小電阻接地配電網(wǎng)斷線保護(hù)的應(yīng)用研究

0引言配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的方式時，單相接地故障時由于存在零序電流通路，故障電流較大，能使用零序過流保護(hù)快速切除接地故障，這個優(yōu)點(diǎn)使其在城市配電網(wǎng)中得到越來越多的應(yīng)用。但是，目前中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的10?kV系統(tǒng)，零序過流保護(hù)在定值整定時一般只針對過渡電阻100?Ω以下的接地故障，這就帶來了另外一個問題，若架空輸電線因雷擊等原因?qū)е聰嗑€落在非良好導(dǎo)電介質(zhì)上造成100?Ω以上的過渡電阻接地時，往往達(dá)不到零序過流保護(hù)的定值從而長時間無法切除，這容易導(dǎo)致跨步電壓或接觸電壓危害路過的行人；另外，若高阻接地故障一直存在，還有可能導(dǎo)致事故擴(kuò)大，擴(kuò)大停電范圍，嚴(yán)重影響供電可靠性。夏季雷雨易導(dǎo)致架空輸電線斷落，據(jù)統(tǒng)計(jì)，某市區(qū)在某年度6月到8月間，10?kV架空絕緣線路因雷擊引起斷線多達(dá)26次，其中單相斷線9次，多相斷線17次，為了電網(wǎng)的可靠運(yùn)行以及人身安全，有必要增加反應(yīng)斷

線或高阻接地故障的保護(hù)。在上述問題中，若配電線路掉落在潮濕沙地、干燥草地、草皮等介質(zhì)上，過渡電阻在200～500?Ω范圍內(nèi)，尚有可能通過零序電壓、零序電流等電氣量進(jìn)行檢測并及時隔離故障，對于10?kV小電阻接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)接地小電阻一般為10?Ω，考慮零序電壓的測量精度，假設(shè)開口三角電壓測量值為1?V，此時能夠檢測1?000?Ω左右的高阻接地故障，這已基本上達(dá)到了極限，若繼續(xù)降低零序電壓的門檻，已很難躲開正常情況下電壓中性點(diǎn)偏移、電壓互感器正常誤差等因素的影響。而對于干燥水泥板、干燥樹枝、柏油路等介質(zhì)，過渡電阻往往高達(dá)幾千歐姆，甚至上萬歐姆，配電線路掉落在這些類似介質(zhì)上，零序電壓、零序電流等故障特征量極小，已超出了各種穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)零序保護(hù)檢測方法的精度；而且斷線以后，還可能會出現(xiàn)配電線路懸掛于地面以上或者因?yàn)閷?dǎo)線縮入絕緣外皮內(nèi)未直接接觸地面介質(zhì)的情況，這時零序特征量基本沒有反應(yīng)。對于這些情況，依賴于傳統(tǒng)零序保護(hù)或者高阻檢測方法是很困難的，如果能夠著眼于斷線這種故障狀態(tài)的特征，在發(fā)生配電線路斷線時就及時切除，則能降低故障檢測的難度，有助于消除威脅電網(wǎng)可靠運(yùn)行及人身安全的隱患。1

