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1、第 26 卷 第 2 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.26 No.2 Jan.2006 2006 年 1 月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013(2006)02-0052-06 中图分类号：TM77 文献标识码：A 学科分类号：47040 小电流接地系统自适应单相接地保护新原理 林湘宁,翁汉琍,吴科成,刘海峰,刘 沛(华中科技大学电力工程系,湖北省 武汉市 430074)A Novel Adaptive Protection Principle of the Single-Phase E
2、arth Fault of the Non-Effectively Grounded Power Systems LIN Xiang-ning，WENG Han-li，WU Ke-cheng，LIU Hai-feng，LIU Pei，(Electrical Engineering Department,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074,Hubei Province,China)ABSTRACT：The conventional methods depend on the magnitude or phase c
3、omparison between the feeders connected to a common busbar,which is difficult to be implemented in a feeder protection and installed in a FTU.A novel principle of negative-sequence current compensation based adaptive zero-sequence over-voltage protection is therefore proposed.The inverse time delay
4、characteristic is adopted by the basic zero-sequence over-voltage protection.On the basis of the analysis of the transient negative current,a compensated voltage can be generated with multiplying the rms value of the negative sequence transient current of the feeder by a settable compensated reactan
5、ce,then combined with the magnitude of the zero-sequence voltage to consist of the compounded compensated voltage,which can be utilized to revise the characteristics of the inverse time-delay.By this means,the zero-sequence overvoltage protection will possess the selectivity.The effectiveness of the
6、 proposed method has been verified with the results of the theoretical analysis and simulations.Besides,the reliability of power supply in the event of permanent single-phase earth fault and busbar fault are discussed as well,and corresponding solutions are proposed.KEY WORDS:Power system;Non-effect
