小电阻接地系统高阻弧光接地故障特征分析*

张勇志，张栋柱

（1.广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山 528400；2.湖南英科电力技术有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

中性点经小电阻接地方式作为配电网的主要接地方式之一，其优点之一在于发生单相接地故障时，较大的故障电流使故障线路带有明显的故障特征，保护可快速动作并切除故障线路[1-2]。然而，目前10kV馈线常配置的阶段式零序电流保护对单相经高过渡电阻接地故障的灵敏度较低，可耐受的过渡电阻值约为100W，远不能满足高阻检测的需求。虽然高阻接地故障的接地电流较小，但其通常是由架空线路断线掉地、树枝挂碰以及电缆绝缘受潮等原因引起[3-4]，若不能排除故障，将可能扩大故障范围，甚至引发人身安全事故。因此，不管是从系统安全稳定性的角度考虑，还是从人身安全的角度考虑，提高小电阻接地系统保护对高阻接地故障的灵敏度至关重要。

高阻接地故障的显著特征是故障电流小，这就导致一些单纯基于电流有效值的保护算法的灵敏度大大下降。因此，本文作者从高阻接地故障的发生机理出发，结合线路的零序电流、母线的零序电压以及两者之间的关系，分析小电阻接地系统高阻接地故障的暂稳态特征，为研究具有高灵敏度的保护算法提供相关的思路和可行性的方向。

1 小电阻接地系统单相接地故障分析模型

1.1 小电阻接地系统单相接地故障模型

图1为带4条馈线的小电阻接地系统单相接地故障示意图。图中，Rg为接地小电阻，其接在曲折变压器（Zigzag Transformer）的中性点上，阻值为10 W；H1～3为非故障线路，F为故障线路。故障点P带有过渡电阻Rf，其可为线性电阻，也可为非线性电阻。

图1 小电阻接地系统单相接地故障示意图Fig.1 Single-phase grounding faultin low-resistance grounding system

1.2 电弧模型

由于发生高阻接地故障时，通电导体与高阻介质之间通常存在着电弧燃烧现象[5]，所以对电弧进行建模显得十分必要。

现有的电弧模型大致可分为两大类：一类是关注电弧燃烧的内部物理特性而建立的物理模型，而另一类则是关注电弧外部电气特性的黑盒子模型[6]。由于外部电气特性往往是问题研究的重点，所以黑盒子模型更为常用。常用的黑盒子模型有Cassie、Mayr、Schwarz以及控制论电弧模型[6]。表1给出上述电弧模型的适用范围以及优缺点。可以发现，参数调节难是上述模型应用的一大阻碍，而控制论电弧模型的参数调节相对而言更为灵活，实用性更好。故本文后续分析均采用控制论电弧模型来模拟非线性接地电阻。

表1 常用电弧模型比较

现给出控制论电弧模型的数学表达式：

式中：g为电弧电导，G为电弧稳定电导，T为时间常数。其中G、T的计算公式如下：

式中：α为比例系数，通常取[7]2.85×10-5；im为电弧电流峰值，可近似取为故障点直接接地时的电流峰值；larc为电弧弧长；Vp为平均稳态电压梯度，在电弧电流为1.4～24 kA范围内时，一般取[8]15 V/cm。

2 高阻弧光接地故障暂态特征分析

在PSCAD软件中进行仿真实验，用一500W的线性电阻和控制论电弧电阻串联来模拟非线性电弧故障。故障点设为线路中点。

2.1 电压电流波形畸变

故障电流的波形如图2所示。

图2 故障电流波形Fig.2 Waveform offaultcurrent

从图中可见，由于电弧燃烧的热效应，故障电流在过零点附近存在明显的畸变，即“零休”现象。由于零序分量对接地故障最为灵敏，故障线路零序电流i0F、非故障线路（H2）零序电流i0H2以及母线零序电压u0的波形如图3所示。其中，采样点均为保护安装处且采样频率为5 kHz。

图3 零序电压电流波形Fig.3 Waveform ofzero-sequence voltage and current

图中，由于故障线路的零序电流是接地小电阻支路与所有非故障线路的零序电流之和，且接地小电阻远小于线路的对地容抗，所以故障线路的零序电流波形与故障电流相似，其在过零点附近也存在明显的畸变。而由于非故障线路主要为线路对地容抗，其大小随频率的增大而下降，故高频分量较容易通过，其畸变程度较高。现对上述3个信号（稳定后）进行频谱分析，如表2所示。

