基于零序导纳的小电阻接地系统馈线高阻接地故障保护方法.pdf

第 17 卷 第 7 期2023 年 7 月南方电网技术SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYVol.17，No.7Jul.2023基于零序导纳的小电阻接地系统馈线高阻接地故障保护方法李党1，白浩2，霍建彬1，李巍2，童锐1，袁智勇2（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510620；2.南方电网科学研究院，广州 510663）摘要：针对小电阻接地系统发生单相高阻接地故障时，馈线零序电流低于传统定时限零序过电流保护定值导致保护拒动的问题，提出了一种基于零序导纳的小电阻接地系统高阻接地故障保护方法。首先分析了小电阻接地系统单相接地故障时的电气量特征，通过理论推导发现故障与非故障线路的零序导纳与过渡电阻、故障位置无关，只与系统零序参数和运行方式有关，对于故障线路和非故障线路来说，其零序导纳角具有很大的差异。进一步地，通过量化计算，在导纳复平面内对故障区域和非故障区域进行了划分。测试结果表明所提方法性能较好，且耐受过渡电阻能力在1.4 k以上。关键词：小电阻接地系统；高阻接地故障；零序导纳角；继电保护High-Resistance Ground Fault Protection Method Based on Zero-Sequence Admittance in Low-Resistance Ground SystemsLI Dang1,BAI Hao2,HUO Jianbin1,LI Wei2,TONG Rui1,YUAN Zhiyong2（1.Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510620,China；2.Electric Power Research Institute,CSG,Guangzhou 510663,China）Abstract：When a single-phase and high-resistance ground fault occurs in the low-resistance ground system,the feeder zero-sequence current is lower than that of the traditional time limit zero-sequence over current protection fixed value,leading to the problem of protection.This paper proposes a high-resistance ground fault protection method based on zero-sequence admittance in low-resistance ground system.Firstly,the electrical quantitative characteristics are analyzed when the single-phase ground fault of the low-resistance ground system occurs.Through the theoretical derivation,it is found that the zero-sequence admittances of the fault line and non fault line are not related to the transition resistance and fault position,but only to the system zero-sequence resistance and operation mode.And for the fault line and non fault line,there is a significant difference in theirs zero-preparation admittance angles.Furthermore,through quantitative calculations,the fault area and non-fault area are divided in the admittance compound plane.The results show that the tolerance transition resistance capacity of proposed method is above 1.4 k.Key words：low-resistance ground systems；high-resistance ground fault；zero-sequence admittance angle；relay protection0引言随着城市配电网线路电缆化程度不断提高，中性点经消弧线圈接地方式已经难以补偿较大的电容电流和实现自动熄弧1。而中性点经小电阻接地方式具有降低过电压出现的概率和过电压持续时间、有效抑制间歇弧光接地过电压以及快速切除故障等优点，被越来越广泛地应用于大中型城市配电网中 2。