零序電流有功分量方向接地選線保護(hù)原理

小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是單相接地電流較小，單相接地時(shí)不形成短路回路，電力系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運(yùn)行1?2h。但是，長(zhǎng)時(shí)間的接地運(yùn)行，極易形成兩相接地短路，孤光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過(guò)電壓。因此，接地選線保護(hù)裝置近年來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行起到了積極的作用。目前，部分裝置在使用中的表現(xiàn)并不能令人滿意，誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。本文在對(duì)常用的接地選線保護(hù)原理進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，提出一種新的保護(hù)原理——零序電流有功分量方向保護(hù)原理。1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)接地保護(hù)的處理方式各不相同。前蘇聯(lián)的小電流接地系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式和經(jīng)消孤線圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。日本的小電流接地系統(tǒng)中高阻抗和不接地方式均有采用，但電阻接地方式居多⑴。其選線原理較為簡(jiǎn)單，不接地系統(tǒng)主要采用功率方向繼電器，電阻接地系統(tǒng)則采用零序過(guò)電流保護(hù)瞬間切除故障線路。近年來(lái)，在如何獲取零序電流信號(hào)以及接地點(diǎn)分區(qū)段方面作了不少工作，并已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于接地保護(hù)［3］。美國(guó)由于歷史原因，電網(wǎng)中性點(diǎn)主要采用電阻接地方式，也利用零序過(guò)電流保護(hù)瞬間切除故障線路［4?6］。但是，故障跳閘僅用于中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地系統(tǒng)，對(duì)高阻接地系統(tǒng)接地時(shí)僅有報(bào)警功能普，8］。法國(guó)過(guò)去以低電阻接地方式居多，采用零序過(guò)電流原理實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)［2］。隨著城市電纜線路的不斷投入，電容電流迅速增大，故已開(kāi)始采用自動(dòng)調(diào)諧的消孤線圈以補(bǔ)償電容電流。為解決此系統(tǒng)的接地選線問(wèn)題，提出了利用Prony方法和小波變換以提取故障暫態(tài)信號(hào)中的信息(如頻率、幅值、相位)，以區(qū)分故障與非故障線路的保護(hù)方案，但還未應(yīng)用于具體裝置［9,10］。挪威一公司采用測(cè)量零序電壓與零序電流空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位的方法，研制了一種懸掛式接地故障指示器，分段懸掛在線路和分叉點(diǎn)上；加拿大一公司研制的微機(jī)式接地故障繼電器，也采用零序過(guò)電流的保護(hù)原理，其軟件算法部分利用了沃爾什函數(shù)，以提高計(jì)算接地故障電流有效值的速度［11］。我國(guó)配電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)的供電系統(tǒng)大多數(shù)采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消孤線圈接地的運(yùn)行方式，近年來(lái)，一些城市電網(wǎng)改用電阻接地的運(yùn)行方式。礦井6?10kV電網(wǎng)過(guò)去也一直是用中性點(diǎn)不接地方式，隨著井下供電線路的加長(zhǎng)，電容電流增大，近年來(lái)消孤線圈在礦井電網(wǎng)得到了推廣應(yīng)用，并主要采用消孤線圈并、串電阻的接地方式。國(guó)內(nèi)從50年代就開(kāi)始了對(duì)接地保護(hù)原理和裝置的研究，并相繼推出了幾代產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)的選線裝置主要基于零序電流原理、零序功率方向原理、首半波原理、諧波電流方向原理和“信號(hào)注入法”原理［12］。在選線方案上，除常規(guī)的絕對(duì)定值保護(hù)方案外，還有群體比幅比相方案［13］，最大Isin^或△(Isin^)方案［14］。2接地選線保護(hù)原理2.1零序電流原理該原理是基于故障支路零序電流大于非故障支路零序電流的特點(diǎn)，區(qū)分出故障和非故障線路，從而構(gòu)成有選擇性的保護(hù)。這種原理在電網(wǎng)的電容電流較小，又存在長(zhǎng)線路的情況下較難滿足選擇性的要求。同時(shí)，當(dāng)接地點(diǎn)存在電阻時(shí)，易發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象。2.2零序功率方向原理零序功率方向保護(hù)原理是利用故障線路零序電流滯后零序電壓90。，非故障線路零序電流超前零序電壓90。