基于故障分量的配电网接地选线技术的研究

基于故障分量的配电网接地选线技术的研究

李海涛

内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒电业局正镶白旗供电分局

内蒙古 锡林郭勒 013800

摘要：配电网单相接地选线一直是影响我国配电网运行可靠性与经济性的实际问题，现行的选线方法实用性能有待提高。中性点非有效接地系统发生单相接地故障时，由于接地残流小，故障特征不明显，且受负荷谐波干扰及选线方法自身局限性等因素制约，现有故障选线方法正确率不高：实际运行中如何迅速、准确地实现故障选线是电力领域一大尚未彻底解决的难题。中性点非有效接地系统的单相接地故障选线技术，是电力系统领域中备受关注的研究方向之一。

关键词：配电网；故障；选线  

电力系统实际运行中约95%以上的停电事故发生在配电网，其中70%的事故由单相接地或母线故障引发。接地故障发生后极易产生弧光接地，引发两点或多点短路，导致全系统过电压，损坏设备，影响系统安全运行，甚至造成严重的停电事故。因此，系统发生单相接地故障后，能否迅速、准确地选出接地故障线路，并动作于信号或跳闸，对于保障电力系统的安全运行至关重要，非有效接地电网故障选线也是我国在建和改建的配电系统亟待解决的重要课题。

一、电流故障分量的计算

由于配电网线路不经过交叉换位, 负荷也可能是不对称的, 这样的不对称系统在对称的电源作用下会产生不平衡的零序电流, 我们称之为正常运行零序电流, 简称正常零序电流。利用对称分量法对系统正常运行的三相电流进行变换可以得到系统正常零序电流。因此接地电流由正常运行网络的电流和接地附加网络电流叠加获得, 前者就是系统结构参数和负荷不对称所产生的, 后者是因为接地所产生的, 就是通常所说的电流故障分量, 所以接地电流也就是负荷电流和电流的故障分量的叠加, 通过对称分量法分解后, 三序电流的故障分量, 简称故障分量Iff012表示为:

从式可以看出, 接地电流中包含了系统正常运行电流和电流的故障分量, 那么在接地零序电流中也就包含了正常零序电流和零序电流故障分量两部分。因此, 当正常零序电流很小或者可以忽略时, 接地零序电流的主要成分是零序电流的故障分量, 直接用接地零序电流进行接地选线时, 其具有独立性, 可以保证接地选线的准确性;但是当网络的不对称程序或者负荷的不对称程度较大时, 系统内包含较大的正常零序电流, 此时接地零序电流中就由正常运行零序电流和零序电流故障分量两个部分构成, 在不对称比较严重的情况下, 甚至造成接地零序电流的主要成分是正常零序电流, 而不是零序电流的故障分量, 这样就必然掩盖系统的接地特性, 给准确地实现接地选线增加了难度, 容易造成误选的现象。这就是利用接地零序电流的方法进行接地选线, 不能保证较高的正确选线率的主要原因之一。

二、基于稳态分量的方法

基于稳态分量的选线方法在我国故障选线研究中开展较早，相关研究成果较多，包括：零序电流基波比幅比相法，负序电流法，零序电流谐波法，零序有功分量方向法等。零序电流基波比幅比相选线法，适用于中性点不接地系统，其选线原理基于早期继电保护理论，不能排除电流互感器不平衡的影响，易受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等影响而导致误选、多选或漏选情况，不能满足系统运行多变的情况，且当故障点离互感器较远且线路较短时，由于零序电压、电流均较小，会产生“时针效应”，相位判断困难。为此提出了群体比幅比相[1]、基于可辨识矩阵的幅值比较选线改进方案，但实际上单一群体比较方案仍存在死区，需另外选择互补方案与其配合才能进行选线，而基于可辨识矩阵的幅值比较选线判据，计算量及所需微机存储空间均较大。