小电阻接地配电网普遍采用零序过流保护切除单相接地故障，其动作定值的整定计算需要考虑躲过被保护线路电容电流和正常运行时最大不平衡电文章编号：1674-0629（2023）07-0095-08 中图分类号：TM862文献标志码：ADOI：10.13648/ki.issn1674-0629.2023.07.011基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0902902）；中国南方电网有限责任公司科技项目（GZHKJXM20200081）。Foundation item：Supported by the National Key Research and Development Program of China（2017YFB0902902）；the Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co.，Ltd.（GZHKJXM20200081）.南方电网技术第 17 卷流的影响，因此零序过流保护的动作定值都比较高，一般为4060 A3。发生高阻接地故障时4-5，故障电流比较小，常规保护难以识别高阻接地故障。虽然高阻故障不影响系统对用户的正常供电，但是极易引发人体触电和电气火灾事故，所以对小电阻接地系统高阻接地故障保护方法的研究具有重要意义。近年来，很多国内外学者对上述问题提出了自己的解决方法。现有的小电阻接地系统高阻接地故障保护方法可以分成两类。1）基于暂态信息的故障保护方法。文献 6 根据高阻接地故障时，故障线路与非故障线路伏安特性曲线畸变程度不同，提出了峰值检测法和极值检测法。该方法抗噪性能较好，但是对软硬件系统要求较高，工程实现较为困难。文献 7 利用小波包频段分解对零序电压进行能量特征提取，将零序电压小波包能量比作为高阻故障的识别特征量，但是该方法易受到高次谐波和三相不平衡电流的影响，可能会发生保护误动。文献 8 利用故障点电弧的变化特性，提出了一种基于零序电流畸变凹凸性的高阻接地故障识别方法，灵敏度较高，但是容易受到噪声干扰。文献 9 利用电路线性元件、高阻接地非线性电阻的伏安特性，提出了基于非线性电阻识别的高阻接地故障识别方法，但是对于过渡电阻非线性特性不明显的故障难以识别。文献 10 根据沙质土壤发生高阻接地故障时三次谐波电流的测量值与基波电流的比值关系，结合三次谐波电流与基波电压的相位差来识别高阻接地故障。基于暂态信息的保护方法对硬件设备要求较高、经济性差，虽然灵敏度较高，但是也易受干扰，造成保护误动。2）基于稳态信息的故障保护方法。文献 11-15 提出了基于各出线零序电流及中性点零序电流的差异构建的集中式高阻接地故障保护，该类方法对不同线路采样的同步性要求较高。文献 16 在现有零序电流保护的基础上，利用母线零序电压对测量零序电流进行修正，补偿过渡电阻对零序电流带来的影响，提高了现有零序电流保护的耐受过渡电阻能力。文献 17 结合传统反时限过电流保护输入电流大动作时间短的特点，提出一种利用接地故障零序电流的反时限过电流保护，该方法显著减小了零序过流保护的电流定值。此外，也有学者将人工智能算法18-22应用到高阻接地故障保护中。相比于暂态法，稳态法的可靠性更高，但是目前大量的稳态方法原理复杂，整定困难，难以应用于工程实际。传统零序导纳法23-24的故障选线方案多用于消弧线圈接地系统中，而谐振接地电网往往运行在略微过补偿状态，无论是故障线路还是非故障线路的零序导纳角都会集中在正虚轴附近，造成判据整定困难，保护易误动的问题。本文针对小电阻接地系统，理论推导了母线出口处零序电压与线路始端零序电流的关系，分析了故障线路和非故障线路零序导纳的相量关系，在导纳复平面中划分了保护区域，由此提出了一种基于零序导纳的小电阻接地系统单相高阻接地故障保护方法，有效地避免了传统零序导纳法误动的问题。最后通过PSCAD/EMTDC进行了大量仿真，验证了所提方法的准确性与有效性。1小电阻接地系统单相接地故障特征1.1小电阻接地系统单相接地故障分析如图1所示的是10 kV小电阻接地系统单相接地示意图。假设系统有n条馈线，其中第n条馈线在f点发生单相接地故障，故障相为A相，T1为系统主变压器，T0为接地变压器，Rf为故障点过渡电阻，Rg为中性点接地电阻，Cs为母线对地杂散电容。充分考虑了线路对地电容对零序电流的影响，线路采用形等值电路模型。由对称分量法可得图1系统对应的单相接地故障复合序网如图2所示，零序网络如图3所示。图中，Z1、Z2、Z0为从短路点向网络的序等效阻抗；E为等效电源电动势；If(0)为故障点处零序电流。由图2可得故障点处零序电压为：图110 kV小电阻接地系统单相接地故障的单线示意图Fig.1Single-line schematic diagram of the single-phase ground fault in 10 kV low-resistance ground system96第 7 期李党，等：基于零序导纳的小电阻接地系统馈线高阻接地故障保护方法Uf(0)=-If(0)Z0=-EZ0Z1+Z2+Z0+3Rf（1）结合图3和式（1），故障点上游零序电流为：Iup(0)=Uf(0)Yup(0)=-EZ0Yup(0)Z1+Z2+Z0+3Rf（2）Yup(0)=jc0lnu2+1/z0lnu+2jc0lnu/1jCs(0)/(jLg+3Rg)/1Y(0)（3）式中：Yup(0)为零序网络中故障点上游等效导纳；C0为线路单位长度对地零序电容；Z0为线路单位长度零序阻抗；lnu为故障点上游线路长度；Lg为接地变压器零序电感；Y(0)为n-1条非故障线路等效导纳。