小電流接地系統單相接地故障選線原理綜述

0 引言
　　 目前世界各國的配電網都采用中性點不直接接地方式（NUGS）。因其發生接地故障時，流過接地點的電流小，所以稱其為小電流接地系統。可分為中性點不接地系統（NUS）、中性點經電阻接地系統（NRS）和中性點經消弧線圈接地系統（NES）。故障時由于三個線電壓仍然對稱，特別是中性點經消弧線圈接地系統，流過接地點的電流很小，不影響對負荷連續供電，《電力系統安全規程》規定仍可繼續運行0.5~2個小時。但小接地電流系統在單相接地時，非故障相電壓會升為線電壓，長時間帶故障運行極易產生弧光接地，形成兩點接地故障，引起系統過電壓，從而影響系統的安全。因此，需要一種接地后能選擇故障線路的裝置進行故障檢測，一般不動作于跳閘而僅動作于信號。
　　
　　1 研究狀況回顧
　　 國外對小電流接地保護的處理方式各不相同。前蘇聯采用中性點不接地方式和經消弧線圈接地方式，保護主要采用零序功率方向原理和首半波原理。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，但電阻接地方式居多，其選線原理較為簡單，不接地系統主要采用功率方向繼電器，電阻接地系統采用零序過電流保護瞬間切除故障線路。近年來一些國家在如何獲取零序電流信號及接地點分區段方面作了不少工作并已將人工神經網絡應用于接地保護。美國電網中性點主要采用電阻接地方式，利用零序過電流保護瞬間切除故障線路，但故障跳閘僅用于中性點經低阻接地系統，對高阻接地系統，接地時僅有報警功能。法國過去以地電阻接地方式居多，利用零序過電流原理實現接地故障保護，隨著城市電纜線路的不斷投入，電容電流迅速增大，已開始采用自動調諧的消弧線圈以補償電容電流，并為解決此種系統的接地選線問題，提出了利用Prony方法[1]和小波變換以提取故障暫態信號中的信息（如頻率、幅值、相位）以區分故障與非故障線路的保護方案，但還未應用于具體裝置。挪威一公司采用測量零序電壓與零序電流空間電場和磁場相位的方法，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上。加拿大一公司研制的微機式接地故障繼電器也采用了零序過電流的保護原理，其軟件算法部分采用了沃爾什函數，以提高計算接地故障電流有效值的速度。90年代，國外有將人工神經網絡及專家系統方法應用于保護的文獻。
　　
　　 我國配電網和大型工礦企業的供電系統大都采用中性點不接地或經消弧線圈接地的運行方式，近年來一些城市電網改用電阻接地運行方式。礦井6~10kV電網過去一直采用中性點不接地方式，隨井下供電線路的加長，電容電流增大。近年來消弧線圈在礦井電網中得到了推廣應用并主要采用消弧線圈并串電阻的接地方式。單相接地保護原理研究始于1958年，保護方案從零序電流過流到無功方向保護，從基波方案發展到五次諧波方案，從步進式繼電器到群體比幅比相，以及首半波方案，先后推出了幾代產品，如許昌繼電器廠的ZD系列產品，北京自動化設備廠的XJD系列裝置，中國礦大的μP-1型微機檢漏裝置和華北電力大學研制的系列微機選線裝置等。
　　
　　2 單相接地時NUGS的主要特征
　　 現對NUGS單相接地故障前后的特征歸納如下:
　　
　　 (1) 零序電壓互感器開口電壓通常為零。(實際上由于不平衡電壓的影響小于5V)。接地后接近100V(金屬性接地:經電阻接地U02∈(30,100))。
　　
　　 (2) 非接地線路(設線路序號為K)的零序電流Iok為該線路對地等效電容電流，相位超前零序電壓U090°。
　　
　　 (3) 接地線路的零序電流I0和非接地線路的零序電流方向相反，即相位滯后零序電壓U090°，且等于所有非接地線路中電容電流與變壓器中性點電流之和。
　　
　　 (4) 對經消弧線圈接地系統(NES)，零序電流5次諧波對以上結論成立。
　　
　　 (5) 以上結論，與故障點接地電阻，系統運行方式，電壓水平和負荷無關。
　　
　　 常規微機小電流接地選線裝置的工作原理一般都是基于以上幾個特點設計的，但實現方式和可靠性程度不盡相同。
　　
　　3 對幾種選線保護原理的討論
　　 3.1 早期的單一判據原理
　　
　　 由于線路自身的電容電流可能大于系統中其他線路的電容電流之和，所以按零序電流大小整定的過電流繼電器理論上就不完善，它還受系統運行方式、線路長短等許多因素的影響，而導致誤選、漏選、多選;“功率方向”原理采用逐條檢測零序電流I0功率方向來完成選線功能，當用于短線路時，由于該線路的零序電流小，再加之功率方向受干擾，在一定程度上選線是不可靠的，更多地發生誤、漏選情況; 用各線路零序電流作比較，選出零序電流最大的線路為故障線路的“最大值”原理，在多條線路接地或線路長短相差懸殊的情況下，很可能造成誤選和多選;“首半波”原理基于接地故障發生在相電壓接近最大值瞬間這一假設，利用故障后故障線路中暫態零序電流每一個周期的首半波與非故障線路相反的特點實現選擇性保護，但它不能反映相電壓較低時的接地故障，且受接地過渡電阻影響較大，同時存在工作死區; 利用5次或7次諧波電流的大小或方向構成選擇性接地保護的“諧波方向”原理，由于5次或7次諧波含量相對基波而言要小得多，且各電網的諧波含量大小不一，故其零序電壓動作值往往很高，靈敏度較低，在接地點存在一定過渡電阻的情況下將出現拒動現象。