7、ively grounded system,faulted feeder selection,Adaptive zero-sequence overvoltage,negative-sequence current compensation 摘要：传统的故障选线采用集中比较各条出线的零序电流大小或相位，不便在馈线保护中实现及现场终端单元(FTU)上安装。该文提出一种新的基于负序电流补偿的自适应零序过电压保护原理。其基本保护采用零序过电压保护，动作时间采用反时限特性；在分析接地故障负序暂态电流分布特点 基金项目:国家自然科学基金项目（50177011）。Project supported by
8、National Science Foundation of China(50177011).的基础上，利用线路负序电流暂态有效值与一个可整定的补偿电抗相乘，形成补偿电压，并与零序电压幅值合成复合补偿电压，利用该电压对基本的反时限动作特性曲线进行修正，使零序过电压保护具有选择性。理论分析和仿真结果证明了方法的有效性。此外，还对采取该保护方案后，永久性线路故障和母线故障情况下如何保证供电的可靠性进行了讨论，提出了相应的解决方案。关键词：电力系统；小电流接地系统；故障选线；自适应零序过电压保护；负序电流补偿 1 引言 配电网采用中性点不直接接地方式运行时，发生接地故障情况下，流过接地点的电流很小，
9、所以称其为小电流接地系统1。在小电流接地系统发生单相接地故障时，虽然接地点故障电流小，对供电设备不至马上造成很大的危害，但如果不及时地进行有效的处理，仍然可能导致严重后果2。尽管人们在接地故障的识别方面已有新的发现，并积累了不少经验，但中压电网接地故障（尤其是在接地电阻不可忽略时）的准确定位仍是正被深入研究、乃至在某种程度上具有争议性的课题3。为了提高配电自动化水平，出现了一些故障选线方法，这些方法一般需要集中比较各条出线的电流大小或相位，使得仪器接线复杂，且现场运行可靠性不高4-5。随着小波分析等新信号处理工具的引入，也出现了一些根据暂态电流特定频带特征进行选线的方法6-13。由于故障，特别
10、是谐振接地系统故障时，暂态电流的成分与诸多因素有关，这些方法还需要经受实践的检验。文献14分PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 2 期 林湘宁等：小电流接地系统自适应单相接地保护新原理 53 析了小电流接地系统发生接地故障时负序电流的分布，提出了一系列基于负序电流的保护新原理，为实现基于就地测量量的馈线接地保护提供了新的思路。然而，这些方法在具体实施时可能会遭遇一些困难，如：负序过流保护，整定时需要避开健全线的最大负序电流，在配电系统中可能由于各条线路所带负荷变化很大，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，对前
11、者来说，系统侧的负序电流不一定能很方便地得到，对于后者来说，金属接地故障时故障相电压接近 0，且消弧线圈工作在谐振状态附近时，故障支路的电流近似为零，作为故障总电流 1/3 的负序电流及其分配也近似为零，在 TV、TA 变换线性度范围、装置 A/D 变换精度有限等因素的影响下，极小电压（电流）甚至是零电压（电流）的相位很难正确测量，所以，上述2 种判据都存在一定的局限性。利用故障相电压和支路负序电流直接乘积积分构成的暂态能量保护在一定程度上能弥补上述不足，但其整定可能相对困难。文献15提出了基于负序和零序基波电流大小的接地保护，对负序和零序电流保护设置一个精工电流门槛，当负序和零序基波幅值均大
12、于门槛时，启动接地保护。接地保护采用反时限特性，在一定程度上具有了自适应的特点。但由于采用基波电流作为判断依据，当系统发生故障时，如果消弧线圈工作在谐振点附近，保护处分配的负序电流很可能远小于精工电流，导致保护灵敏度不足或失去选择性。另外，在不同补偿方式下，保护处观测到的负序电流和零序基波电流大小可能存在很大差别，用同一个过电流定值无法适应实际系统的要求。因此，基于负序的单相接地故障保护要真正能够适应各种运行方式和故障情况，还有工作要做。本文提出一种新的负序电流补偿零序电压的自适应接地保护，希望能为该问题的解决提供有益的借鉴。2 负序电流补偿零序电压自适应接地保护 故障点产生的负序电流流向电源
13、和负载，流向电源的负序电流在公共母线处再进行一次电流分配，分别流向电源和健全线路14。在配电网中系统高压侧负序阻抗折算到低压侧时值很小，而配电网绝大部分为辐射网络，每条馈线的负荷不大，负荷阻抗值却较大，接地故障产生的负序电流大部分由故障点经故障线路流向电源，而非故障线路的负序电流相对很小。因此，通过比较单相接地故障时各出线负序电流的大小即可构成接地保护。但是，集中式比较的方法难以与馈线保护结合为一体并在开关柜上就地安装，需要寻找新的思路。另外，一般希望故障严重时（金属性接地故障），保护能够尽快地动作，而轻微故障时，可通过恰当的延时保证选择性。显然，零序电压的大小正是这样一个指标，采用如图 1
