小电流单相接地故障检测及新判据

摘 要：文章在综述了国内外小电流接地系统单相接地故障保护现状的基础上，分析了目前各种保护原理的优点与不足，介绍了新颖的零序电流有功分量方向保护原理。当前在小电流接地的电力系统,尤其是经消弧线圈接地的系统中, 虽然所装设的接地检测(选线)装置品种和数量都很多,但正确动作率不高。经对这些装置的接地检测(选线)判据进行分析,得出正确动作率不高的原因,找到接地检测(选线)的新判据。

关键词：中性点非直接接地系统；单相接地故障选线；零序电流有功分量

1. 引言
    小电流接地系统(NUGS)广泛应用于国内的供用电系统，66kV, 35kV,6kV, 3kV和部分380V系统均为NUGS，接地方式多为不接地系统(NUS)或消弧线圈接地系统(NES)，近年也出现了电阻接地方式(NRS)。因NUGS中单相接地电流很小，但是，长时间的接地运行，极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，保护或选线难度很大。为此，生产实践中希望尽快准确地选出故障线路并及时将之切除。国内自1958年以来从第一台小电流接地故障选线装置研制成功到现在，电网单相接地故障选线问题的研究已经走过了几十年的历程，但现场运行的结果表明，装置的选线效果并不理想，平均80%的选线装置因为选线效果不佳退出了运行。

2．各种选线原理分析：

    ①稳态分量法。稳态分量法又分为零序电流比幅法，零序电流相对相位法，以及群体比幅比相法。零序电流比幅法利用的是流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比较零序电流幅值大小就可以找出故障线路。但这种方法不能排除TA不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它所有线路电容电流之和的情况，装置易发生误动，不适用于经消弧线圈接地的系统。

    零序电流相对相位法是利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，分别从线路流向母线或由母线流向线路，就可以找出故障线路。但这种方法在线路较短，零序电压、零序电流值较小时，相位判断困难，不能适用于谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式。
   
    群体比幅比相法是综合利用零序电流比幅法和零序电流相对相位法，先进行零序电流比较，选出几个较大的作为侯选，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其它不同的，即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除TA不平衡及过渡电阻大小的影响，以及相位判断的死区，仍不适用于经消弧线圈接地的小电流系统。

    ②谐波分量法。谐波分量法分为5次谐波大小和方向，各次谐波平方和等方法。

    5次谐波大小和方向法，当单相接地故障时，由于故障点、线路设备的非线性影响，在故障电流中存在着谐波信号，其中以5次谐波为主。经消弧线圈接地系统的消弧线圈是按照基波计算的，消弧线圈相当于处于开路状态。可忽略消弧线圈对5次谐波产生的补偿效果。再利用5次谐波电容电流的群体比幅比相法，就可以解决经消弧线圈接地系统的选线问题。但故障电流中5次谐波含量较小(小于故障电流10%)，且受TA不平衡电流和过渡电阻的影响，选线的准确度也不是很稳定。

    各次谐波平方和方法是将3、5、7等谐波分量求和，再根据谐波理论进行选线。虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但不能从根本上解决问题。

    ③利用接地故障暂态过程的选线法(即暂态分量法)。暂态分量法可分为首半波法和基于小波分析法。

    首半波法是基于接地发生在相电压接近最大瞬间这一假设，此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减特性，该电流不经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零瞬间，而故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流为零。此时的暂态电容电流比电感电流大得多。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点，即可实现选线。但这种方法存在前提条件是故障需发生在相电压接近最大值瞬间，不利于在具体工程中实施。

    基于小波分析法是利用小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化比较敏感，能可靠地提取出故障特征。小波变换是把一个信号分析成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就构造出利用暂态信号进行接地选线的判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的，需综合分析母线零序电压和各出线零序电流的小波变换参数，才有助于对故障线路的准确选线判断。

    ④接地选线和消弧线圈自动补偿一体化的选线方法。

    ⑤为降低单相接地电容电流过大造成的各种危害，在配电网的中性点装设消弧线圈，消弧线圈的电感电流补偿了单相接地电容电流，却使以群体比幅比相法的接地选线装置丧失了选线作用。近几年，虽然有针对中性点消弧线圈接地而发展的选线装置，但由于采集单相接地信号很困难，在实用中误判率较高。采用微机控制和动态改变接地电感，可解决补偿和选线的矛盾。在系统发生单相接地时，微机控制器先根据检测到的零序电压和零序电流的大小及方向，确认为单相接地时，使消弧线圈感抗很大远离全补偿，感性电流很小，对单相接地电容电流影响很小，对选线没有影响，待装置确认了单相接地故障线路并记忆保存后，装置再进行自动补偿，使脱谐度不超过±5%。 

3. 接地检测的新判据

    当系统所接线路较多、较长、或电缆较多时,系统对地电容电流较大(超过10A), 按规程规定应装设消弧线圈进行补偿,使流过故障点的接地电流小于5A,减轻故障损失。由于消弧线圈的补偿作用(一般为过补偿),使接地线路的零序电流(为电感电流)与非故障线路的零序电流相位基本相同,超前零序电压约90度,幅值也不一定比非故障线路的零序电流大。因此,无法以基波零序电流方向来判断出接地线路。对于零序电流里的5次谐波分量则不同,因为对5次谐波而言,电容的电抗减小5倍,电感的电抗增大5倍,通过消弧线圈的零序电流5次谐波分量很小,不起补偿作用。接地线路零序电流里的5次谐波分量滞后于零序电压里的5次谐波分量约90度,与未接地线路零序电流里的5次谐波分量方向相反,理论上讲,利用零序电流里的5次谐波分量的方向可以判断选出接地故障线路。 

    按上述分析,理论上讲可以判断出接地线路。但是,实际上确不能准确判断出接地线路, 对于中性点经消弧线圈接地系统，因消弧线圈的作用是对基波而言的，5次或7次谐波电流的分布规律与中性点不接地电网一样，故该原理仍然可行。但由于5次或7次谐波含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一，故以此原理构成的保护其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低，在接地点存在一定过渡电阻的情况下将出现拒动现象。

    为克服现有各种原理存在的不足，本文提出一种新的保护原理：零序电流有功分量方向原理。

    用零序电压启动, 零序电压Uo³Uozd(整定值)时启动,在启动后经1秒开始进行下述判断,可以避开暂态干扰。

    判断故障（零序）基波电流的有功分量和有功功率的大小,可以准确的找出接地故障线路。
按下式算出有功功率值：t+T
Pa=1/T òt U0（t）·I0（t）·dt
式中T为积分周期。
按下述原则判定接地线路：
对接地线路：┃Pa┃ ³ Pozd
未接地线路：┃Pa┃< 0.2-0.3·Pozd
Pozd=0.5·Pqa。
Pqa为消孤线圈的有功功率损耗。

    由于有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，因此，只要以零序电压作为参考矢量，将此有功电流取出，就可十分方便地实现接地选线保护。这就是零序电流有功分量方向保护的基本原理。有功分量的取出，可采用软件或硬件相敏整流的方法即可方便实现。

4. 结论

    依据本文所采用的选线原理设计的选线系统在一定误差下该系统能够实现横向选择性和纵向选择性，选线装置在此基础上再做进一步的开发工作,将会具有很大的实用价值。
现有的小电流接地系统接地选线保护原理，皆有一定的局限性。而采用零序电流有功分量方向保护原理后，可较好地适用于不同中性点接地方式下的接地保护。接地选线保护装置应由零序电压起动，其动作值对不接地系统取在10V左右，对消弧线圈接地系统则应有所提高。