　　
　　 3.2 群體比幅比相原理
　　
　　 此種方法為多重判據，多重判據即為用二種及以上原理為判據，增加可靠性和抗干擾性能力，減少受系統運行方式、長短線、接地電阻的影響。文[2]采用幅值法與相位法相結合，先用“最大值”原理從線路中選出三條及以上的零序電流I0最大的線路，然后用“功率方向原理從選出的線路中查找零序電流I0滯后零序電壓U0的線路，從而選出故障線路。該方案稱為3C方案，因排隊后去掉了幅值小的電流，在一定程度上避免了時針效應，另外排隊也避免了設定值，具有設定值隨動的“水漲船高”的優點。它既可以避免單一判據帶來的局限性，也可以相對縮短選線的時間，是較理想的方式。
　　
　　 3C方案中，因I3也可能較小，由此相位決定是I2還是I1接地可能引起誤判，I3越小，誤判率越高，為此文[3]提出的MLN系列微機選線裝置擴展了4種選線方案，除3C方案外，增加了2C1V、1C1V、2C、1C方案，由計算機按不同條件選擇合適的方案或人為設定方案判線，判線準確率得到進一步改善。
　　
　　 小電流系統單相接地投入保護跳閘后，要求保護裝置具有更高的可靠性。文[4]將模糊決策理論引入了MLN-R系列小電流微機保護屏，將5種選線方案按模糊決策組合裁決，給出跳閘出口的同時還打印出可信度。
　　
　　 3.3 “注入法”原理[5]
　　
　　 它不利用小電流接地系統單相接地的故障量，而是利用單相接地時原邊被短接暫時處于不工作狀態的接地相PT，人為地向系統注入一個特殊信號電流，用尋跡原理即通過檢測，跟蹤該信號的通路來實現接地故障選線。當系統發生單相接地時，注入信號電流僅在接地線路接地相中流動，并經接地點入地。利用一種只反映注入信號而不反映工頻及其諧波成分的信號電流探測器，對注入電流進行尋蹤，就可實現單相接地故障選線與接地點定位。其主要特點有: (1)勿需增加任何一次設備不會對運行設備產生任何不良影響。(2)注入信號具有不同于系統中任何一種固有信號的特征，對它的檢測不受系統運行情況的影響。(3)注入信號電流僅在接地線路接地相中流通，不會影響系統的其它部位。
　　
　　 3.4 注入變頻信號法
　　
　　 為解決“S注入法”在高阻接地時存在誤判的問題，文[6]提出注入變頻信號法。其原理是根據故障后位移電壓大小的不同，選擇向消弧線圈電壓互感器副邊注入諧振頻率恒流信號還是向故障相電壓互感器副邊注入頻率為70Hz的恒流信號，然后監視各出線上注入信號產生的零序電流功角、阻尼率的變化，比較各出線阻尼率的大小，再計及線路受潮及絕緣老化等因素可得出選線判據。但當接地電阻較小時，信號電流大部分都經故障線路流通，導致非故障線路上阻尼率誤差較大。
　　
　　 3.5 最大△(Isinj)原理
　　
　　 圖1為理想情況下單相接地故障后零序電壓與故障、非故障零序電流的相量關系。其中，3U0為故障后出現的零序電壓,在故障前它的大小為零; 3I0,F為故障線路的零序電流，它超前3U090°; 3I0,N為非故障線路的零序電流，它滯后3U090°, 比3I0,F在數值上小很多; 3I0,T為變壓器的接地電流，它與接地故障判斷無關。因此，理想情況下，只要對各出線零序電流的大小或方向進行比較，就可找出故障線路。但當變電站為三相架空出線時，3I0的大小和方向要受到CT的不平衡電流Ibp的影響。最壞的情況是，由于Ibp 的影響，實際檢測得到的故障線路的零序電流3I′0,F=（3I0,F+Ibp,F）與非故障線路的零序電流3I′0,N=（3I0,N+Ibp,,N)方向相同。顯然，此時只對各出線零序電流的大小或方向進行比較將會造成誤判。




為了解決上述問題，文[7]提出最大△(Isinj)方案: 把所有線路故障前、后的零序電流3I0,I,前、3I0,I,后都投影到3I0,F方向上。接著，計算出各線路故障前、后的投影值之差△I0,I，找出差值的最大值△I0,k,即最大的△(Isinj)。顯然，當I0,k>0時，對應的線路k為故障線路，否則為h段母線故障。
　　
　　 該原理實際上是一種最大故障電流突變量原理，能完全克服CT誤差引起的不平衡電流的影響，減少了誤判的可能性，靈敏度高適用范圍廣，是現有判別方法中較成功、有效的一種方法。但其算法有兩個缺陷: 計算過程中需選取一個中間參考正弦信號，如果該信號出現問題將造成該算法失效; 該算法在計算過程中需求