14、所示的反时限特性即可实现上述目的。0 60 top/s 60 60 5 5 5 1 2 3 1.1V0set V0set 10V0set V0/kV 图1 零序过电压保护的反时限特性 Fig.1 The inverse time-delay characteristic of the zero-sequence over-voltage protection 当零序电压越限后，保护的动作时间特性满足图2中的曲线1，且其曲线段采用以下的反时限特性：000set/(/1)optTVV=(1)式中 V0set为零序过电压定值；V0为测量到的零序电压；T0为为。参数T0和根据下述3个原则确定：（1）当
15、V0setVphase时，动作时间固定为5s。实际上，单相短路故障时，理论上不可能出现V0Vphase。但一般按照额定电压整定Vphase，系统轻载时，相电压可能要略高于额定电压，导致V0Vphase。在此考虑V0set=0.1Vphase，由此制定出曲线1。根据上述原则，确定参数T0=16.824，=0.552。由于系统中任何一点发生单相接地故障时，各条馈线观测到的是同一个零序电压，因此，保护的选择性是通过式(2)定义的补偿电压实现的。precomp2setVI X=(2)式中 I2为负序电流的模值；Xset为补偿电抗。连接于同一母线的所有馈线，其补偿电抗都取同一整定值。式(2)定义的电压被
16、称为前补偿电压。基于负序电流的大小关系，故障线路的前补偿电压要远高于非故障线路，有望利用该补偿电压实现选择性的接地保护。要达到这个目的，需要用到式(3)定义的复合补偿电压和式(4)定义的补偿系数。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 54 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷 comp0precompVVV=+(3)comp0comp/KVV=(4)由式(3)、(4)知道，故障线路的补偿系数要明显小于非故障线路，因此可采用补偿系数对式(1)中的标准反时限特性进行修正，得 comp 000set/(/1)optKTVV=(5)由式(5)知，对应于同一零序电压，补偿
17、系数大的线路动作时间相对较长，对应图1中的曲线2；补偿系数小的线路动作时间相对较短，对应于图1中的曲线3，因此故障线路的保护一定最先动作。当故障线路被正确切除后，故障消失，零序过电压元件返回，所有健全线路的保护均复归，由此保证了保护的选择性。而且故障电流越大，零序电压越高，动作时间越快。从这个意义上说，本保护具有自适应的特点。（从保证配电供电可靠性的角度，如果没有其他手段辅佐，保护快速动作并不一定是最佳的选择。本保护的合理实现方式将在后续章节讨论）。根据上面的分析，由于故障时各条线路的稳态负序电流可能均非常小，如果不能识别，将导致保护失去选择性，故在此考虑用暂态负序电流作为补偿的基量。在高频暂
18、态情况下，消弧线圈的补偿作用可以忽略，故障支路仍然可能有相当可观的暂态电流，并在负序网中分配。暂态过程可被看成是一个复杂的波过程。在故障线入射波抵达母线并透射到系统和健全线路的初始波过程中，健全线和故障线的暂态波不仅幅值有差别，极性也有明显的区分。故障线的入射波幅值最大，而且极性与其他线路的透射波相反。但在故障入射波多次折反射的过程中，除了初始入射波外，后续波过程的极性信息已经在多次叠加中无法识别了。出于经济性考虑，装置的AD采样率不宜过高，建议在每周波96点左右。这样，初始波头的信息可能失去，所以，极性的信息就变得不可靠，无法利用了。而后续波过程的幅值基本由初始波决定，虽然极性信息不确定，暂
19、态过程是一个高频振荡的过程，但捕捉到的幅值信息仍然是可信的，而且大部分情况下，其模值要远大于其稳态值。本文据此提出一种基于补偿的自适应保护原理。故障发生（零序电压越限）后，各条线路的保护采集记录本线路一段时窗内（如4个周波）的各相电压、电流，继而合成负序电流和零序电压，并计算出零序电压的基波幅值。对负序电流，则要找出其中绝对值最大的采样值I2max，并代入式(2)计算补偿电压。算法的时窗长应以充分考虑包容暂态过程中出现最大的采样值为宜，仿真结果表明，最大的负序电流采样值都出现在故障后的12个周波内，本文选4个周波时窗比较适宜。由于各种干扰的存在，保护在实际运行中有可能使非故障线路的负序电流绝对