?斷線故障特征分析（略）=2

PSCAD仿真分析使用PSCAD軟件對圖1中的系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，電壓等級為10.5?kV，中性點(diǎn)接地電阻為10?Ω。分別模擬線路4斷線、斷線后電源側(cè)接地、斷線后負(fù)荷側(cè)接地的情況。2.1斷線故障仿真分析模擬0.3?s時線路4斷線，負(fù)序正序電流比例特征和零序電壓特征分別如圖2和圖3所示。圖3（a）為單相斷線故障發(fā)生時的零序電壓特征，圖3（b）為兩相故障發(fā)生時的零序電壓特征。仿真結(jié)果表明，單相、兩相故障發(fā)生時，與理論分析的結(jié)果是一致的。圖2斷線故障負(fù)序正序電流比例特征圖3斷線故障零序電壓特征2.2斷線后繼發(fā)電源側(cè)線路接地故障仿真模擬0.3?s時線路4斷線，0.模擬0.3?s時線路4斷線，負(fù)序正序電流比例特征和零序電壓特征分別如圖2和圖3所示。圖3（a）為單相斷線故障發(fā)生時的零序電壓特征，圖3（b）為兩相故障發(fā)生時的零序電壓特征。仿真結(jié)果表明，單相、兩相故障發(fā)生時，與理論分析的結(jié)果是一致的。45?s時繼發(fā)斷線電源側(cè)部分高阻接地，過渡電阻為600?Ω。負(fù)序正序電流比例特征和零序電壓特征分別如圖4所示。這種情況下，線路4的負(fù)序正序電流比例會有所下降，這是由于電源側(cè)斷線接地后產(chǎn)生了零序電流，因此有所影響，降低過渡電阻或者發(fā)生金屬性接地時這種影響會更大，會不再滿足式（4），故障相電流也會隨之增大，電流限值條件式（5）也會不滿足；而對于零序電壓，高阻接地故障時有變化但是并不大，仍滿足零序電壓限值條件式（8），若降低過渡電阻或者發(fā)生金屬性接地時，零序電壓會明顯增大，式（8）將會不滿足，這種情況下應(yīng)考慮由零序保護(hù)切除故障。對于100～600?Ω范圍內(nèi)的斷線電源側(cè)接地故障，受零序電流及零序電壓的影響，也可能會不滿足斷線判據(jù)，而這時又不在常規(guī)定值整定的考慮范圍以內(nèi)，因此最好增加反應(yīng)這個范圍過渡電阻的保護(hù)，該范圍內(nèi)零序電壓、零序電流仍能夠準(zhǔn)確測量，是能夠?qū)崿F(xiàn)可靠檢測的。圖4斷線后繼發(fā)電源側(cè)高阻接地故障特征2.3斷線后繼發(fā)負(fù)荷側(cè)線路接地故障仿真模擬0.3?s時線路4斷線，0.45?s時繼發(fā)斷線負(fù)荷側(cè)部分非高阻接地，過渡電阻為10?Ω。負(fù)序正序電流比例特征和零序電壓特征分別如圖5所示。線路4仍滿足式（4）、式（5）、式（8）。負(fù)荷側(cè)斷線接地對理論分析中的判據(jù)影響較小。2.4仿真結(jié)果分析圖5

