小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)綜述

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)綜述

0中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)中國6.66kv中壓電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)非有效接地方式，包括三種中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)（ns）。中性點(diǎn)通過消弧圈接地，即振幅接收系統(tǒng)（nes）。中性點(diǎn)通過衰減弧段接地系統(tǒng)（ns）。上述3者稱為小電流接地系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于接地電流小，瞬時(shí)接地可以不引起開關(guān)跳閘，供電可靠性高。但是發(fā)生永久性接地故障時(shí)，為了防止因非故障相電壓升高、絕緣損壞而導(dǎo)致故障擴(kuò)大，必須快速準(zhǔn)確地選出故障線路并予以切除。小電流接地系統(tǒng)，特別是諧振接地系統(tǒng)故障信號小，不易辨別，給繼電保護(hù)和故障選線帶來了很大的困難。因此小電流接地選線一直是配電自動化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文將在介紹國內(nèi)外接地選線研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)目前廣泛采用的選線方法，并分析它們的原理、應(yīng)用條件和優(yōu)缺點(diǎn)；對于最新的研究成果和改進(jìn)措施，給予重點(diǎn)關(guān)注；最后指出選線技術(shù)的未來發(fā)展方向。1接地選線原理發(fā)展在前蘇聯(lián)國家，中性點(diǎn)非有效接地方式得到了廣泛應(yīng)用，其保護(hù)原理從過流、無功方向發(fā)展到了群體比幅；美國采用大電流接地，即中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)小電阻、小電抗接地方式，故障線路電流很大，基于零序電流無功分量、有功分量均可以實(shí)現(xiàn)快速選線。德國是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的發(fā)源地，早在20世紀(jì)30年代就提出了基于接地故障暫態(tài)過程的保護(hù)原理，目前諧振接地方式占據(jù)主流，基于擾動原理的選線方法也開始應(yīng)用。法國在使用NRS幾十年后，現(xiàn)在正以NES取代NRS。法國電力公司開發(fā)的DESIR保護(hù)裝置采用有功分量法原理，該裝置針對線路不平衡問題，采用了改進(jìn)的基于零序電流變化量的選線方法，對高阻接地具有很高的識別率。20世紀(jì)90年代以來，國外已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方法應(yīng)用于接地選線保護(hù)。我國自20世紀(jì)50年代起就對此問題進(jìn)行研究，80年代中期研制出微機(jī)型接地選線裝置，目前已有多種基于不同原理的選線裝置在現(xiàn)場運(yùn)行。在大多數(shù)情況下，NUS和NRS系統(tǒng)通過零序電流比幅比相法均可以準(zhǔn)確地找出故障線路，實(shí)際應(yīng)用效果較好。但是對于NES系統(tǒng)，由于消弧線圈電感的補(bǔ)償作用，故障線路零序電流的方向和大小已沒有明顯特征，并且隨著系統(tǒng)脫諧度的改變而變化。因此諧振接地系統(tǒng)的故障選線問題更復(fù)雜，難度更大，以下提到的選線方法主要針對諧振接地系統(tǒng)。2選線方法一般2.15諧波電流比幅比相原理由于NES系統(tǒng)電感值是針對基波頻率設(shè)定的，且基波電抗和電網(wǎng)對地基波總?cè)菘菇葡嗟?。因此對于高次諧波而言，電抗值遠(yuǎn)大于電網(wǎng)對地容抗值，消弧線圈對于高次諧波電流的補(bǔ)償作用很小，對高次諧波回路可近似看做中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，此時(shí)可以利用諧波電流比幅比相原理作為選線判據(jù)。配電網(wǎng)中5次諧波的含量最為豐富，實(shí)際應(yīng)用中多以5次諧波分量為選線依據(jù)。