基于零序电流补偿算法的小电流接地系统单相接地选线研究

张勇　李敏

摘 要 本文对每条线路分别建立故障数学模型，对各条线路零序电流进行补偿，对于补偿计算后的零序电流计算器幅值，通过仿真结果的对比，确定故障线路，从而达到正确选线的目的。

【关键词】零序电流 补偿算法 单相接地选线

我国配电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地（即小电流接地）的运行方式，其中尤以经消弧线圈接地方式占绝大多数，由于故障点的电流很小、电弧不稳定等原因，接地选线的问题一直未被完满解决。配电网是电能输送中直接与用户相连的环节，其可靠性直接关系到对用户的供电质量。因此，提高配电可靠性是提高电力系统供电可靠性的重要内容。

发生单相接地故障后，由于三相之间线电压仍然保持对称，对负荷供电没有影响，因此允许带故障继续向负荷供电1-2小时。但是，这种运行方式会造成健全相电压升高，长期带故障运行可能造成新的短路故障，影响电力系统安全。因此，应尽早找出故障线路，采取措施予以消除。

1 小电流接地选线研究现状

传统的以基频零序电流电压作为特征的接地选线方法，主要是依靠群体比较电流的大小和方向。由于受线路参数、过渡电阻及消弧线圈的影响，接地故障电流变化很大，尤其是经消弧线圈全补偿的时候，接地电流很小，幅值和方向的测量困难，影响保护精度，灵敏度不高。基于零序五次以上谐波的方法虽然不受消弧线圈的影响，但故障信号中谐波分量很小，灵敏度受到很大限制。而且这些方法都需要比较各条支路电流的大小和方向，所以很难与馈线保护合为一体，不能满足配电自动化的要求。

单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往比稳态值大十几倍到几十倍，基于暂态信号的选线方法灵敏度高且不受消弧线圈的影响，但现有方法大多有待完善。首半波法其极性关系成立时间极短（远小于暂态过程），检测可靠性不高，而且在相电压过零时故障，首半波电流暂态分量很小，以及过渡电阻的影响，该方法可能失效。基于小波变换的选线方法利用了故障电压和电流瞬时过程的特征量，具备了快速性和精确性，但易受外界电磁干扰和过渡电阻的影响。

综上所述，小电流接地系统的单相接地故障选线问题始终没有得到彻底解决（尤其对中性点经消弧线圈接地系统），一直是继电保护领域研究的热点和难点。

2 本文研究思路

本文的选线方法的实质是借助消弧线圈中的零序电流已知实现选线，有效的实现了单相接地选线的准确性和可靠性。最后，用ATP对故障情况进行仿真，结果证明了本文方法的有效性。 如图1所示。

当采用消弧线圈以后，单相接地时的电流分布将发生重大的变化。当线路J上A相接地以后，电容电流的大小和分布与不接消弧线圈时是一样的，不同之处是在接地点又增加了一个电感分量的电流，因此，从接地点流回的总电流为

=+ （1）

式中： ——全系统的对地电容电流。

—— 消弧线圈的电流。

由于 和 的相位大约相差180°，因此 将因消弧线圈的补偿而减小。并且由于在实际中，广泛采用过补偿方式，所以本文仅研究过补偿的情况。当过补偿时，有IL>IC∑，补偿后的残余电流是电感性的（采用这种方法不可能发生串联谐振的过电压问题）。

故障线中零序电流为：

=（?）+ （2）

式（2）中， 是故障线路中的零序电流， 是所有线路对地电容电流（即零序电流）之和， 是故障线路本身对地电容电流。

健全线路中零序电流为：

= （3）

式中， 是第I（I=1，2，3，4，5，6）条健全线路中的零序电流， 是第I条健全线路本身对地电容电流。

则由以上分析可得出如下结论：当采用过补偿方式时，流经故障线路的电流是流过消弧线圈的零序电流与非故障元件零序电流之差，而电容性无功功率的实际方向仍然由母线流向线路（实际是电感性无功由线路流向母线），和非故障线路的方向一样。

为了解决上述问题，在消弧线圈中电流 已知时，即可给式（2）和式（3）分别减去 ，则可得下式：

故障线路：

= ? （4）

健全线路：

= ? （5）

其中和均为容性电流，但是由式（4）和式（5）可得如下结论：（1）由于是过补偿则：IL>IC∑，所以显然有I0J'IC∑，所以，必有：>IL 。

3 ATP仿真验证

3.1 仿真模型及参数

系统仿真模型如下页的图1所示。该模型是一个10kV的配网馈线系统，由架空线与电缆线构成，出线共有六条，其中L3、L6为电缆线路，其余出线为架空线路。主变为Y/Δ-11接线，所用变压器中性点通过开关K与消弧线圈相连，K打开为中性点不接地系统，K闭合为中性点经消弧线圈接地系统。

仿真模型中，架空线零序参数：R0=0.23?/km，L0=5.478mH/km，C0=0.008?F/km；架空线正序参数：R1=0.17?/km，L1=1.21 mH/km，C1=0.00969?F/km。电缆线零序参数： R0=2.7?/km，L0=1.0191mH/km，C0=0.28?F/km；电缆正序参数：R1=0.27 ?/km，L1=0.2548 mH/km，C1=0.3391?F/km。

主变参数：额定电压比为UN1/UN2/UN3=110/38.5/11kV，额定容量SN=31.5MVA；空载实验参数：空载电流I0=1%，空载损耗 P0=46kW；短路实验参数：短路电压比为Uk（1?3）=17.25%，Uk（1?2）=10.27%，Uk（2?3）=6.13%；短路损耗Pk（1?3）= 243.5kW，Pk（1?2）= 262.4kW，Pk（2?3）= 181.5kW。

负荷参数：实际系统负荷千差万别，即使是同一条线路，其各相间负荷也不尽相同，精确模拟比较困难，本文仿真中用一个等效阻抗ZL=400+j100?代替。中性点经消弧线圈接地方式运行时，补偿度约为8%，仿真中采样频率为50kHz。

4 结论

本文所提基于零序电流补偿算法的小电流接地系统单相接地选线克服了以往选线方法的弊端，具有选线原理简单、选线准确性高等优点，并且本文通过ATP仿真验证，证明了本文所提选线方法的正确性和可靠性，具有很好的推广应用价值。

参考文献

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[2]贾清泉，杨以涵，杨奇逊，等.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，2003，27（21）：35-38，44.

[3]薛永瑞，冯祖仁，许丙垠等.基于暂态零序电流比较的小电流接地选线研究[J].电力系统自动化，2003，27（9）：48-53.

作者单位

西安供电公司 陕西省西安市 710032