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)一般采用中性點非有效接地方式，包括三種中性點非有效接地系統(tǒng)（ns）。中性點通過消弧圈接地，即振幅接收系統(tǒng)（nes）。中性點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)點在于接地電流小，瞬時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，為了防止因非故障相電壓升高、絕緣損壞而導致故障擴大，必須快速準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。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、應用條件和優(yōu)缺點；對于最新的研究成果和改進措施，給予重點關(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，中性點非有效接地方式得到了廣泛應用，其保護原理從過流、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、有功分量均可以實現(xiàn)快速選線。德國是中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的發(fā)源地，早在20世紀30年代就提出了基于接地故障暫態(tài)過程的保護原理，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)等方法應用于接地選線保護。我國自20世紀50年代起就對此問題進行研究，80年代中期研制出微機型接地選線裝置，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確地找出故障線路，實際應用效果較好。但是對于NES系統(tǒng)，由于消弧線圈電感的補償作用，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，電抗值遠大于電網(wǎng)對地容抗值，消弧線圈對于高次諧波電流的補償作用很小，對高次諧波回路可近似看做中性點不接地系統(tǒng)，此時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，實際應用中多以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用較多，但效果并不好，主要有以下幾點原因：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，限制了其應用。2.2自由0.電流選線及點道選擇實際NES系統(tǒng)中存在消弧線圈電阻、線路電導等有功分量，而消弧線圈電感不能補償有功分量，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。基于這一原理的選線方法有多種，一種是檢測中性點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個分量，通過比較同相分量的幅值、相位進行選線。該方法在有功分量較小的情況下容易引起較大的誤差，因此有文獻提出將消弧線圈與電阻串、并聯(lián)的中性點接地方式，在永久性接地時短時投入電阻，以增大零序電流的有功分量，可提高選線準確率。該方法的缺陷在于人為增大了接地點的電流，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。實際運行中的主要問題在于：當線路及消弧線圈的電阻較小時，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)正常運行時，每條饋線的零序?qū)Ъ{0Y&為線路的自然導納，由線路的對地電容電納b和泄漏電導g組成，電導和電納均為正數(shù)，其表達式為(第k條饋線)該線路單相接地時，其零序測量導納值0Y&′變?yōu)橄【€圈零序?qū)Ъ{與非故障線路零序?qū)Ъ{之和的負數(shù)，其表達式可簡化為式中：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。對比式(1)(2)可以看出，不論補償脫諧度(υ>0,υ<0,υ=0)如何，接地前后零序?qū)Ъ{的電導部分符號均發(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。判斷電導符號的實質(zhì)就是判斷有功方向，因此可以認為零序?qū)Ъ{法是有功分量法的一種擴展。其改進之處在于，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)量級通常遠大于電導的數(shù)量級，這樣判斷會更靈敏。由式(2)可知，在諧振補償?shù)那闆r下(即υ=0時)，線路故障前后的零序?qū)Ъ{值的電納部分沒有改變，僅零序電導改變。由于線路的零序電導相對電納很小，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，文獻提出了“零序補償導納”的概念，其方法是預先測量或計算每條線路的電納，計為基準值，然后將線路測量導納與其相減，定義為補償導納，即如果線路的電納值測量或計算準確，那么對于正常線路其補償導納值只有一個正的電導分量，在導納平面上位于正實軸上。對于故障線路，結(jié)合式(2)，其補償導納值為對于υ=0情況，為一負實數(shù)，零序補償導納位于負實軸上。對比正常線路的正實軸分布，這樣處理相當于增大了正常線路和故障線路判斷區(qū)間的相角裕度。然而實際中精確測量線路的基準電納值較為困難，補償導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償導納均有可能偏向?qū)Ъ{平面的正虛軸，造成誤判。實際應用中，可以將零序?qū)Ъ{法的基本原理與微機保護結(jié)合，通過微機采樣、檢測、并實時計算系統(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保護裝置就是這樣實現(xiàn)的，具有很高的靈敏度；同時依靠被測信號的差值進行判斷，可去除TA測量誤差影響，有效提高了選線準確率。2.4零序電流變化時的基本處理基于擾動原理的選線方式是配合自動跟蹤補償消弧線圈的廣泛應用而發(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，這樣接地點的殘流相應改變，故障線路的零序電流也隨之改變。該方法最開始的應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)脫諧度時零序電壓變化量也較大，導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提出了改進措施，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，折算的實質(zhì)是對線路零序?qū)Ъ{的計算。理論上正常線路，故障線路，考慮測量及量化誤差，實際應用中仍然可以按照“變化量最大”作為判據(jù)。文獻提出一種線路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，該方法將線路導納計算值折算處理(乘以UA)，可以將較小的導納數(shù)值成比例放大，避免了因測量、量化誤差導致的故障線和健全線的導納計算結(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，對預調(diào)式消弧線圈不可用，針對這一問題文獻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，該信號感應到系統(tǒng)一次側(cè)，并通過接地點構(gòu)成回路，可以在配電網(wǎng)出線端檢測注入信號的強弱判斷故障線路。基于該方法的選線裝置在我國曾大量地投入現(xiàn)場運行，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對地構(gòu)成回路，還可以通過線路對地分布電容、中性點消弧線圈回流，如果接地電阻遠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中提到了這些問題，并給出了3條改進意見：降低注入信號的頻率、應用注入信號的相位信息和應用雙頻信號。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，影響判斷的準確性。利用注入信號的相位信息實際上是結(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，仍有待進一步改善。文獻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TV注入電網(wǎng)諧振頻率信號，并測量零序信號電壓，計算接地電阻，進行高阻接地故障辨識；通過測量各出線零序信號功角來計算線路阻尼率，進行故障選線。注入電網(wǎng)諧振頻率信號的優(yōu)點是：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)生在相電壓過零點附近時，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)信號的特征量進行故障選線。小波變換具有時頻聚焦特性，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和難點。此外，還有的根據(jù)故障后暫態(tài)分量能量比較大的特點，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)進行選線。還有文獻介紹用Prony方法分析暫態(tài)信號進行選線的方法。2.7序電流法相對零序電流法存在的問題文獻提出利用負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)中性點不接地，低壓側(cè)中性點直接接地，這使得負載不平衡產(chǎn)生的負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荷，負載不平衡現(xiàn)象比較嚴重，導致負序電流法在實際應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)，接地故障的情況復雜，單一的選線判據(jù)往往不能覆蓋所有的接地工況。應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)，以實現(xiàn)多種選線方法的綜合和判據(jù)最優(yōu)化。目前的難點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