5次諧波法選線裝置在我國應(yīng)用較多，但效果并不好，主要有以下幾點(diǎn)原因：1）電網(wǎng)中的諧波分量較之基波分量要小很多，對于高阻接地或線路較短情況，諧波分量的檢測和提取更為困難；2）受接地過程中產(chǎn)生的諧波含量的影響較大，靈敏度低。這些固有缺陷不易改善，限制了其應(yīng)用。2.2自由0.電流選線及點(diǎn)道選擇實(shí)際NES系統(tǒng)中存在消弧線圈電阻、線路電導(dǎo)等有功分量，而消弧線圈電感不能補(bǔ)償有功分量，接地線路中的零序電流有功分量仍然滿足“幅值最大，相位相反”的特征關(guān)系?；谶@一原理的選線方法有多種，一種是檢測中性點(diǎn)零序電壓和各出線零序電流，并將零序電流分解為與零序電壓同相和正交的2個(gè)分量，通過比較同相分量的幅值、相位進(jìn)行選線。該方法在有功分量較小的情況下容易引起較大的誤差，因此有文獻(xiàn)提出將消弧線圈與電阻串、并聯(lián)的中性點(diǎn)接地方式，在永久性接地時(shí)短時(shí)投入電阻，以增大零序電流的有功分量，可提高選線準(zhǔn)確率。該方法的缺陷在于人為增大了接地點(diǎn)的電流，易引起接地電弧重燃，不能充分發(fā)揮諧振接地系統(tǒng)的優(yōu)越性。針對較小的零序電流相位分解困難且誤差較大的問題，有學(xué)者提出利用有功能量的判斷方法。該方法直接以零序電壓和零序電流的乘積積分計(jì)算有功能量，以接地線路的有功能量的幅值最大，且相位與非接地線路相反作為選線判據(jù)。該方法從原理上講比第1種方法更為優(yōu)越，避免了對小信號的分解，實(shí)現(xiàn)起來也更為簡單。利用零序電流有功分量選線可以利用幅值較大的零序基波電流，對選線有利。實(shí)際運(yùn)行中的主要問題在于：當(dāng)線路及消弧線圈的電阻較小時(shí)，零序電流的有功分量較小，檢測裝置精度不高則易造成誤選；另外對于利用三相電流互感器(TA)并聯(lián)獲得線路零序電流的系統(tǒng)，該方法受三相電流互感器不平衡的影響較大。2.3基于零序?qū)Ъ{的定位原理零序?qū)Ъ{法的基本原理是：在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，每條饋線的零序?qū)Ъ{0Y&為線路的自然導(dǎo)納，由線路的對地電容電納b和泄漏電導(dǎo)g組成，電導(dǎo)和電納均為正數(shù)，其表達(dá)式為(第k條饋線)該線路單相接地時(shí)，其零序測量導(dǎo)納值0Y&′變?yōu)橄【€圈零序?qū)Ъ{與非故障線路零序?qū)Ъ{之和的負(fù)數(shù)，其表達(dá)式可簡化為式中：υ為系統(tǒng)脫諧度；n為電網(wǎng)饋線數(shù)；gL為消弧線圈電導(dǎo)。對比式(1)(2)可以看出，不論補(bǔ)償脫諧度(υ>0,υ<0,υ=0)如何，接地前后零序?qū)Ъ{的電導(dǎo)部分符號均發(fā)生了變化，因此可以通過零序?qū)Ъ{數(shù)值在導(dǎo)納平面上的分布判斷是否發(fā)生接地故障：正常線路的零序?qū)Ъ{在第1象限，故障線路的零序?qū)Ъ{在2、3象限，如圖1所示。判斷電導(dǎo)符號的實(shí)質(zhì)就是判斷有功方向，因此可以認(rèn)為零序?qū)Ъ{法是有功分量法的一種擴(kuò)展。其改進(jìn)之處在于，零序?qū)Ъ{法還利用了消弧線圈脫諧度的不同引起的線路電納變化，而線路電納的數(shù)量級通常遠(yuǎn)大于電導(dǎo)的數(shù)量級，這樣判斷會更靈敏。由式(2)可知，在諧振補(bǔ)償?shù)那闆r下(即υ=0時(shí))，線路故障前后的零序?qū)Ъ{值的電納部分沒有改變，僅零序電導(dǎo)改變。由于線路的零序電導(dǎo)相對電納很小，因此零序?qū)Ъ{角所在的區(qū)間很可能偏向正虛軸，接近正常線路零序?qū)Ъ{分布的第1象限，容易引起誤判。針對此問題，文獻(xiàn)提出了“零序補(bǔ)償導(dǎo)納”的概念，其方法是預(yù)先測量或計(jì)算每條線路的電納，計(jì)為基準(zhǔn)值，然后將線路測量導(dǎo)納與其相減，定義為補(bǔ)償導(dǎo)納，即如果線路的電納值測量或計(jì)算準(zhǔn)確，那么對于正常線路其補(bǔ)償導(dǎo)納值只有一個(gè)正的電導(dǎo)分量，在導(dǎo)納平面上位于正實(shí)軸上。對于故障線路，結(jié)合式(2)，其補(bǔ)償導(dǎo)納值為對于υ=0情況，為一負(fù)實(shí)數(shù)，零序補(bǔ)償導(dǎo)納位于負(fù)實(shí)軸上。對比正常線路的正實(shí)軸分布，這樣處理相當(dāng)于增大了正常線路和故障線路判斷區(qū)間的相角裕度。然而實(shí)際中精確測量線路的基準(zhǔn)電納值較為困難，補(bǔ)償導(dǎo)納可能存在較大的誤差。