喻磊;郭晓斌;韩博文;雷金勇;田兵;白浩;李海锋;王钢
【摘 要】小电阻接地系统发生多回线同相复杂接地故障时,零序电流幅值相比于单回线接地故障将显著下降,容易导致馈线首端的零序电流保护拒动,进而造成母线接地变压器的零序电流保护越级误动,扩大停电范围.为此,对小电阻接地系统多回线复杂接地故障的故障机理进行分析,推导了多回线与单回线接地故障下馈线零序电流关系;在此基础上,提出了一种自适应馈线零序电流保护方案,即根据母线电压将多回线接地故障的零序电流实时补偿为单回线接地故障的零序电流值,从而确保了常规的保护动作值整定方式和保护配合能够适用于多回线复杂接地故障,并研发了相应的自适应零序保护装置.基于PSCAD/EMTDC和RTDS对保护原理及保护装置的测试结果表明,自适应零序电流保护在多回线复杂接地故障情况下仍具有较高的灵敏性,补偿精度不受过渡电阻、故障位置的影响.所提保护方案只需在原有零序电流保护方案基础上,增加母线电压信息,容易实现,具有经济性和较高的工程应用价值.%When in-phase grounding fault occurs in multi-circuit lines,the zero-sequence current would significantly decrease compared with that during single line grounding fault,which may cause zero-sequence current relay prot
ection to function improperly and expand the fault range.Therefore,the SPGF(Single Phase Grounding Fault) mechanism of multi-circuit lines in low resistance grounding system is analyzed,and the relationship between feeder zero-sequence current during both multi-circuit line and single-circuit line SPGF is deduced,based on which,a novel adaptive zero-sequence current protection scheme is he zero-sequence current during SPGF occurs in multi-circuit lines can be compensated to zero-sequence current during single-circuit line SPGF according to the bus voltage in real time.The protection device based on the proposed scheme is developed.The proposed scheme and the protection device are verified via PSCAD/EMTDC and RTDS,the results show that the proposed scheme has high sensitivity during complex SPGF occurs in multi-circuit line,and the compensation accuracy is not affected by transition resistance and fault location.The proposed scheme can easily be implemented and has economic and high engineering application value since it only needs to add the bus voltage information on the basis of the existing zero-sequence current protection scheme.
白浩【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2017(037)011
【总页数】8页(P125-131,137)
【关键词】小电阻接地系统;零序电流;复杂接地故障;故障分析;自适应保护;继电保护;RTDS测试
【作 者】喻磊;郭晓斌;韩博文;雷金勇;田兵;白浩;李海锋;王钢
【作者单位】南方电网科学研究院,广东广州510080;南方电网科学研究院,广东广州510080;华南理工大学电力学院,广东广州510641;南方电网科学研究院,广东广州510080;南方电网科学研究院,广东广州510080;南方电网科学研究院,广东广州510080;华南理工大学电力学院,广东广州510641;华南理工大学电力学院,广东广州510641
【正文语种】中 文
【中图分类】TN77
0 引言
目前，在大中型城市配电网中，电缆线路所占比例越来越高，导致发生单相接地故障时的电容电流极大增加，容易产生弧光过电压，对设备绝缘性和供电可靠性均造成不利影响。为此，中性点经小电阻接地方式在我国城市配电网中得到了广泛的应用［1-4］。单相接地故障作为一种最常见的电网故障类型［5-6］，在小电阻接地系统中主要依赖零序电流保护实现其检测和可靠动作隔离［7］。由于小电阻接地系统发生线路单相接地故障时，一般情况下接地（零序）电流较大，零序电流保护对于普通的单回线接地故障具有较高的选择性和灵敏性。
然而，随着城市配电网的不断发展，为了节约输电走廊，输电线路的同杆多回线技术得到了越来越多的应用。在这种情况下，配电网的故障种类变得非常复杂，由此所带来的对零序电流保护的影响不容忽视。其中，因雷击等因素所导致的多回线故障发生的概率也越来越高。而从对零序电流保护影响的角度考虑，多回线同相接地故障最为值得关注。这主要是因为发生多回线同相接地故障时，零序网络为零序电流提供了并联通道，导致流经各故障线路的零序电流相比于发生单回线接地故障时显著下降［8］，从而可能造成某些故障馈线的零序电流保护拒动，严重时会造成母线接地变压器的零序电流保护越级误动，使该母线上的所有负荷失电［9-10］。
