基于五次谐波的选择性漏电保护研究

涂 建，黄贞辉 (.湖北师范学院 机电与控制工程学院，湖北 黄石 43500;.上海理工大学，上海 00093)

0 引言

对于中性点经消弧线圈接地的电网，由于消弧线圈的补偿作用，故障支路的单相接地故障电流可能比非故障支路还小，并且其方向随着补偿状态的变化而变化[1]，因此，已有的零序电流型、零序功率方向型已不能满足选择性要求。鉴于接地方式的不同，适应其选择性要求的漏电保护方式也相应的不同，因此，为了能够同时适应各种不同的中性点接地方式电网的选择性要求，有必要使用新方法，应用新技术，提出一种能适用于各种不同接地方式的准确度较高的高压电网选择性漏电保护新方案。而基于五次谐波的选择性漏电保护方案能同时满足以上要求[2]，由相关参考文献知传统基于谐波方向型的选择性漏电保护的准确度较低。因此，本论文就是在研究中性点经消弧线圈接地方式电网的基础上为以前传统的基于谐波方向型的选择性漏电保护研究提供新的研究依据。

1 中性点经消弧线圈接地方式研究

中性点经消弧线圈接地方式是高压电网中最常见的一种运行方式，中性点经消弧线圈接地电网漏电电流分布特点如下图1所示[3]。

当三相电路对称没有故障现象时，中性点不会流过电压，流过的电感电流也为零。当其中某一相发生单相接地故障时，中性点就会重新出现零序电压，这样就会有不同大小的感性电流流入大地。

同理可得，其它线路流入大地的电容电流，这样就可以算出流经过渡电阻的电流大小为：

图1 中性点经消弧线圈接地电网漏电电流分布特点

2 五次谐波特性研究

谐波是高压电网中不可避免的成份，在电网发生各种不同类型的接地故障后，电网中的零序电压和零序电流成分就会表现为有谐波成份，而各次谐波在大小和相位关系上仍具有工频成分的特点。由于五次谐波不受变压器接线组别的影响，且谐波中五次谐波含量相对来说含量较大，所以本论文采取五次谐波作为选线的依据。

电网中含有不同成分的高次谐波,主要是由于一些非线性负载的存在，致使在发电机绕组中感应出的电动势不可能是规则的正弦波，此外，变压器的铁心属同样属于非线性电感元件，即使加在线圈两端的电压是正弦波，变压器的励磁电流中也包含高次谐波分量。这些各次次谐波电流流经电机绕组和线路阻抗，就产生了各次谐波电压。

通过故障支路五次谐波电感电流

由上面两式得

上式表明，五次谐波的电容电流大约是电感电流的23倍，可见，五次谐波成分没有完全被补偿[4～5]。

因此可以利用零序电流和零序电压中的五次谐波信号的分布特点来实现选择性,有分析可知此方法不受中性点接地方式的影响，即构成了基于五次谐波方向型的选择性漏电保护。

3 基于五次谐波的选择性漏电保护方案确定

3.1 方案的确定

由前述的五次谐波特点可知，零序电压和零序电流中的五次谐波相位稳定性较好，其幅度的稳定性则较差，因此，仅仅采取五次谐波的幅值作为判断高压电网哪条线路或母线发生故障不太准确。

因此可以采取零序电压中的基波成分来启动漏电保护。因为零序电流的五次谐波的幅值发生接地故障时表现为很大的幅值，其方向与正常的零序电流的五次谐波方向刚好相反。因此可以对所有线路的零序电流先进行幅值比较，其中幅值最大的前三个电流信号一定包含有故障线路，但是受各种因素的影响还不能完全确定是哪条线路，因此还要进一步对其相位进行比较，如果其中有一条线路的相位和其它两条线路的相反，则此条线路即可判断为故障线路，否则为母线故障。

根据以上研究依据，提出本论文的漏电保护方案为选择性动作于零序电流五次谐波的幅值和相位比较并以80C196为核心的微机应用系统来进行选择性漏电保护的新方案[6～10]。其硬件框图如图2所示：