由故障点零序电压和故障点上游零序电流，根据形等值电路参数矩阵，可推出故障线路零序电流和母线出口处零序电压。In(0)=-EZ0jc0lnu-z0(c0)2l3nu4-Yup(0)(1+12jc0z0l2nu)Z1+Z2+Z0+3Rf（4）UM(0)=-EZ01+12jc0z0l2nu-z0lnuYup(0)Z1+Z2+Z0+3Rf（5）1.2单相接地故障零序导纳特征分析由式（4）和式（5）可以看出，过渡电阻只存在分母中，当过渡电阻越大时，故障线路零序电流和母线出口处零序电压就会越小。而且两个公式都有相同的分母，相除则可以消去含过渡电阻的项，从而得到不受过渡电阻影响的单相接地故障特征。则故障线路零序电流与母线出口处零序电压之比，即故障线路零序导纳YF为：YF=In(0)UM(0)=jc0lnu-z0(c0)2l3nu4-Yup(0)(1+12jc0z0l2nu)1+12jc0z0l2nu-z0lnuYup(0)（6）将式（3）代入式（6），进行化简整理，得到：YF=In(0)UM(0)=-(Y(0)+jCs(0)+13Rg+jLg)（7）另一方面，如果从网络拓扑看，故障线路零序导纳应该为非故障线路、中性点经小电阻接地线路的等效导纳值与母线对地杂散电容的和，且方向相反。可以得到与式（7）相同的结论。与故障线路不同，非故障线路零序电流与母线出口处零序电压比，即非故障线路零序导纳就是本条线路实际的零序导纳为：YN=Ii(0)UM(0)=Yi(0)（8）式中：YN为非故障线路零序测量导纳；Ii(0)为第i条线路的零序电流；Yi(0)为第i条线路实际的零序导纳。由式（7）和式（8）可知，在单相接地故障时非故障线路测得的零序导纳为该线路实际零序导纳；而故障线路测得的零序导纳则与其实际零序导纳不同，其幅值与导纳角发生了明显变化。而且不论是非故障线路还是故障线路，其零序导纳都只与系统零序参数、系统运行方式有关，不受过渡电阻、故障位置和负荷的影响，在系统运行方式不变和不考虑测量误差和三相不平衡时，其零序导纳为定值。下面结合实际对故障特征作进一步分析。对于非故障线路，其零序导纳（即线路实际零序导纳）受线路长度影响，根据配电网技术导则图2单相接地故障复合序网Fig.2Single-phase ground fault compound sequence network图3单相接地故障零序网络Fig.3Zero-sequence network of single-phase ground fault97南方电网技术第 17 卷（Q/GDW103702016）25第 5.12.3 条规定，要求10 kV线路供电半径不宜超过15 km。带入10 kV电缆YJLV-3300参数26，即非故障线路零序导纳角N与线路长度的关系如图4所示。因此，得出非故障线路零序导纳角的范围：N 90 o（9）对于故障线路，其零序导纳受系统零序参数、非故障线路零序等效导纳Y(0)以及杂散电容Cs的影响，其相量图如图5所示。由图5可以看出，随着非故障线路回数和单回线长度增加，其零序等效导纳会增大，故障线路零序导纳角也随之增大。当系统只有故障线路，无其他非故障线路时，F取最小值，有：minF=arg(-13Rg+jLg)（10）式中：接地变压器零序阻抗一般为j10 27，中性点接地电阻一般为1020 28。式（10）表明，在jLg为定值时，F的最小值又受到Rg取值的影响，在Rg取10 时，F取得真正的最小值。为验证上述分析的准确性，令Rg取10，jLg取j10，非故障线路每条馈线长度取15 km，带入式（7）中，即有故障线路零序导纳角F与非故障线路回数的关系如图6所示。由以上分析可得，非故障线路零序导纳角小于90，而故障线路零序导纳角总是大于160，但不会超过270，这是由于中性点经小电阻接地线路的存在，对故障线路零序导纳角起到了支撑和限制的作用。这也使得零序导纳法应用在消弧线圈接地系统中的不足，即过补偿时故障线路零序导纳角在正虚轴附近，与非故障线路零序导纳角区分度低的问题，在小电阻接地系统中不会发生。2基于零序导纳的高阻接地故障保护方法2.1基本原理线路零序导纳不受故障位置、过渡电阻和负荷大小的影响，只与系统零序参数和运行方式有关，且在发生单相接地故障时故障线路与非故障线路零序导纳角差异明显，因此利用线路零序导纳的相角特征构建保护判据。对于有n条馈线的系统，通过测量线路始端零序电流和母线出口处零序电压，计算线路的零序导纳角。考虑到实际情况下由于故障线路及非故障线路零序电流方向存在偏移量、电压电流测量误差等情况的存在，可以保留一定的裕量。若零序导纳角在150 270 o的范围内，则认为该条线路发生单相接地故障；若零序导纳角小于90，则认为该条线路未发生单相接地故障。由此构建如式（11）所示的保护判据。150 o i=arg(Ii(0)UM(0)3A（12）当然，为了进一步提高保护耐受过渡电阻能力，可采用测量精度更高的零序电流互感器。2.2.2启动零序电压整定值3US该算法耐受过渡电阻能力也同样受到启动零序电压整定值3US的影响，其要考虑系统在正常运行下的不平衡电压问题。由文献 29 可知小电阻接地系统最大不平衡零序电压为31.6 V。为了尽可能提高保护的耐受过渡电阻能力，建议使用专用的零序电 压 互 感 器，启 动 零 序 电 压 整 定 值3US可 取94.8 V。2.3保护流程图本文所提小电阻接地系统馈线高阻接地故障保护方法流程图如图8所示。由于实际中保护装置接入的是3倍零序电压、电流，所以图中分量均为3倍零序值。