目前针对小电阻接地系统零序电流保护的研究主要还是集中在单回线接地故障方面：文献［7］针对单回线单相高阻接地故障提出了自适应调整电流整定值的方案；文献［11］针对混合接地方式提出了保护改进方案；文献［12］则对单相接地故障时接地变压器的零序电流保护方案进行了改进。而对多回线接地故障的情况，已有文献主要是根据现场运行和继电保护整定经验，提出降低馈线零序电流保护动作值的方法，以提高保护的灵敏性，同时为保证选择性，母线接地变压器的零序保护需要以延长保护的动作时间为代价［10，13-14］。这种解决方案尽管能够对常规零序电流保护在某些故障条件下起到改善的作用，但由于缺乏对多回线故障机理的理论分析，其通用性和适用性不强。因此，针对多回线复杂接地故障的特点，研究适用的继电保护解决方案具有重要的理论和工程价值。
为此，本文基于故障分析理论，对小电阻接地系统多回线同相复杂接地故障进行故障机理分析，并推导了多回线接地故障的馈线零序电流与单回线接地故障零序电流之间的定量关系；在此基础上，提出了一种改进的自适应零序电流保护，通过引入母线的电压信息，将多回线接地故障的零序电流补偿为单回线故障的零序电流值，从而确保了常规的保护动作值整定方式和保护配合能够适用于多回线复杂接地故障。
1 多回线复杂接地故障分析
1.1 多回线同相接地故障下的零序电流计算
当小电阻接地系统发生多回线异相接地故障时，故障相之间相当于对地短路，零序电流相比于发生单回线接地故障时显著升高，对零序电流保护基本没有影响［8］。因此，本节主要针对多回线同相接地故障进行故障分析。
图1为一个典型的城市10 kV小电阻接地配电网示意图。在城市配电网中，110 kV变电站的主变10kV低压侧一般采用三角形接线方式。因此，10kV母线需要配置Z型接地变压器，以提供变压器中性点经小电阻 R0接地的途径［15］。
图1 10 kV小电阻接地系统Fig.1 10 kV low resistance grounding system
假设图1中配电网发生n回馈线同相单相接地故障（A相发生故障，全网以A相为基准相），可以得到其故障各序等值网络，如图2所示。
图2 多回线接地故障序网络Fig.2 Sequence networks of SPGF occurring in multi-circuit lines
根据对称分量法，可知各故障馈线故障点处的电流、电压关系为［16］：
其中，i=1，2，…，n；Rfi为第 i回故障馈线的过渡电阻；下标（1）、（2）和（0）分别表示正序、负序和零序电气量。
从母线看进系统侧，可得母线电流、电压关系为：
其中，和分别为n回线同相单相接地故障时，第i回故障馈线的正序、负序和零序故障电流；UM，f（1）、UM，f（2） 和 UM，f（0） 分别为母线上正序、负序和零序故障相电压；Us和R0分别为系统电压和中性点接地电阻；Zs（1） 为系统正序阻抗；ZT（1）、ZT（0） 分别为主变压器的正序、零序阻抗。
从母线看进线路侧，可得母线电压与馈线电流的关系为：
其中，i=1，2，…，n。
根据对称分量法，可知故障相的母线电压和故障点电压表达式为：
联立式（1）—（4），可得：
其中，Zs∑=2（Zs（1）+ZT（1）） +ZT（0）+3R0 为系统侧的总阻抗，在系统运行方式确
定的情况下为已知常数；Z∑.Li=2ZLi（1）+ZLi（0）+3Rfi 为第 i回馈线的总阻抗。
根据故障等值序网络可得到多回线故障情况下第i回馈线的零序电流：
其中表示除第 i回线路之外的其他所有故障线路总阻抗值的乘积。
以上是基于多回线A相接地故障下的馈线零序电流推导过程和结果。
1.2 多回线与单回线接地故障下馈线零序电流关系
由式（6）可知，在多回线同相接地故障下，故障馈线的零序电流将变得与原来该回线单独故障时的零序电流不同，从而必然会对现有的基于单回线故障特征的零序电流保护产生影响。为了进一步量化该影响，下文进一步分析发生多回线同相接地故障时的馈线零序电流与发生单回线接地故障时的零序电流之间的定量关系。
由式（6）可知，当系统发生单回线故障时，该故障线路的零序电流为：
联立式（5）—（7）可得：
由上式可得与的关系为：
2 新型自适应零序电流保护方案
对于常规的馈线零序电流保护，其动作值的整定与配合均是基于单回线接地故障的情况，即该保护对于单回线故障具有良好的灵敏性和选择性。因此，对于多回线接地故障，如果能够将某一回故障线路的零序电流，补偿修正为单回线接地故障下的零序电流，则能够使零序电流保护在沿用原有整定原则的基础上，同样适用于多回线接地故障。
基于以上思路，本文根据前文对多回线复杂接地故障机理的分析结果，提出了一种适用于小电阻接地系统的新型馈线自适应零序电流保护。
由式（8）可知，对于某条馈线的和两者之间关系与稳态情况下的系统电压Us、母线上的故障相电压UM，f、系统侧的总阻抗Zs∑以及该回故障线路的零序电流I（n）fi（0）有关。由于稳态情况下，系统电压与母线电压近似，则式（8）可表示为：
其中，下标φ为故障相；UM，φ为故障前的母线电压，在实际保护装置计算中取故障时刻的前一个周期所对应的相量进行计算；UM，φ，f为故障时的母线电压；Kc为零序电流补偿系数，
由式（9）可知，若系统发生多回线接地故障，该保护原理只需根据母线的实时电压值，即可自适应地将每回故障线路的零序电流实时修正为该回线单独故障时的零序电流值，且与各回故障线路的故障位置、过渡电阻无关；当系统发生单回线接地故障时，很显然Kc=1，即改进的保护仍然适用于单回线接地故障。
本文提出的馈线自适应零序电流保护原理流程图如图3所示。
图3 自适应零序电流保护方案Fig.3 Scheme of adaptive zero-sequence current protection
3 仿真验证
为了验证本文提出的馈线自适应零序保护方案，利用PSCAD／EMTDC建立一个典型的实际10 kV配电网模型进行仿真分析，其网络结构如图1所示。在仿真模型中，110 kV系统侧的最大和最小短路容量分别为 3 898.71 MV·A 和 1 922.74 MV·A；10 kV母线的接地小电阻R0=12 Ω；10 kV母线含4回出线，架空线路长度分别为4.1 km、4.7 km、2.7 km和3.2 km；线路均采用LGJ-120型号，其正序参数r1=0.27 Ω ／km，x1=0.335 Ω ／km，零序电抗 x0=3.0x1，对地电容C=12.14 nF／km；主变压器和接地变压器的具体参数分别如表1、2所
示。故障点f1、f2和f3分别位于线路1、线路2和线路3。根据现场运行的保护定值整定规程，本算例的馈线零序电流保护I段的电流动作值整定为60 A，保护Ⅱ段动作值整定为25 A。
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