20、值最大的采样值大于故障线路的负序电流绝对值最大的采样值，从而造成误判。在估算负序电流暂态值时，采用下述方法：在4个周波时窗内，首先选出采样点的最大绝对值。以最大值的50%作为门槛，数据窗内越过该门槛的点都参加有效值运算，即求平方和后再开方。对于因各种干扰产生的健全线最大采样值大于故障线的情况，该虚假最大值点更有可能是孤立点，即其他采样点要远小于该点，而对于真正的故障线，在最大采样值的邻域，一定还有大小可比的采样点，采用平均技术后，判别的可靠性应能得到加强。和基于基波相量的保护相比，基于瞬时最大值的负序电流保护对TA的要求相对较低。在数字式保护中，如果馈线上只装设两相CT和零序CT，负序电流可以
21、通过零序电流和另外两相电流合成得到，由于相CT测量到的负荷电流一般在额定工作点附近，只需零序电流的暂态量，一般要远大于稳态量，能落在量程之内，即使实际的负序电流很小，仍然可以进行精确测量。至于补偿电抗，其大小并不重要，只要所有的线路取相同的定值即可。3 仿真分析 采用EMTP 仿真软件对图2所示10kV 配电网进行仿真分析。和选线算法有关的系统参数分别为：电源为110kV；负序阻抗为4j32；变压器为Y/接线，110kV/10.5kV；线路为C00.006F/km；负荷为Z2Ld=240j180。配网的出线条数和线路长度如图2所示，所有线路所带负荷均相同。根据该配网参数，可计算出配网侧相电压为
22、6kV，线路总等效容抗为4244。根据上述整定原则，可确定动作门槛和整定电抗分别为600V和4244。30km 25km 35km 20km 15km L1 L2 L3 L4 L5 L1 L2 L3 L4 L5 Rf 图2 中性点非有效接地的10kV配电网 Fig.2 The 10kV distribution grid of the neutral non-effectively grounded PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 2 期 林湘宁等：小电流接地系统自适应单相接地保护新原理 55 本文根据中性点接地方式、补偿度、故障点、故障接地方式、故障过渡电阻
23、及负荷等不同的几十种情况做了较为全面的仿真，取得了大量的数据。限于篇幅，仅选取部分数据与波形列于图3、4及表1。(a)(b)(c)(d)(e)0 0.04 0.08 0.12 0.16 t/s0-1 0 0 0 0 0.2-0.2 0.2-0.2-1 1 1-1 I2L5/A I2L4/A I2L3/A I2L2/A I2L1/A 图3 线路1故障时5条出线的负序电流 Fig.3 The negative-sequence currents of five feeder while the single-phase fault occurs on feeder 1 0 0.04 0.08 0.
24、12 0.16 t/s 0-1-2 I2(0)L1/A I0L1 I2L1 图4 线路1的负序和零序电流比较 Fig.4 The comparison between the negative-sequence current and zero-sequence current of feeder 1 算例1 过补偿8%，Rf=1k，故障发生在馈线L1，故障点距离保护安装处26km，合闸角为50。在所设故障条件下，5条线路的负序电流如图3所示，故障线路负序电流与零序电流的对比如图4所示，母线的零序电压见图5。保护测量和计算得到的各参数见表1的第1行。从图3和表1可见，故障线路负序电流模极大值明
25、显大于健全线最大的负序电流模极大值，对应的故障线路动作时间tpop=2.234s，健全线路动作的最快时间thmop=4.147s，两者相差1.913s，显然这个时间差足以保证故障线路的断路器可靠切除故障。此后零序过电压元件返回，健全线的保护不动作。另外，从图4可见，在故障初始的暂态过程中，零序电流和负序电流的确具有相似性和可比性，利用零序容抗作为暂态负序电流的补偿电抗有其合理性。一些有代表性的补偿方式和故障条件下的保护动作情况见表1。由表1可见，在谐振补偿并存在50k高阻接地的故障条件下，故障线路保护动作时间和健全线路最短的保护动作时间最为接近，为345ms，而在其他情况下，该时差均在1s以上
26、。如今的断路器故障切除时间已经能做到几十毫秒，345ms的时差应当足够保证保护的选择性。另外，通过调整反时限动作特性曲线的参数，还可以将该时差进一步放大，增强保护的选择性。表1 各种补偿和故障条件下判据的动作情况 Tab.1 The operation summary of the criterion in a variety of compensation modes and fault conditions 补偿方式 故障点/km 接地电阻/合闸角/()V0/V I2f/A I2hm/A tfop/s thmop/s 过补偿 8%26 1K 50 5750 1.685 0.334 2.23
