零序電流有功分量方向接地選線保護原理

摘要　文章在綜述了國內外小電流接地系統(tǒng)單相接地故障保護現狀的基礎上，分析了目前各種保護原理的優(yōu)點與不足，介紹了新穎的零序電流有功分量方向保護原理，并對接地選線保護裝置的動作參數進行了論述。 關鍵詞　小電流接地系統(tǒng)　接地保護　選擇性　動作參數小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點是單相接地電流較小，單相接地時不形成短路回路，電力系統(tǒng)安全運行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運行1～2h。但是，長時間的接地運行，極易形成兩相接地短路，弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓。因此，接地選線保護裝置近年來在現場得到了廣泛應用，為保證電網的安全運行起到了積極的作用。目前，部分裝置在使用中的表現并不能令人滿意，誤動、拒動現象時有發(fā)生。本文在對常用的接地選線保護原理進行分析比較的基礎上，提出一種新的保護原理——零序電流有功分量方向保護原理。1　國內外研究現狀　　國外對接地保護的處理方式各不相同。前蘇聯的小電流接地系統(tǒng)采用中性點不接地方式和經消弧線圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理�！　∪毡镜男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)中高阻抗和不接地方式均有采用，但電阻接地方式居多［1］。其選線原理較為簡單，不接地系統(tǒng)主要采用功率方向繼電器，電阻接地系統(tǒng)則采用零序過電流保護瞬間切除故障線路。近年來，在如何獲取零序電流信號以及接地點分區(qū)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［3］�！　∶绹�由于歷史原因，電網中性點主要采用電阻接地方式，也利用零序過電流保護瞬間切除故障線路［4～6］。但是，故障跳閘僅用于中性點經低阻接地系統(tǒng)，對高阻接地系統(tǒng)接地時僅有報警功能［7，8］�！　》▏�過去以低電阻接地方式居多，采用零序過電流原理實現接地故障保護［2］。隨著城市電纜線路的不斷投入，電容電流迅速增大，故已開始采用自動調諧的消弧線圈以補償電容電流。為解決此系統(tǒng)的接地選線問題，提出了利用Prony方法和小波變換以提取故障暫態(tài)信號中的信息如頻率、幅值、相位，以區(qū)分故障與非故障線路的保護方案，但還未應用于具體裝置［9，10］。　　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，也采用零序過電流的保護原理，其軟件算法部分利用了沃爾什函數，以提高計算接地故障電流有效值的速度［11］�！　∥覈�配電網和大型工礦企業(yè)的供電系統(tǒng)大多數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的運行方式。礦井6～10　kV電網過去也一直是用中性點不接地方式，隨著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�！　� 國內從50年代就開始了對接地保護原理和裝置的研究，并相繼推出了幾代產品。目前國內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“信號注入法”原理［12］。在選線方案上，除常規(guī)的絕對定值保護方案外，還有群體比幅比相方案［13］，最大Isinφ或ΔIsin φ方案［14］。2　接地選線保護原理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，區(qū)分出故障和非故障線路，從而構成有選擇性的保護。這種原理在電網的電容電流較小，又存在長線路的情況下較難滿足選擇性的要求。同時，當接地點存在電阻時，易發(fā)生拒動現象。2.2　零序功率方向原理　　零序功率方向保護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。的特點來實現的。目前采用這一原理實現的裝置在實際電網中應用較多，但對中性點經消弧線圈接地的系統(tǒng)此原理無效。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。它利用故障線路中故障后暫態(tài)零序電流第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。但該原理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　　由于電力電子傳動裝置在供電網中的推廣應用，以及電源變壓器鐵芯非線性的影響，電網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成選擇性接地保護。對于中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)，因消弧線圈的作用是對基波而言的，5次或7次諧波電流的分布規(guī)律與中性點不接地電網一樣，故該原理仍然可行。但由于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，故以此原理構成的保護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　零序電流有功分量方向原理　　為克服現有各種原理存在的不足，本文提出一種新的保護原理：零序電流有功分量方向原理。為說明該原理，先以中性點經電阻接地的系統(tǒng)為例進行說明。當此系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，零序等效網絡如圖1所示設為A相故障，R為接地點過渡電阻。圖1　中性點經電阻接地系統(tǒng)零序等效網絡Fig.1　Zero sequence equivalent networkof resistance neutral grounding　　由圖可知，故障線路Ⅲ始端所反應的零序電流為　　1　　對非故障線路Ⅰ、Ⅱ則為　　2　　3式中　C0Σ＝C0Ⅰ＋C0Ⅱ＋C0Ⅲ，為全電網一相對地電容之和�！　】梢�，流過故障線路始端的零序電流可分2部分：中性點電阻器RN產生的有功電流，相位滯后于零序電壓90。。流過非故障線路的零序電流只有由本支路對地電容產生的容性電流，相位超前零序電壓90。。　　由于有功電流只流過故障線路，與非故障線路無關，因此，只要以零序電壓作為參考矢量，將此有功電流取出，就可十分方便地實現接地選線保護。這就是零序電流有功分量方向保護的基本原理。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現�！　�對中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)，目前主要采用消弧線圈并串電阻運行的派生接地方式，且消弧線圈本身的有功成分較大實測單相接地時其有功電流達2～3A。當此系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，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�！　�對于中性點不接地系統(tǒng)，當發(fā)生接地故障時，流過故障和非故障線路的零序電流皆為容性，且方向相反。此時，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，相當于將它們變成了有功電流。因此，對于中性點不接地系統(tǒng)，該保護原理實質上是零序功率方向原理的延伸，但經過上述處理后，相當于將原有的零序電壓、零序電流比相范圍從原有的90。擴大到180。，從而創(chuàng)造了更好的選線條件。　　可見，采用此種保護原理，可滿足各種中性點接地方式下的接地選線保護問題。以此原理研制成功的接地選線保護裝置，目前已在我國大部分礦井電力網得到應用，收到了很好的保護效果。4　接地選線保護裝置的動作參數分析　　接地保護的動作參數主要包括電網零序電壓、零序電流和動作電阻�！　∪毡緦�6～10kV電網各種單相接地狀態(tài)下的故障點電阻做過一些實測和統(tǒng)計。他們