3算例分析按图1在PSCAD中搭建10 kV小电阻接地系统仿真模型，中性点接地电阻取10，接地变压器零序阻抗取j10，线路采用 10 kV 电缆 YJLV-3300，线路参数中，正/负序电阻、电抗和电容参数为：r1=0.105 0/km，x1=0.080 0/km，c1=0.470 0 F/km；零序电阻、电抗和电容参数为：r0=1.050 0/km，x0=0.320 0/km，c0=0.409 0 F/km；单回线长度为15 km。保护算法中其他参数设置为：3IS=3 A，3US=94.8 V。设置第一条线路发生A相单相接地故障，通过改变过渡电阻、故障位置和非故障线路回数，可以得到母线出口处零序电压和故障线路零序电流的变化情况。表1为经线性过渡电阻接地情况下的仿真结果和保护启动情况。可以看到，零序电流的大小主要受过渡电阻的影响，随着过渡电阻的增大，零序电流越来越小。在过渡电阻1.4 k的时候，零图7故障保护区域划分图Fig.7Division of fault protection area图8基于零序导纳的高阻接地故障保护流程图Fig.8Flow chart of high-resistance ground fault protection based on zero-sequence admittance99南方电网技术第 17 卷序电压、电流仍大于启动定值，保护仍能可靠启动。表2为线性过渡电阻接地时的故障线路和非故障线路零序导纳角及保护动作情况。由表2可以看出，故障线路的零序导纳角几乎不受故障位置和过渡电阻大小的影响，其主要受到了非故障线路回数的影响，非故障线路回数越多，零序导纳角越大，但是其总是大于150 的，满足保护判据，能准确切除故障线路，与理论计算结果一致。而非故障线路零序导纳角总是小于90 的，不会发生误判。表1经线性过渡电阻接地情况下的保护启动情况Tab.1Start-up status of protection in the case of grounding via linear transition resistanceRf/05001 0001 400故障位置/km07.51507.51507.51507.515非故障线路回数0612061206120612061206120612061206120612061206123UM()0/V17.98 k17.38 k16.74 k12.83 k12.71 k12.45 k9.71 k9.71 k9.48 k379.59374.48323.84354.31349.60302.38328.43324.10280.33191.75189.27163.35179.54177.24152.98166.93164.80142.24137.36135.61116.97128.74127.10109.64119.80118.29102.033I1()0/A568.49523.72551.06405.85383.05409.98307.18292.57311.9612.0011.2810.6611.2010.539.9510.399.769.236.065.705.385.685.345.045.284.964.684.344.093.854.073.833.613.793.563.36启动情况启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动启动表2经线性过渡电阻接地情况下的仿真结果Tab.2Simulation results for the case of grounding via linear transition resistance非故障线路回数0612故障位置/km07.51507.51507.515Rf/05001 0001 40005001 0001 40005001 0001 40005001 0001 40005001 0001 40005001 0001 40005001 0001 40005001 0001 40005001 0001 400故障线路仿真值/（）161.56161.56161.56161.56161.56161.56161.56161.56161.56161.56161.56161.56183.01183.01183.01183.01183.01183.01183.01183.01183.01183.01183.01183.01203.57203.57203.57203.57203.57203.57203.57203.57203.57203.57203.57203.57保护动作情况动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作非故障线路仿真值/（）89.5689.5689.5689.5689.5689.56保护动作情况不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作100第 7 期李党，等：基于零序导纳的小电阻接地系统馈线高阻接地故障保护方法3.1间歇性弧光接地故障下的性能测试为了模拟非线性电弧故障，本文采用控制论电弧模型与线性电阻串联，控制论电弧模型在Mayr模型的基础上引入电弧长度，其方程为：dg/dt=(Gs-g)/s（13）式中：g为电弧电导；Gs为稳态电弧电导；s为电弧时间常数。通常Gs与s的经验公式为：Gs=|iarcVplarc（14）s=Islarc（15）式中：iarc为电弧电流；Vp为单位弧长压降；larc为电弧长度；为经验系数。