斷線后繼發(fā)負(fù)荷側(cè)接地故障特征3

?斷線保護(hù)3.1斷線保護(hù)判據(jù)綜合上述對小電阻接地系統(tǒng)斷線故障特征的研究，可以得到以負(fù)序正序電流比值特征為主要判據(jù)，電流限值條件、零序電壓限值條件為輔助判據(jù)的斷線保護(hù)?？紤]到配電網(wǎng)保護(hù)一般僅能采集保護(hù)安裝處的電壓、電流量，因此采用基于單端電氣量的保護(hù)判據(jù)，即僅使用保護(hù)安裝處的電壓、電流，計(jì)算負(fù)序、正序、零序分量并進(jìn)行判別，不使用線路對側(cè)的電壓或電流量。以式（4）的負(fù)序正序電流比值特征作為主要判據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮躲開TA單相斷線的情況，當(dāng)TA單相斷線時，斷線保護(hù)在這種情況下不應(yīng)誤動，此時保護(hù)裝置計(jì)算得到的負(fù)序正序電流比應(yīng)為0.5，采用1.2倍的可靠系數(shù)，因此式（4）在應(yīng)用中的判據(jù)轉(zhuǎn)化為|I2/I1|＞0.6。以電流限值條件即式（5）作為區(qū)分相間故障的輔助判據(jù)，其中可靠系數(shù)取1.2。零序電壓限值條件即式（8）作為輔助判據(jù)用以區(qū)分?jǐn)嗑€故障本級線路與下級線路，考慮10?kV小電阻接地系統(tǒng)中性點(diǎn)電阻為10?Ω的情況，則轉(zhuǎn)化為U0＜0.11Un.Ph，注意零序電壓限值條件為欠量條件，在零序電壓很小時并不要求測量很準(zhǔn)確，因此不受零序電壓測量精度的影響。綜上，得到斷線保護(hù)的完整判據(jù)如式（10）所示：3.2靈敏度分析1）由于主判據(jù)中采用的是負(fù)序正序電流的比值，正序電流、負(fù)序電流會隨著負(fù)荷電流的輕重變化等比例變化，因此不需因負(fù)荷的變化而去調(diào)整門檻值，適應(yīng)性強(qiáng)。2）負(fù)荷不平衡時，由于單相斷線后，根據(jù)基爾霍夫電流定律，健全兩相的負(fù)荷電流都會滿足式（1），與斷線前負(fù)荷是否平衡沒有關(guān)系，因此負(fù)荷不平衡不影響斷線保護(hù)。3）根據(jù)式（3），重負(fù)荷時負(fù)荷電流所占比例更大，受對地電容電流的影響更小，此時|I2/I1|更接近1；反之輕負(fù)荷時，對地電容電流的影響會增大，|I2/I1|?的值會減小，極端情況下，若負(fù)荷電流為0，|I2/I1|＞0.6不能滿足，這種情況下單相斷線故障檢測不出來，只能等待負(fù)荷增大后動作，或者發(fā)展為電源側(cè)線路接地故障后由其他保護(hù)動作。4）正常情況下發(fā)生斷線故障時，上級線路會出現(xiàn)負(fù)荷不平衡的狀態(tài)，一般情況下不會滿足|I2/I1|＞0.6的要求，因此不會動作。但是當(dāng)上級線路相對輕負(fù)荷時，即上級線路所帶負(fù)荷（不包括斷線故障線路及更下級線路的負(fù)荷）相對于斷線故障線路及更下級線路總負(fù)荷的比例太小時，斷線相電流會減少太多，不平衡度過于嚴(yán)重，從而存在|I2/I1|＞0.6滿足條件的情況，而電流限值條件和零序電壓限值條件對于上級線路而言本來就是滿足的，因此可能會誤動。為了避免上級線路誤動，斷線保護(hù)可以采用階梯時間整定方法，即上級線路整定時間較下級線路長一個級差Δt，優(yōu)先下級線路動作，這樣可防止上級線路因輕負(fù)荷而誤動作。3.3與其他保護(hù)的配合關(guān)系由于配電網(wǎng)傳統(tǒng)繼電保護(hù)中對斷線故障重視不夠，一般情況下均不設(shè)置專門針對斷線故障的保護(hù)，而其他傳統(tǒng)保護(hù)與斷線保護(hù)的重疊部分很少，不需要進(jìn)行定值、延時等方面的整定配合。由于本文提出的斷線保護(hù)采用了零序電壓限值條件，與接地保護(hù)有所聯(lián)系，并且在斷線后繼發(fā)電源側(cè)線路非高阻接地時受零序電流的影響，斷線保護(hù)判據(jù)不滿足，此時應(yīng)由零序保護(hù)切除故障；若為高阻接地，超出了零序電壓、零序電流的測量精度限制，可由斷線保護(hù)切除故障。這種配合屬于動作邏輯上的配合，也不需進(jìn)行定值、延時等方面的整定配合。4

結(jié)語小電阻接地配電網(wǎng)在傳統(tǒng)零序過流保護(hù)的配置和整定上存在對高阻接地不靈敏的不足，在發(fā)生斷線故障后線路掉落地面或者懸空易留下安全隱患。本文提出的斷線保護(hù)，能夠準(zhǔn)確識別單相及兩相斷線故障并定位至故障本級線路，及時切除故障，防止帶故障運(yùn)行造成隱患。該保護(hù)僅使用配電網(wǎng)線路保護(hù)安裝處的單端電氣量，對電壓、電流的精度也沒有特別的要求，采用穩(wěn)態(tài)量判據(jù)，因此易于實(shí)施。而對于斷線后電源側(cè)線路經(jīng)幾百歐姆范圍內(nèi)過渡電阻接地而又高于100?Ω的情