在υ=0附近，正常線路和故障線路的補(bǔ)償導(dǎo)納均有可能偏向?qū)Ъ{平面的正虛軸，造成誤判。實(shí)際應(yīng)用中，可以將零序?qū)Ъ{法的基本原理與微機(jī)保護(hù)結(jié)合，通過微機(jī)采樣、檢測、并實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)每條出線的零序?qū)Ъ{值，如果某條線路的零序?qū)Ъ{值發(fā)生顯著變化，則判定為故障線路。法國電力公司(EDF)開發(fā)的DDA保護(hù)裝置就是這樣實(shí)現(xiàn)的，具有很高的靈敏度；同時(shí)依靠被測信號的差值進(jìn)行判斷，可去除TA測量誤差影響，有效提高了選線準(zhǔn)確率。2.4零序電流變化時(shí)的基本處理基于擾動原理的選線方式是配合自動跟蹤補(bǔ)償消弧線圈的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的接地選線新方法。其原理是發(fā)生單相接地故障后，微調(diào)消弧線圈的脫諧度υ，這樣接地點(diǎn)的殘流相應(yīng)改變，故障線路的零序電流也隨之改變。該方法最開始的應(yīng)用方式是比較各條出線的零序電流絕對值變化量，變化量最大的線路為故障線路。該判據(jù)在接地電阻較小、零序電壓較高的情況下，判斷較為準(zhǔn)確。但是在接地過渡電阻較大的情況下，改變系統(tǒng)脫諧度時(shí)零序電壓變化量也較大，導(dǎo)致非故障線路的零序電流絕對值變化明顯，某些線路長、對地電容大的電纜饋線的零序電流變化量與故障線路在同一水平，影響了選線結(jié)果的正確性。針對此問題一些文獻(xiàn)提出了改進(jìn)措施，一種是若調(diào)節(jié)前后零序電壓發(fā)生變化，則將零序電流與零序電壓進(jìn)行折算，具體方法是：假設(shè)調(diào)節(jié)前線路k的零序電流和系統(tǒng)零序電壓分別為I&0k、U&0，調(diào)節(jié)后零序電流和零序電壓分別為I&0′k、U&0′，則經(jīng)過折算的線路k零序電流變化量?I&0k為由式(5)可知，折算的實(shí)質(zhì)是對線路零序?qū)Ъ{的計(jì)算。理論上正常線路，故障線路，考慮測量及量化誤差，實(shí)際應(yīng)用中仍然可以按照“變化量最大”作為判據(jù)。文獻(xiàn)提出一種線路m參數(shù)法接地故障選線原理，利用的是消弧線圈調(diào)節(jié)前后線路m參數(shù)的絕對值變化量，或者2條線路m參數(shù)比值的差別作為選線依據(jù)，其定義的線路m參數(shù)為式中UA取系統(tǒng)額定相電壓，其他參數(shù)的意義與式(5)相同。由式(6)可見，該方法將線路導(dǎo)納計(jì)算值折算處理(乘以UA)，可以將較小的導(dǎo)納數(shù)值成比例放大，避免了因測量、量化誤差導(dǎo)致的故障線和健全線的導(dǎo)納計(jì)算結(jié)果均接近0而造成誤判?；跀_動原理的選線方法通過調(diào)節(jié)電感改變系統(tǒng)脫諧度，以獲得較大的故障線零序電流(零序?qū)Ъ{)變化量，以此構(gòu)造明顯的特征差異，應(yīng)用效果較好。存在的問題是該方法僅適用于隨調(diào)式消弧線圈，對預(yù)調(diào)式消弧線圈不可用，針對這一問題文獻(xiàn)提出了將一附加電抗器與消弧線圈串、并聯(lián)投切以改變脫諧度的解決方法，但這也增加了接地系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制難度。2.5基于s注入法的高阻接地故障辨識最早被提出的是S注入法，其原理是通過電壓互感器(TV)的二次側(cè)接地相注入信號，該信號感應(yīng)到系統(tǒng)一次側(cè)，并通過接地點(diǎn)構(gòu)成回路，可以在配電網(wǎng)出線端檢測注入信號的強(qiáng)弱判斷故障線路?；谠摲椒ǖ倪x線裝置在我國曾大量地投入現(xiàn)場運(yùn)行，并對金屬性接地和低阻接地取得了較好的選線效果，但是辨識高阻接地的能力較弱。原因在于：注入信號不僅可以通過接地點(diǎn)對地構(gòu)成回路，還可以通過線路對地分布電容、中性點(diǎn)消弧線圈回流，如果接地電阻遠(yuǎn)大于電容容抗和消弧線圈感抗，那么大部分注入信號均被后兩者分流，流入接地點(diǎn)的信號電流很小，并且故障線路的信號電流并不一定是最大值。S注入法的提出者在文獻(xiàn)中提到了這些問題，并給出了3條改進(jìn)意見：降低注入信號的頻率、應(yīng)用注入信號的相位信息和應(yīng)用雙頻信號。其中降低注入信號的頻率是提高耐受接地電阻能力的有效改進(jìn)方案。