27、4 4.147 过补偿 15%15 10K 20 3800 0.310 0.056 4.963 6.272 过补偿 20%5 60K 40 680 0.053 0.015 39.443 47.765 过补偿 3%2 10 30 6020 18.941 2.557 0.357 1.775 谐振补偿 12 50K 70 3420 0.062 0.017 6.667 7.012 欠补偿 8%6 10 30 5920 8.388 1.457 0.728 2.445 过补偿 67%28 0.1 50 5980 8.722 2.212 0.669 1.964 无补偿 4 5K 45 1630 0.692
28、0.081 4.473 10.424 0 0.04 0.08 0.12 0.16 t/s 0 10-10 V0/kV 图5 母线零序电压波形 Fig.5 The zero-sequence voltage waveform of the busbar 4 采用自适应保护的小电流接地系统单相接地故障保护方式之探讨 4.1 概述 对配电网单相接地故障形成的保护方式，可融合于馈线的间隔单元，并作用于一次性重合方式，即：保护跳闸后经过一段时间无条件重合，并不再跳开，根据从故障发生到重合完成这段时间内观测到的零序电压变化发出故障区段指示，如果在跳闸期间零序过压保护复归，重合后又重新越过定值，则判定为本线
29、路永久接地故障，发出本线路故障信号；如果零序过压保护全过程均越限，则判为母线故障，发出母线故障信号。随着配电自动化水平的提高，各个 FTU 有可能通过通信信道完成信息的交互，从而使得对故障的判断更加精确，供电可靠性水平更高。下面将根据各 FTU 间无通信和有通信 2种模式探讨恰当的保护方式。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 56 中 国 电 机 工 程 学 报 第 26 卷 4.2 无通信模式 在无通信模式下，若采用一次重合方式，保护采取的动作逻辑为：故障启动后，各条线路上的过电压保护按修正后的动作时间动作。其间，若过电压元件复归，则记录该事件；在无补偿零序过电压保
30、护的最长动作时间内，若过电压元件始终没有再次启动，则认为瞬时性故障发生在其他线路并被成功切除，此时不发告警信号；若过电压元件再次启动，则认为永久性故障发生在其他线路，此时闭锁本线路的保护并不发出告警信号；如果本线路过电压保护延时计数器顺利完成计数，则保护跳闸并经过一段短延时后重合；如果跳闸期间以及重合后过电压保护始终不复归，则发出母线故障的告警信号；如果重合后过电压元件再次启动，则发出本线路故障信号；否则认为故障已经消除，不发告警信号。采用这种动作逻辑后，各种可能的情况讨论如下：（1）某条线路上发生瞬时性单相接地故障，故障线路的补偿过电压保护最先跳闸，本线路和其他线路的零序过电压保护均复归，本
31、线路的保护重合后，所有线路的零序过电压保护均不越限，故障被成功消除。（2）某条线路上发生永久性单相接地故障，故障线路的补偿过电压保护最先跳闸，本线路和其他线路的零序过电压保护均复归，本线路的保护重合后，各条线路的零序过电压保护重新启动，根据上述的动作逻辑，本线路的保护不再跳闸（为一次重合方式），并发出本线路故障的告警信号。根据上述的动作逻辑，其他线路的保护识别故障发生在非本线路上，闭锁保护并不发告警信号。（3）母线上发生单相接地故障。所有线路均经历故障跳闸重合的过程，且在全过程中零序过电压保护均未复归，所有线路均发出母线故障的信号。第 1 种情况下故障被成功消除，没有任何故障告警信号。这种情况
32、将占所有故障情况的80%以上；对第(2)、(3)种情况，应由运行人员巡视同一母线上所有线路保护的指示信号。如果只有其中一条指示为线路故障，则判断该线路发生了永久性接地故障，其他线路和母线均处于健全状态，此时，应将该线路所带负荷及时转移到其他线路上，同时应及时进行巡线工作，排除故障；如果所有线路均判定为母线故障，则该故障为母线故障。应及时将该母线的负荷转移到其他母线上，并对母线的故障进行排查。4.3 有通信模式 这里仅讨论主从通信模式下的保护方式。即各个 FTU 均配备有一个接收来自上位机、比如说通信管理机的开入，作为单相接地保护出口的闭锁信号。各个 FTU 的自主决策过程与无通信模式的决策过程
33、完全一致。FTU 做出最终决策后，将决策发往上位机。上位机接受到第 1 个 FTU 的决策信号后，对其他的 FTU 馈线保护采取合适的闭锁策略。对这种保护模式下可能出现的各种情况讨论如下：（1）某条线路上发生瞬时性单相接地故障。此时和无通信保护模式下的情况完全相同，故障线路跳闸并重合后，所有线路的零序过电压保护均不越限，故障被成功消除，在此期间，所有健全线路的保护均可靠地不跳闸。（2）某条线路上发生永久性单相接地故障。故障线路的补偿过电压保护最先跳闸，本线路和其他线路的零序过电压保护均复归，保护重合后，各条线路的零序过电压保护重新启动，本线路的保护不再跳闸（为一次重合方式），并发出本线路故障的
