，中性点接地常规方式为经消弧线圈接地或者中性点不接地，无论何种方式，发生单相接地故障时，由于消弧线圈影响或接地电阻较大，零序电流值比较小，产生的电弧稳定性差，导致采用传统的稳态故障选线方法不佳，对故障线路的选线存在较大难度。据有关统计，线路发生小电流接地故障占比80%，虽然发生单相接地故障时，系统仍能正常带负荷，但是不及时处理接地故障线路，单相故障会有进一步发展成为相间故障的隐患，扩大变电站停电范围[1]。

本文通过分析接地故障时线路中的零序网络特征，结合接地故障时分布电容暂态特性，提出了暂态零序功率方向选线方法的基本原理及使用方法，通过分析故障时的零序暂态分量，进而准确、快速的定位故障线路，以达到减小故障范围的基本要求。

1 小电流接地故障暂态特征

1.1 零序分量暂态形成过程

对于中性点不接地系统，采用暂态过程对单相接地故障进行分析时，可以知道许多故障特征。通常发生接地故障情况下，电流的暂态数值要较稳态数值大很多，数值可以达到稳态数值的几倍或者几十倍。在进行暂态分析时，发生接地故障相的电压会降低，由于线路与大地间存在分布电容，发生接地故障时，会产生放电现象。而此时，无故障相的电压会升高，会对存在的分布电容产生充电效应。线路发生接地故障与大地形成放电路径，而非故障相与大地经电源形成充电路径，最终导致充电周期比放电周期长[2]。

1.2 暂态零序电流计算

本文利用Karenbaue 变换模型对小电流接地故障进行分析，如图1 所示。图中分析的是当A 相出现短路故障的故障。图中下标为1 的数值表示的是两相导体之间形成的正序分量，图中下标为2 的数值表示的是两相导体之间形成的负序分量，下标为0 的模量表示的是三相导体和大体形成的零模分量，在中性点不接地系统中，零模网络的电源系统是开路系统。

图1 单相接地故障分量等效网络

对于感抗较大近似于开路的系统，线路中的电感和电阻由于对零模计算的影响较小，可以忽略，所以只对线路中电容进行计算，从而形成了等效网络简化模型，如图2 所示。

图2 等效网络简化模型

在简化模型中，iL、iO、iC、UO分别为线路电感电流、线路零序电流、线路零序电容电流、线路零序电压，Uk为虚拟电源在故障点处的压降。RZ为线路三相电阻值之和，线路电感LZ的大小为两个线模电感相加，LK表示的是采用消弧线圈接地情况下的消弧线圈电感值。

在线路接地电阻数值很小时，零模电容充电的时间很短，在这种情况下可以将消弧线圈的电感值等效为零。而发生接地故障的时候，绝大多数的情况下电压都处在最大值的情况，根据暂态电流的特点，可以将暂态零序电流的值表示成如下公式的形式：

其中，IC、ω0、δ分别为稳态下零序电容电流幅值、非故障相本身串联谐振频率、自由分流衰减系数。

从式（1）中可以知道，零序电流随着时间周期性变化，当时间为谐振周期的1/4 时，此时的暂态零序电流处在峰值即最大值。相较于稳态，暂态时的零序电流大好几倍。通过采集暂态时的零序电流电压值，分析故障时的那个周期与前一个周期电压电流值的变化量，能高效选出故障线路。如果线路发生高阻接地故障时，加上消弧线圈灭弧影响，零序暂态分量会发生很大衰减，传统稳态量判据并不能有效选出故障线路，充分利用故障时那个周波量作为暂态判据，可解决此问题。

通过分析可以看出，在暂态电路中，零序电流可以分解成多个正弦信号的叠加，并且这些正弦信号按照指数衰减。从方向上比较，故障线路中的容性电流通过线路流向母线，而非故障相电流从母线流向线路，从数值上比较，故障线路的零序电压电流幅值比非故障线路的大很多，结合这些特征，通过滤波采集到有效工频内的零序电压、零序电流即可进行选线判断[3]。

2 暂态零序功率方向原理

结合单相接地故障的暂态特征，知道零序电流与电压具有图3 中的向量关系。图3 中，Ih表示的是流过消弧线圈的电流值；3I1-1表示的是发生接地故障的线路中的零序电流值；3I1-2表示的是没有发生故障的线路中的零序电流值。

图3 零序电流与零序电压相量关系图

根据向量图中的零序电流与零序电压的关系可以分析出，在中性点不接地系统中，故障线路与非故障线路的零序功率的无功分量在数值上要大于并且方向上相反。在中性点不接地系统中，零序功率方向选线就是利用此原理进行的。当在正方向出现线路故障时，零序功率的无功分量Q＞0；当反方向发生故障时，零序功率无功分量Q＜0。无功功率分量可以用如下公式计算：

其中，U0、I0分别表示的是零序电压有效值以及零序电流有效值，φ表示的是故障线路中零序电压与零序电流的相位差。发生故障的线路，零序电压滞后于零序电流一定角度，φ值为负值，Q小于0；而非故障线路，零序电压超前于零序电流一定角度，φ值为正值，Q大于0。

3 零序功率方向选线方法特点分析

3.1 零序功率方向选线方法优势

在中性点不接地系统中利用零序功率方向选线方法进行故障线路判断，可以不受消弧线圈和间歇性电弧的影响。因为暂态过程中的特征分量主要是谐波分量，充分利用暂态信号中的无功分量，即使故障发生在电压过零点附近的情况，暂态过程仍然非常明显，因此对故障判断的初相角几乎没有影响。

利用零序功率方向选线方法进行故障判断，有效地解决了发生间歇性接地故障的判断问题。当线路上发生弧光接地或者间歇性接地故障时，暂态时的零序电压电流量变化很大，通过计算暂态时的数据，使故障的检测保证了非常高的可靠性[4]。

3.2 零序功率方向选线方法劣势

3.2.1 小电流接地系统中有可能误判

在小电流接地系统中，由于发生单相接地故障的时候零序电流非常小，为了保证零序电流整定值的灵敏性，在对其整定的过程也设定比较小的整定电流值。当系统发生三相负荷不平衡的状况时，系统中会出现一定的零序电流和零序电压，如果零序电流整定值太小，就会发生保护系统误动作现象。例如，在电弧炉负荷系统中，由于系统三相负载不平衡，系统中就有很大概率产生零序电流和零序电压，实际测量时零序电压值可以达到20 V 左右，在这种情况下，利用功率方向选线就需要将故障动作零序电压值适当调高，但是同时需要保持零序电流保护值，避免灵敏度降低[5]。

3.2.2 外部电磁干扰有可能引起误判

当一次回路控制电缆出线接地不良或者线路屏蔽不佳的情况发生时，在设备周围就会发生交流电源的电磁干扰现象，导致零序电流回路产生感应电流。经过整定后的零序电流同样很小，这样就导致了对于存在感应电流的线路会导致系统发生动作。如果系统中其他回路发生接地故障，零序电压判断就可能无法判断故障发生动作。

4 结论

小电流接地故障电流微弱、电弧不稳定一直是供电部门检测的难题。故障电流中暂态分量远大于稳态分量，充分利用故障时的暂态分量，并结合中性点不接地系统及消弧线圈接地系统零序电流暂态特性：故障线路零序容性电流通过线路流向母线，而非故障线路零序容性电流通过母线流向线路；在零序电容电流值上故障线路也远大于非故障线路，提出了中性点不接地系统暂态零序功率方向选线方法。利用此种选线方法可靠性、灵敏度均较高。