零序电流有功分量方向接地选线保护原理
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摘要
文章在综述了国内外小电流接地系统单相接地故障保护现状的基础上，分析了目前各种保护原理的优点与不足，介绍了新颖的零序电流有功分量方向保护原理，并对接地选线保护装置的动作参数进行了论述。
小电流接地系统的优点是单相接地电流较小，单相接地时不形成短路回路，电力系统安全运行规程规定可继续运行1～2h。但是，长时间的接地运行，极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压。因此，接地选线保护装置近年来在现场得到了广泛应用，为保证电网的安全运行起到了积极的作用。中试控股电力讲解目前，部分装置在使用中的表现并不能令人满意，误动、拒动现象时有发生。本文在对常用的接地选线保护原理进行分析比较的基础上，提出一种新的保护原理——零序电流有功分量方向保护原理。
国外对接地保护的处理方式各不相同。前苏联的小电流接地系统采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。
日本的小电流接地系统中高阻抗和不接地方式均有采用，但电阻接地方式居多［1］。其选线原理较为简单，不接地系统主要采用功率方向继电器，电阻接地系统则采用零序过电流保护瞬间切除故障线路。近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面作了不少工作，并已将人工神经网络应用于接地保护［3］。
美国由于历史原因，电网中性点主要采用电阻接地方式，也利用零序过电流保护瞬间切除故障线路［4～6］。但是，故障跳闸仅用于中性点经低阻接地系统，对高阻接地系统接地时仅有报警功能［7，8］。
法国过去以低电阻接地方式居多，采用零序过电流原理实现接地故障保护［2］。随着城市电缆线路的不断投入，电容电流迅速增大，故已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流。为解决此系统的接地选线问题，提出了利用Prony方法和小波变换以提取故障暂态信号中的信息(如频率、幅值、相位)，以区分故障与非故障线路的保护方案，但还未应用于具体装置［9，10］。
挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位的方法，研制了一种悬挂式接地故障指示器，分段悬挂在线路和分叉点上；加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器，也采用零序过电流的保护原理，其软件算法部分利用了沃尔什函数，以提高计算接地故障电流有效值的速度［11］。
我国配电网和大型工矿企业的供电系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，近年来，一些城市电网改用电阻接地的运行方式。矿井6～10 kV电网过去也一直是用中性点不接地方式，随着井下供电线路的加长，电容电流增大，近年来消弧线圈在矿井电网得到了推广应用，并主要采用消弧线圈并、串电阻的接地方式。
国内从50年代就开始了对接地保护原理和装置的研究，并相继推出了几代产品。目前国内的选线装置主要基于零序电流原理、零序功率方向原理、首半波原理、谐波电流方向原理和“信号注入法”原理［12］。在选线方案上，除常规的绝对定值保护方案外，还有群体比幅比相方案［13］，最大Isinφ或Δ(Isin φ)方案［14］。
2 接地选线保护原理
2.1 零序电流原理
该原理是基于故障支路零序电流大于非故障支路零序电流的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。中试控股电力讲解这种原理在电网的电容电流较小，又存在长线路的情况下较难满足选择性的要求。同时，当接地点存在电阻时，易发生拒动现象。
2.2 零序功率方向原理
零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压90。，非故障线路零序电流超前零序电压90。的特点来实现的。目前采用这一原理实现的装置在实际电网中应用较多，但对中性点经消弧线圈接地的系统此原理无效。
2.3 首半波原理
该原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。它利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护。但该原理不能反映相电压较低时的接地故障，且受接地过渡电阻影响较大，同时也存在工作死区。