但是仿真研究發(fā)現(xiàn)，若注入信號的頻率過低，則電感的分流作用明顯，雖然并不影響各條線路的信號電流相對值(仍然是等效對地阻抗最小的出線信號電流最大)，但是絕對值過小會造成檢測的困難，并帶來較大的誤差，影響判斷的準(zhǔn)確性。利用注入信號的相位信息實(shí)際上是結(jié)合信號電流的有功分量作為判據(jù)，不過也存在信號電流小，判斷相位信息困難的問題。這些問題限制了S注入法對高阻接地的識別能力，仍有待進(jìn)一步改善。文獻(xiàn)提出另一種注入信號的接地故障辨識和選線方法。通過從中性點(diǎn)TV注入電網(wǎng)諧振頻率信號，并測量零序信號電壓，計(jì)算接地電阻，進(jìn)行高阻接地故障辨識；通過測量各出線零序信號功角來計(jì)算線路阻尼率，進(jìn)行故障選線。注入電網(wǎng)諧振頻率信號的優(yōu)點(diǎn)是：理論上電網(wǎng)的等效阻抗為純阻性，僅需要判斷電阻值的變化即可確定是否發(fā)生接地故障，并可以計(jì)算故障電阻大小。該方法存在的問題是：由于注入信號的電流幅值很小，檢測該微弱信號對測量裝置的精度有很高要求；另外根據(jù)文獻(xiàn)提出的判據(jù)，可識別的接地電阻較小，對于對地電容較大的電纜饋線尤其如此。2.6小波變換故障選線原理最早出現(xiàn)的基于暫態(tài)信號的選線方法是首半波法，其原理是基于接地故障多數(shù)發(fā)生在相電壓接近最大值處這一前提條件。發(fā)生接地后的第1個(gè)半周期內(nèi)，故障線零序暫態(tài)電流和正常線零序暫態(tài)電流極性相反。但故障發(fā)生在相電壓過零點(diǎn)附近時(shí)，首半波電流的暫態(tài)分量很小，加上過渡電阻的影響，易引起方向誤判。小波法利用近年來興起的小波變換理論，提取故障暫態(tài)信號的特征量進(jìn)行故障選線。小波變換具有時(shí)頻聚焦特性，對于突變信號具有比傅里葉變換更好的分析效果。選用合適的小波基對暫態(tài)零序電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，易看出故障線路上暫態(tài)零序電流分量的幅值包絡(luò)線高于非故障線路，且其特征分量的相位也與非故障線路相反，這樣就能構(gòu)造出利用暫態(tài)信號的選線判據(jù)。合適的小波基函數(shù)和小波分解尺度的選取是該方法的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，還有的根據(jù)故障后暫態(tài)分量能量比較大的特點(diǎn)，先以“能量最大”的原則確定各條線路暫態(tài)電容電流分布最集中的特征頻段，再利用“極性相反”等特征判據(jù)進(jìn)行選線。還有文獻(xiàn)介紹用Prony方法分析暫態(tài)信號進(jìn)行選線的方法。2.7序電流法相對零序電流法存在的問題文獻(xiàn)提出利用負(fù)序電流的通路特征來判斷故障線路的方法，突破了以零序電流的分布及特征差異構(gòu)造選線判據(jù)的傳統(tǒng)方法。但是負(fù)序電流法相對零序電流法存在的最大問題是：由于用戶配電變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地，這使得負(fù)載不平衡產(chǎn)生的負(fù)序電流可以在高壓側(cè)流通，但是零序電流不會在高壓側(cè)流通。因此無論系統(tǒng)帶何種類型的負(fù)載，基于零序電流的相關(guān)判據(jù)均不會受到影響。由于我國低壓用戶廣泛存在著單相負(fù)荷，負(fù)載不平衡現(xiàn)象比較嚴(yán)重，導(dǎo)致負(fù)序電流法在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的困難。3暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)信號選線算法通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，接地故障的情況復(fù)雜，單一的選線判據(jù)往往不能覆蓋所有的接地工況。應(yīng)用效果較好的選線方法，通常是幾種選線技術(shù)相結(jié)合的方法，例如上文提到的改進(jìn)的小擾動法。因此選線技術(shù)的融合是未來的發(fā)展方向之一，很多學(xué)者在這一領(lǐng)域已取得了一定的研究成果。這些方法大多是運(yùn)用智能控制理論的概念來構(gòu)造每種選線方法的有效域(即適用范圍)，以實(shí)現(xiàn)多種選線方法的綜合和判據(jù)最優(yōu)化。目前的難點(diǎn)在于如何更好地確定每種選線方法的有效域，理論研究已從專家系統(tǒng)發(fā)展到自