的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前采用這一原理實(shí)現(xiàn)的裝置在實(shí)際電網(wǎng)中應(yīng)用較多，但對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)此原理無(wú)效。2.3首半波原理該原理是基于接地故障發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間這一假設(shè)。它利用故障線路中故障后暫態(tài)零序電流第一個(gè)周期的首半波與非故障線路相反的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。但該原理不能反映相電壓較低時(shí)的接地故障，且受接地過(guò)渡電阻影響較大，同時(shí)也存在工作死區(qū)。2.4諧波電流方向原理由于電力電子傳動(dòng)裝置在供電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用，以及電源變壓器鐵芯非線性的影響，電網(wǎng)中除存在基波成分外，必然還包含一系列諧波成分。故可利用5次或7次諧波電流的大小或方向構(gòu)成選擇性接地保護(hù)。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，因消弧線圈的作用是對(duì)基波而言的，5次或7次諧波電流的分布規(guī)律與中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)一樣，故該原理仍然可行。但由于5次或7次諧波含量相對(duì)基波而言要小得多，且各電網(wǎng)的諧波含量大小不一，故以此原理構(gòu)成的保護(hù)其零序電壓動(dòng)作值往往很高，靈敏度較低，在接地點(diǎn)存在一定過(guò)渡電阻的情況下將出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象。3零序電流有功分量方向原理為克服現(xiàn)有各種原理存在的不足，本文提出一種新的保護(hù)原理：零序電流有功分量方向原理。為說(shuō)明該原理，先以中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)此系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1所示（設(shè)為A相故障，R為接地點(diǎn)過(guò)渡電阻）。圖1中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)零序等效網(wǎng)絡(luò)

Fig.1Zerosequenceequivalentnetwork

ofresistanceneutralgrounding由圖可知，故障線路III始端所反應(yīng)的零序電流為7=—L\[^+j3^（C（）5—Gi）]=—".—3（]口|+兒）對(duì)非故障線路I、II則為3Ich=j3U[,■7W" （3）式中C=C+C+C，為全電網(wǎng)一相對(duì)地電容之和?？梢?jiàn)，流過(guò)故障線路始端的零序電流可分2部分：中性點(diǎn)電阻器Rn產(chǎn)生的有功電流「J,其相位與零序電壓差180。；非故障線路零序電流之和3 '」，相位滯后于零序電壓90。。流過(guò)非故障線路的零序電流只有由本支路對(duì)地電容產(chǎn)生的容性電流，相位超前零序電壓90。。由于有功電流只流過(guò)故障線路，與非故障線路無(wú)關(guān)，因此，只要以零序電壓作為參考矢量，將此有功電流取出，就可十分方便地實(shí)現(xiàn)接地選線保護(hù)。這就是零序電流有功分量方向保護(hù)的基本原理。有功分量的取出，可采用軟件或硬件相敏整流的方法即可方便實(shí)現(xiàn)。對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，目前主要采用消孤線圈并（串）電阻運(yùn)行的派生接地方式，且消孤線圈本身的有功成分較大（實(shí)測(cè)單相接地時(shí)其有功電流達(dá)2?3A）。當(dāng)此系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路始端所反映的零序電流除增加一部分電感性電流外，其余二部分與電阻接地系統(tǒng)相同，因此上述原理仍然可行。對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，流過(guò)故障和非故障線路的零序電流皆為容性，且方向相反。此時(shí)，可采用移相的方法，使故障、非故障線路的零序電流分別與零序電壓反相位、同相位，相當(dāng)于將它們變成了有功電流。因此，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，該保護(hù)原理實(shí)質(zhì)上是零序功率方向原理的延伸，但經(jīng)過(guò)上述處理后，相當(dāng)于將原有的零序電壓、零序電流比相范圍從原有的90。擴(kuò)大到180。，從而創(chuàng)造了更好的選線條件。可見(jiàn)，采用此種保護(hù)原理，可滿足各種中性點(diǎn)接地方式下的接地選線保護(hù)問(wèn)題。以此原理研制成功的接地選線保護(hù)裝置，目前已在我國(guó)大部分礦井電力網(wǎng)得到應(yīng)用，收到了很好的保護(hù)效果。4接地選線保護(hù)裝置的動(dòng)作參數(shù)分析接地保護(hù)的動(dòng)作參數(shù)主要包括電網(wǎng)零序電壓、零序電流和動(dòng)作電阻。