鉴于利用零序基波电流选线存在的问题，一些研究学者提出了利用谐波电流的选线方法，但由于系统中的谐波含量往往不确定，且受运行情况、设备性能等因素的影响，负荷中的谐波源、过渡电阻大小都影响着选线精度，因此选取谐波作为判断故障依据存在可靠性的问题，该选线方法的实用性尚待商榷。为克服零序基波电流、谐波选线方法的不足，提出了零序电流有功分量方向接地选线方法，该方法基于“有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关”的原理，以零序电压为参考矢量，通过提取流过故障线的有功电流作为判据，从而实现接地选线保护。该方法在理论上适用于中性点不同接地方式下的接地保护，但选线结论对参考信号的依赖较大。基于最大△（Isinψ）原理的选线方法也存在同样的问题，该方法虽然在理论上能基本消除电流互感器不平衡的影响，但计算过程中一旦参考信号出现问题，将导致选线失效，而且该方法在计算过程中需求出有关相量的相位关系，计算量太大。利用负序电流进行故障选线的优点在于该方法抗过渡电阻能力强，且不受中性点接地方式和弧光接地的影响。但该方法同样存在一定的局限性，如负序过流保护，整定时需要避开健全线路的最大负序电流，由于配电系统各线路负荷变化很大，整定工作相当繁琐，而且保护的灵敏度不高；负序方向保护需要与系统侧的负序电流或故障相电压比相，由于负序电流绝大部分是从故障线路流向电源，健全线路负序电流很小，方向准确测量困难，应用于实际保护配置中的可能性小。在此基础上，以负序电流大小接地保护为主判据、负序电流与零序电流比较式接地保护为辅助判据的改进措施，在一定程度上提高了负序电流选线方法的自适应性，但仍无法完全满足系统现场运行要求，有待进一步研究和完善。

三、基于暂态量的故障选线方法

由于非有效接地系统发生接地故障时暂态过程包含丰富的故障特征，且有效频带内暂态故障特征量与稳态量相比更为显著，因此国内外专家学者提出了大量的暂态选线方法。该类方法主要通过提取故障信号中的高频成分实现选线，提到的故障零序电流比幅、比相方法外，还有行波选线法、能量法、小波变换法等。利用扩展Prony 算法提取各线路零序电流中衰减的直流分量或低频振荡分量，再根据故障线路和健全线路在这两个分量上的差异，来确定故障线路。随着小波包分析等新信号处理工具的引入，笔者采用基于初始电流行波和小波分析的接地选线判据，提出了一些根据暂态电流特定频带特征进行选线的方法。利用改进HHT提取零序电流高频分量幅值、频率和相位等信息，通过比较幅值和相位实现正确选线。利用S 变换处理各馈线的零序电流，确定容性电流的主导特征频率，并根据能量的大小选出故障线路。借鉴统计学的方法，通过比较特征频段内线路间整体的相对相位选择故障线路。

暂态过程包含丰富的故障特征，为选线提供了有利条件，由于其受系统运行方式影响小且灵敏度高等优点而受到广泛关注，部分方法已经得到应用。但从现场应用的情况来看，由于单相接地故障状况复杂，故障状况不同，产生的故障特征量在数值上、变化规律上相差悬殊；故障电流很小，难以保证测量精度；现场的电磁干扰以及工频负荷电流干扰使检出的故障成分信噪比非常低，暂态量算法在实用中还有待实践检验。与第一次看的一样，当时认为即使没有干扰，在相电压过零发生故障，也没有暂态电流。暂态保护方法都失效。

结论

1）基于稳态量的选线保护方法研究难点在于：对小电流接地系统而言，其故障稳态特征不明显，并受故障接地过渡阻抗的影响，使得故障与健全线路不易区分。

2）基于暂态量的选线保护方法由于其丰富的故障特征，为选线提供了有利条件，且对间歇性接地故障的反应能力相对较强，但该类方法受开关操作等产生的暂态干扰信号影响较大，在电压过零点附近时故障特征量不明显。

参考文献：

[1] 王成楷, 洪志章. 基于线电压判据的配电网单相断线故障定位方法[J]. 电气技术, 2017, 18(5): 51-57.

[2] 束洪春,徐亮.谐振接地电网故障选线相关分析法[J].电力自动化设备,2018,28(9):6-9.

[3] 任建文,孙文武.基于数学形态学的配电网单相接地故障暂态选线算法[J].电力系统自动化,2018,32(1):70-75.