表2 零序电压电流的频谱分析结果

从表中可得：零序电压电流中主要含有奇次谐波，比如3次、5次以及7次谐波，而偶次谐波的含量很少。因此利用奇次谐波的含量大小来反映高阻弧光接地故障的发生是一种可行的方法，但需要考虑电网正常运行时的谐波含量大小，特别是在大量电力电子设备应用的背景下。此外，正如前面分析所得，非故障线路的总谐波畸变率（THD）远大于故障线路。若直接利用此特点来判断线路是否发生故障，则同样需要考虑系统谐波，那么阈值的选取将变得十分困难。同时需要注意的是，当电弧的非线性程度不高时，电压电流中的谐波含量将大大减少。

2.2 零序电压电流伏安特性

电弧燃烧主要的特征之一就是电流过零点附近所发生的熄灭和重燃。故障线路以及非故障线路的零序电压电流伏安特性曲线如图4所示。其中，各量均换算成基准值为相应最大值的标幺值。

图4 零序电压电流伏安特性曲线Fig.4 Volt-ampere characteristic ofzero-sequence voltage and current

图4 （a）中虚线部分为故障点的伏安特性曲线。以故障电流由负变正的过程为例进行分析。当电流接近零点时，曲线的斜率发生了突变，由原来的1突变成一较大值；当电流离开零点时，曲线的斜率又突变成一较小值；当电流远离零点后，曲线的斜率变回1。这一过程正是电弧熄灭和重燃的动态反映。从图4（a）可见，故障线路的伏安特性曲线与故障点的相似，其在电流过零点附近斜率同样存在突变现象。而非故障线路的伏安特性曲线就显得杂乱无章，其斜率在多个点处均发生了突变。其原因一方面是非故障线路零序电流的畸变程度高，另一方面是非故障线路主要以对地容抗为主，理想情况下其伏安特性曲线是个圆。

3 高阻弧光接地故障稳态特征分析

3.1 零序电流特征

由于高阻弧光接地故障的故障电流远小于金属性接地故障，这就导致许多基于工频电流大小的算法的灵敏度大为下降，而降低保护整定值是提高灵敏度最直接的方法。以现有的阶段式零序电流保护为例，其II段保护定值需要躲过线路的最大电容电流以及正常状态下的最大不平衡电流[9-10]。一般情况下，线路的最大电容电流远大于不平衡电流，所以保护定值以躲开最大电容电流进行整定。若降低II段保护定值，以躲开最大不平衡电流进行整定，则保护的灵敏度是提高了，但是失去了选择性。这时可以考虑加入反时限动作特性来确保选择性，如图5所示。此时需要考虑其与保护I段的时间配合。

图5 零序电流反时限动作曲线Fig.5 Zero-sequence currentinverse-time action curve

此外，也可以考虑将所有线路的零序工频电流进行比较。如前所述，故障线路的零序电流是接地小电阻支路与所有非故障线路零序电流之和，所以故障线路的零序电流将大于非故障线路。而且与消弧线圈不同，接地小电阻电流不会与系统的电容电流抵消，其对故障线路零序电流是助增作用。因此，零序电流明显大于其他线路的就是故障线路。

3.2 零序电流-电压特性

由于线路零序电流的信息量有限，所以可以考虑加入母线零序电压对其进行补充。由于零序电压和零序电流都会随着过渡电阻的增大而减小，所以其也能反映过渡电阻的大小。

若忽略线路的阻抗，那么非故障线路的零序电流与零序电压的基波有效值之比就等于该线路的对地导纳，而故障线路的该比值约等于3倍接地小电阻分之一。由于线路对地导纳相对较小，所以故障线路的该比值将大于非故障线路。

4 结论

小电阻接地系统适用于以电缆线路为主的大中型城市配电网，但由于现配置的保护对高阻弧光接地故障的灵敏度低，故障往往不能被切除。针对这一问题，主要从波形畸变、伏安特性和零序工频电流及其与零序工频电压的关系对高阻弧光接地故障的暂稳态特征进行分析，为研究相关算法的提供一些可行的思路。此外，由于发生高阻弧光接地故障时的电气量较小，目前现场所用的测量仪器不能满足对小信号的测量精度，所以需要研发相关的测量设备。同时，对于高阻弧光接地故障是直接出口跳闸还是发出警报后再进行巡线排除仍需要一定的运行经验或标准进行规范。