由于电力电子传动装置在供电网中的推广应用，以及电源变压器铁芯非线性的影响，电网中除存在基波成分外，必然还包含一系列谐波成分。故可利用5次或7次谐波电流的大小或方向构成选择性接地保护。对于中性点经消弧线圈接地系统，因消弧线圈的作用是对基波而言的，5次或7次谐波电流的分布规律与中性点不接地电网一样，故该原理仍然可行。但由于5次或7次谐波含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一，故以此原理构成的保护其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低，在接地点存在一定过渡电阻的情况下将出现拒动现象。
3 零序电流有功分量方向原理
为克服现有各种原理存在的不足，本文提出一种新的保护原理：零序电流有功分量方向原理。为说明该原理，先以中性点经电阻接地的系统为例进行说明。当此系统发生接地故障时，零序等效网络如图1所示(设为A相故障，R为接地点过渡电阻)。
图1 中性点经电阻接地系统零序等效网络
Fig.1 Zero sequence equivalent network
of resistance neutral grounding
由图可知，故障线路Ⅲ始端所反应的零序电流为
(1)
对非故障线路Ⅰ、Ⅱ则为
(2)
(3)
式中 C0Σ＝C0Ⅰ＋C0Ⅱ＋C0Ⅲ，为全电网一相对地电容之和。
可见，流过故障线路始端的零序电流可分2部分：中性点电阻器RN产生的有功电流，其相位与零序电压差180。；非故障线路零序电流之和3，相位滞后于零序电压90。。流过非故障线路的零序电流只有由本支路对地电容产生的容性电流，相位超前零序电压90。。
由于有功电流只流过故障线路，与非故障线路无关，因此，只要以零序电压作为参考矢量，将此有功电流取出，就可十分方便地实现接地选线保护。这就是零序电流有功分量方向保护的基本原理。有功分量的取出，可采用软件或硬件相敏整流的方法即可方便实现。
对中性点经消弧线圈接地系统，目前主要采用消弧线圈并(串)电阻运行的派生接地方式，且消弧线圈本身的有功成分较大(实测单相接地时其有功电流达2～3A)。当此系统发生接地故障时，故障线路始端所反映的零序电流除增加一部分电感性电流外，其余二部分与电阻接地系统相同，因此上述原理仍然可行。
对于中性点不接地系统，当发生接地故障时，流过故障和非故障线路的零序电流皆为容性，且方向相反。此时，可采用移相的方法，使故障、非故障线路的零序电流分别与零序电压反相位、同相位，相当于将它们变成了有功电流。因此，对于中性点不接地系统，该保护原理实质上是零序功率方向原理的延伸，但经过上述处理后，相当于将原有的零序电压、零序电流比相范围从原有的90。扩大到180。，从而创造了更好的选线条件。
可见，采用此种保护原理，可满足各种中性点接地方式下的接地选线保护问题。以此原理研制成功的接地选线保护装置，目前已在我国大部分矿井电力网得到应用，收到了很好的保护效果。
4 接地选线保护装置的动作参数分析
接地保护的动作参数主要包括电网零序电压、零序电流和动作电阻。
日本对6～10kV电网各种单相接地状态下的故障点电阻做过一些实测和统计。他们认为单相接地保护能检测出1kΩ以内的故障即可，对于高阻值接地故障一般可以不予考虑；而对消弧线圈系统，则定义故障点电阻在4kΩ以下为接地故障，对应的零序电压动作值设定为10～25V［15］。因当采用消弧线圈接地方式后，和不接地系统相比，在同样的接地点电阻值下，零序电压都将有较大幅度的提高，从而能反映较高阻值的接地情况。
由于中压电网的接地保护不保护人身安全，因此，可不将接地点电阻作为动作值要求，而将零序电压作为装置起动整定值。笔者在设计接地保护装置时，通过对有关项目论证并结合煤矿电网特点，对中性点不接地系统，零序电压动作值取为10V左右；采用消弧线圈后，其动作值则取为20V左右。
对于零序电流动作值，可采用群体比幅方案，避免“绝对定值”方案带来的整定麻烦。电网的自然不平衡电压虽较低（经我们对全国几十个矿井的测量，6～10kV电网的自然不平衡电压大多在1V以下），但当出现电压互感器高压熔断器熔断的情况时，在开口三角处将出现约100/3V的电压，此时若再碰上电网的少量不平衡电流(据实测有时可达0.3～0.5A)，保护装置势必会误动。因此除群体比幅方案外，还应给零序电流设一定动作值门槛，此门槛值一般取为0.5～1A。
5 小结
现有的小电流接地系统接地选线保护原理，皆有一定的局限性。而采用零序电流有功分量方向保护原理后，可较好地适用于不同中性点接地方式下的接地保护。接地选线保护装置应由零序电压起动，其动作值对不接地系统取在10V左右，对消弧线圈接地系统则应有所提高；选线方案应采用“群体比幅”加零序电流动作门槛的方法。
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