在本文中，控制论电弧模型参数设置为：Vp=17 V cm，larc=15 cm，=2.85 10-5。表3为电弧接地故障时的线路零序导纳角及保护动作情况，可以看出本文所提算法在面对间歇性电弧故障时，仍能保持正确动作。3.2噪声影响下的性能测试将信噪比（signal to noise，SNR）为 10 dB 的白噪声加入到所测量的所有信号中，图9为加入白噪声之后的故障线路零序电流波形。表4为加入白噪声后的仿真结果及保护动作情况，可见本文所提算法在面对噪声影响时，仍能正确识别故障，具有一定的鲁棒性。本文所提方法在低阻、高阻、弧光接地和噪声影响时都有良好的表现，具有很好的选择性和可靠性。本保护方法耐受过渡电阻能力在1.4 k以上，若采用高精度的互感器，耐受过渡电阻能力会进一步提高。4结语本文通过对小电阻接地系统单相接地故障零序电流、电压分布特征的分析，提出了一种基于零序导纳角的小电阻接地系统馈线高阻接地故障保护方法。零序导纳角作为保护判据，只与系统零序参数和运行方式有关，不受过渡电阻、故障位置的影响。且故障线路与非故障线路区别明显，不存在重叠区，因此具有较好的灵敏性和可靠性。相较于现有的小电阻接地系统高阻接地保护方法，本文所提保护算法耐受过渡电阻能力可达到表3电弧接地故障的仿真结果及保护动作情况Tab.3Simulation results for arc-earth faults and the operation of the protection非故障线路回数6故障位置/km07.515Rf/05001 0001 40005001 0001 40005001 0001 400故障线路仿真值/（）182.72185.02187.10188.79183.07185.29187.55189.38183.09185.52187.99189.99保护动作情况动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作非故障线路仿真值/（）89.3689.3289.3189.3089.3489.3589.3589.3589.3489.3489.3489.34保护动作情况不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作图9加入白噪声后的故障电流波形Fig.9Fault current waveforms after adding white noise表4加入白噪声后的仿真结果及保护动作情况Tab.4Simulation results and protection actions after adding white noise非故障线路回数6故障位置/km07.515Rf/05001 0001 40005001 0001 40005001 0001 400故障线路仿真值/（）183.36185.51188.71190.63183.29185.77189.25191.38183.36185.93189.46191.74保护动作情况动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作动作非故障线路仿真值/（）89.8889.0189.3689.9289.7789.6889.7689.9689.7089.3989.6889.32保护动作情况不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作不动作101南方电网技术第 17 卷1.4 k，且本文方法无需额外加装保护装置，仅在已有保护装置基础上，利用本条馈线电气信息便可以实现保护，经济性较好，原理清晰，整定方便，易于工程实现。参考文献1LI Jie，BI Haoran，LI Chengxin，et al.Analysis and calculation method for multiple faults in low-resistance grounded systems with inverter-interfaced distributed generators based on a PQ control strategyJ.International Journal of Electrical Power&Energy Systems，2022，138（17）：1-11.2徐丙垠，李天友，薛永端配电网继电保护与自动化 M 北京：中国电力出版社，2017.3TANG Tao，HUANG，Chun，HUA Leng，et al.Single-phase high-impedance fault protection for low-resistance grounded distribution networkJ.IET Generation Transmission&Distribution，2018，12（10）：2462-2470.4俞小勇，秦丽文，桂海涛，等.新一代人工智能在配电网智能感知与故障诊断中的应用 J.南方电网技术，2022，16（5）：34-43.YU Xiaoyong.Qin Liwen，Gui Haitao，et al.Application of new generation artificial intelligence 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