日本對(duì)6?10kV電網(wǎng)各種單相接地狀態(tài)下的故障點(diǎn)電阻做過(guò)一些實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。他們認(rèn)為單相接地保護(hù)能檢測(cè)出1k。以內(nèi)的故障即可，對(duì)于高阻值接地故障一般可以不予考慮；而對(duì)消孤線圈系統(tǒng)，則定義故障點(diǎn)電阻在4k。以下為接地故障，對(duì)應(yīng)的零序電壓動(dòng)作值設(shè)定為10?25V［15］。因當(dāng)采用消孤線圈接地方式后，和不接地系統(tǒng)相比，在同樣的接地點(diǎn)電阻值下，零序電壓都將有較大幅度的提高，從而能反映較高阻值的接地情況。由于中壓電網(wǎng)的接地保護(hù)不保護(hù)人身安全，因此，可不將接地點(diǎn)電阻作為動(dòng)作值要求，而將零序電壓作為裝置起動(dòng)整定值。筆者在設(shè)計(jì)接地保護(hù)裝置時(shí)，通過(guò)對(duì)有關(guān)項(xiàng)目論證并結(jié)合煤礦電網(wǎng)特點(diǎn)，對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，零序電壓動(dòng)作值取為10V左右；采用消孤線圈后，其動(dòng)作值則取為20V左右。對(duì)于零序電流動(dòng)作值，可采用群體比幅方案，避免“絕對(duì)定值”方案帶來(lái)的整定麻煩。電網(wǎng)的自然不平衡電壓雖較低(經(jīng)我們對(duì)全國(guó)幾十個(gè)礦井的測(cè)量，6?10kV電網(wǎng)的自然不平衡電壓大多在1V以下)，但當(dāng)出現(xiàn)電壓互感器高壓熔斷器熔斷的情況時(shí)，在開(kāi)口三角處將出現(xiàn)約100/3V的電壓，此時(shí)若再碰上電網(wǎng)的少量不平衡電流(據(jù)實(shí)測(cè)有時(shí)可達(dá)0.3?0.5A)，保護(hù)裝置勢(shì)必會(huì)誤動(dòng)。因此除群體比幅方案外，還應(yīng)給零序電流設(shè)一定動(dòng)作值門(mén)檻，此門(mén)檻值一般取為0.5?1A。5小結(jié)現(xiàn)有的小電流接地系統(tǒng)接地選線保護(hù)原理，皆有一定的局限性。而采用零序電流有功分量方向保護(hù)原理后，可較好地適用于不同中性點(diǎn)接地方式下的接地保護(hù)。接地選線保護(hù)裝置應(yīng)由零序電壓起動(dòng)，其動(dòng)作值對(duì)不接地系統(tǒng)取在10V左右，對(duì)消弧線圈接地系統(tǒng)則應(yīng)有所提高；選線方案應(yīng)采用“群體比幅”加零序電流動(dòng)作門(mén)檻的方法。參考文獻(xiàn)1王敦波.中壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式.［博士學(xué)位論文］.南京：東南大學(xué),19952要煥年.論城市電網(wǎng)接地方式的發(fā)展方向.中國(guó)電力，1993,8TogamiM,AbeNetal.Ontheapplicationofamachinelearningtechniquetofaultdiagnosisofpowerdistributionlines.IEEETransPWRD,1995,10(4)BridgerB.High-resistancegrounding.IEEETransIndAppl,1983,19(1)ScottFE.Newgroundfaultprotectionsystemminimizeselectricalshockhazards.CoalMining&Processing,1981,6DetjenER,ShahKR.Groundingtransformerapplicationsandassociatedprotectionschemes.IEEETransIndAppl,1992,28(4)LoveDJ,HashemiN.Considerationsforgroundfaultprotectioninmedium-voltageindustrialandcogenerationsystems.IEEETransIndAppl,1988,24(4)DeatonRJ.Limitationsofground-faultprotectionschemesonindustrialelectricaldistributionsystems.IEEE-IAS-1984AnnualMeetingChaariO,BastardP.Prony'smethod:aneffecttoolfortheanalysisofearthfaultcurrentsinPetersen-coil-protectednetworks.IEEETransPWRD,1995,10(3)ChaariO,MeunierM.Wavelets:anewtoolfortheresonantgroundedpowerdistributionsystemrelaying.IEEETransPWRD,1996,11(3)GangopadhyayA.AlowcostmicroprocessorbasedgroundfaultrelayusingWalshFunctions.IEEE-IAS-1991AnnualMeeting12桑在中，張慧芬.用注入法實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地保護(hù).電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1996,20(2)