34、信号，该信号同时发往上位机。上位机接收到该信号后，判断为该线路故障，向健全线路发出闭锁信号，这些线路的保护也能做到可靠地不跳闸。（3）母线上发生单相接地故障。在这种情况下，必有某一条线路最先动作，并最先完成跳闸重合过程，在跳闸期间，零序过电压保护不复归，判为母线故障，向上位机发送母线故障信号。上位机接收到该信号后，向其他线路发送闭锁信号。总之，和无通信模式下的情况相比，第(1)、(2)种情况的模式效果相同。第（3）种情况，如果某一条线路的负序电流明显大于其他线路，在它完成跳闸重合过程、向上位机发送故障信号、上位机下传闭锁信号这段时间内，其他线路还没有完成第 1次跳闸，这样，只有 1 条线路短时
35、跳闸，其他线路均可靠地不跳闸。在其他情况下，由于各个 FTU 必将接收到来自上位机的闭锁信号，一般不会出现所有线路均短时跳闸的情况。和无通信保护的模式相比，该模式的供电可靠性将明显提高。应该指出，第(2)、(3)种（尤其是第(3)种）情况，在现实中出现的几率是相当少的。采用基于自适应保护原理的馈线单相接地保护后，总体供电可靠性应当是有所提高的。运行人员只需处理永久性故障和母线故障的情况，工作负担将大为减少，适应配电自动化的要求。5 结论 根据对小电流单相接地故障的分析，故障线路PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 第 2 期 林湘宁等：小电流接地系统自适应单相接地保护新
36、原理 57 的负序暂态电流要远大于健全线路，而且在高阻接地情况下，该电流也能被有效地识别，故考虑采用该负序暂态电流形成补偿电压，修正零序过电压保护的动作时间，形成选择性的馈线接地保护。通过适当的参数整定，无论系统补偿方式和故障方式如何变化，在发生线路单相瞬时性故障的情况下故障线路的保护动作时间和健全线路的动作时间之差完全可以保证大于断路器的操作时间，健全线路的保护将在故障被切除后及时返回。当发生线路单相永久性接地故障和母线故障时，通过设计合理的保护方式，供电可靠性也可以得到最大限度的保证。仿真结果表明文中所提算法是一种具有强鲁棒性的小电流接地系统单相接地保护算法。可适应配电自动化的要求。参考文
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48、ith small current neutral grounding JPower System Technology，2000，24(06)：9-13，17 14 曾祥君，尹项根，张哲配电网接地故障负序电流分布及接地保护原理研究J中国电机工程学报，2001，21(06)：84-89 Zeng Xiangjun，Yin Xianggen，Zhang ZheStudy for negative sequence current distributing and ground fault protection in middle voltage power systemsJProceedings
49、 of the CSEE，2001，21(06)：84-89 15 曾祥君，尹项根，陈德树适应配电自动化的馈线接地保护研究J电力系统自动化，2000，24(15)：37-41 Zeng Xiangjun，Yin Xianggen，Chen DeshuFeeder grounding fault protection to implement distribution automationJAutomation of Electric Power Systems，2000，24(15)：37-41 收稿日期：2005-10-08。作者简介：林湘宁（1970-），男，副教授，研究方向为电力系统继电保护与控制；翁汉琍（1980-），女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护；吴科成（1982-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护；刘海峰（1981-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护；刘 沛（1944-），女，教授，博士生导师，研究方向为继电保护及变电站综合自动化。（责任编辑 喻银凤）PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建