图2 选择性漏电保护硬件结构图

零序电压回路由五次谐波提取电路、整流滤波和中断产生电路组成；零序电流回路由五次谐波提取电路、I-U变换、放大电路等组成；零序电流回路再通过幅值、相位比较回路与零序电压回路一起通过光电隔离电路进入以最新 16 位单片机 80C196为核心的微机系统[9～12]。

3.2 实验验证

将漏电故障点接到线路4的A相末端，修改过渡电阻的大小值，从0Ω 到5000 Ω以500 Ω步长间隔进行实验分析，得到实验数据结果如表1所示。

同理，将漏电故障点接到母线的A相末端，修改过渡电阻的大小值，从0 Ω到5000 Ω以500 Ω步长间隔进行实验分析，得到分析数据结果如表2所示。

从表中数据可以看到，当线路和母线分别发生接地故障时，随着过渡电阻的增大，选线判据1(比幅)的各条线路的的零序电流五次谐波的幅值逐渐减小，其中排名前三的线路为线路2、3、4，其中，线路4的幅值又为最大。而选线判据2(比相)的结果表明，当线路4发生单相故障时，其相位与其它线路的相位相反，总的判据结果和选线结果显示线路4发生；当母线发生故障时，线路2、3、4的相位相同，总判据结果和选线结果则表明母线漏电。从而验证了方案的正确性。

表1 线路4经不同过渡电阻漏电时保护选线情况

表2 母线经不同过渡电阻漏电时保护选线情况

5 结语

在以中性点经消弧线圈接地方式为研究对象的分析基础上，本论文采取选择性动作于零序电流五次谐波的幅值和相位比较并以80C196为核心的微机应用系统来进行选择性漏电保护的新方案[13]。充分利用了故障时信号中的五次谐波特点和幅值、相位比较的优点，同时避免了各种外部因素对选线结果的影响 ，从而进一步提高了谐波方向型漏电保护方案的准确度。

参考文献：

[1]邹有明,张根现,刘士栋,等.工矿企业漏电保护技术[M].北京：煤炭工业出版社,2004.

[2]国家煤矿安全监督局. 煤矿安全规程[M].北京：中国法制出版社，2005.

[3]杜生华. 基于小波分析的暂态量选线式矿井漏电保护研究[D].焦作：河南理工大学，2006.

[4]丁 宁.井下高压配电装置微机综合保护器的研究 [D].焦作：河南理工大学，2009.

[5]涂 建,邹有明,张亚邦,等.谐波方向型原理在矿井高压电网单相接地保护中的应用[J].煤矿安全,2007, (5):41～43.

[6]涂 建, 张先鹤，刘金华. 传统谐波方向型高压电网漏电保护方案的改进与仿真分析[J]. 煤矿安全, 2008, (12):18～21.

[7]胡天禄.零序电压随r，C，R变化的规律[J].中国矿业大学学报,2002. 31(3)：306～309.

[8]肖 鹏.基于小波分析的小电流接地系统单相接地故障选线研究[D].北京：华北电力大学，2000.

[9]徐政译.电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计[M].北京:机械出版社,2003.

[10]Yasmine ASSEF, Patrick BASTARD, Michel meunier. Artificial neural networks for single phase fault detection in resonant grounded power distribution systems. IEEE transactions on power delivery, 1996,19(3): 566～572.

[11]Detjen E R, Shan K R. Grounding transformer applications and associated protection schemes[J]. IEEE Trans Ind Appl, 1992.28(4):237～243.

[12]Teo C Y, He W X, Chan T W. Phase Co-ordinate Approach to Calculate Earth-fault Current and Shock Voltage[J]. IEE Proceedings of Electric Power Applications, 1997,144(6):441～445.

[13] Su Qianli, Dong Xinzhou, Shi Shenxing. a New principle of fault line selection for distribution[C]. IEE Developments in Power System Protection.Conference Publication,2001,379～382.