零序電流有功分量方向接地選線保護(hù)原理

摘要　文章在綜述了國內(nèi)外小電流接地系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)現(xiàn)狀之基礎(chǔ)上，分析了目前各種保護(hù)原理之優(yōu)點(diǎn)與不足，介紹了新穎之零序電流有功分量方向保護(hù)原理，并對(duì)接地選線保護(hù)裝置之動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行了論述。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

關(guān)鍵詞　小電流接地系統(tǒng)　接地保護(hù)　選擇性　動(dòng)作參數(shù)

PRINCIPLE OF SELECTIVE GROUNDING FAULT PROTECTION
BASED ON ACTIVE COMPONENT DIRECTION
OF ZERO－SEQUENCE CURRENT
Mu Longhua
China University of Mining &Technology
Xuzhou, 221008 China
ABSTRACT　Based on the overview of the principle of single－phase－to－ground fault protection for small current neutral grounding at home and abroad, this paper analyzes the advantages and disadvantages of principles for all kinds of single－phase－to－ground fault protection being used currently. A new principle based on active component direction of zero－sequence current is put forward. At the same time, the action parameters of selective grounding fault protection device are presented.
KEY WORDS　non－direct－grounded neutral system; ground－fault protection, selectivity; action parameter

小電流接地系統(tǒng)之優(yōu)點(diǎn)是單相接地電流較小，單相接地時(shí)不形成短路回路，電力系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運(yùn)行1～2h。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：但是，長時(shí)間之接地運(yùn)行，極易形成兩相接地短路，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過電壓。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：因此，接地選線保護(hù)裝置近年來在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，為保證電網(wǎng)之安全運(yùn)行起到了積極之作用。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：目前，部分裝置在使用中之表現(xiàn)并不能令人滿意，誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：本文在對(duì)常用之接地選線保護(hù)原理進(jìn)行分析比較之基礎(chǔ)上，提出一種新之保護(hù)原理——零序電流有功分量方向保護(hù)原理。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外對(duì)接地保護(hù)之處理方式各不相同。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：前蘇聯(lián)之小電流接地系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
日本之小電流接地系統(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］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：其選線原理較為簡(jiǎn)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(hù)瞬間切除故障線路。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：近年來，在如何獲取零序電流信號(hào)以及接地點(diǎn)分區(qū)段方面作了不少工作，并已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于接地保護(hù)［3］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
美國由于歷史原因，電網(wǎng)中性點(diǎn)主要采用電阻接地方式，也利用零序過電流保護(hù)瞬間切除故障線路［4～6］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：但是，故障跳閘僅用于中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地系統(tǒng)，對(duì)高阻接地系統(tǒng)接地時(shí)僅有報(bào)警功能［7，8］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
法國過去以低電阻接地方式居多，采用零序過電流原理實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)［2］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：隨著城市電纜線路之不斷投入，電容電流迅速增大，故已開始采用自動(dòng)調(diào)諧之消弧線圈以補(bǔ)償電容電流。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：為解決此系統(tǒng)之接地選線問題，提出了利用Prony方法和小波變換以提取故障暫態(tài)信號(hào)中之信息(如頻率、幅值、相位)，以區(qū)分故障與非故障線路之保護(hù)方案，但還未應(yīng)用于具體裝置［9，10］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
挪威一公司采用測(cè)量零序電壓與零序電流空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位之方法，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(diǎn)上；加拿大一公司研制之微機(jī)式接地故障繼電器，也采用零序過電流之保護(hù)原理，其軟件算法部分利用了沃爾什函數(shù)，以提高計(jì)算接地故障電流有效值之速度［11］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
我國配電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)之供電系統(tǒng)大多數(shù)采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地之運(yùn)行方式，近年來，一些城市電網(wǎng)改用電阻接地之運(yùn)行方式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：礦井6～10　kV電網(wǎng)過去也一直是用中性點(diǎn)不接地方式，隨著井下供電線路之加長，電容電流增大，近年來消弧線圈在礦井電網(wǎng)得到了推廣應(yīng)用，并主要采用消弧線圈并、串電阻之接地方式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
國內(nèi)從50年代就開始了對(duì)接地保護(hù)原理和裝置之研究，并相繼推出了幾代產(chǎn)品。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：目前國內(nèi)之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(hào)注入法”原理［12］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：在選線方案上，除常規(guī)之絕對(duì)定值保護(hù)方案外，還有群體比幅比相方案［13］， 大Isinφ或Δ(Isin φ)方案［14］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
2　接地選線保護(hù)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之特點(diǎn)，區(qū)分出故障和非故障線路，從而構(gòu)成有選擇性之保護(hù)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：這種原理在電網(wǎng)之電容電流較小，又存在長線路之情況下較難滿足選擇性之要求。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：同時(shí)，當(dāng)接地點(diǎn)存在電阻時(shí)，易發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
2.2　零序功率方向原理
零序功率方向保護(hù)原理是利用故障線路零序電流滯后零序電壓90。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：，非故障線路零序電流超前零序電壓90。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：之特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)之。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：目前采用這一原理實(shí)現(xiàn)之裝置在實(shí)際電網(wǎng)中應(yīng)用較多，但對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地之系統(tǒng)此原理無效。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
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 大值瞬間這一假設(shè)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：它利用故障線路中故障后暫態(tài)零序電流第一個(gè)周期之首半波與非故障線路相反之特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：但該原理不能反映相電壓較低時(shí)之接地故障，且受接地過渡電阻影響較大，同時(shí)也存在工作死區(qū)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
2.4　諧波電流方向原理
由于電力電子傳動(dòng)裝置在供電網(wǎng)中之推廣應(yīng)用，以及電源變壓器鐵芯非線性之影響，電網(wǎng)中除存在基波成分外，必然還含一系列諧波成分。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：故可利用5次或7次諧波電流之大小或方向構(gòu)成選擇性接地保護(hù)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，因消弧線圈之作用是對(duì)基波而言之，5次或7次諧波電流之分布規(guī)律與中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)一樣，故該原理仍然可行。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：但由于5次或7次諧波含量相對(duì)基波而言要小得多，且各電網(wǎng)之諧波含量大小不一，故以此原理構(gòu)成之保護(hù)其零序電壓動(dòng)作值往往很高，靈敏度較低，在接地點(diǎn)存在一定過渡電阻之情況下將出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
3　零序電流有功分量方向原理
為克服現(xiàn)有各種原理存在之不足，本文提出一種新之保護(hù)原理：零序電流有功分量方向原理。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：為說明該原理，先以中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地之系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：當(dāng)此系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖1所示(設(shè)為A相故障，R為接地點(diǎn)過渡電阻)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

圖1　中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)零序等效網(wǎng)絡(luò)
Fig.1　Zero sequence equivalent network
of resistance neutral grounding
由圖可知，故障線路Ⅲ始端所反應(yīng)之零序電流為
(1)
對(duì)非故障線路Ⅰ、Ⅱ則為
(2)
(3)
式中　C0Σ＝C0Ⅰ＋C0Ⅱ＋C0Ⅲ，為全電網(wǎng)一相對(duì)地電容之和。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
可見，流過故障線路始端之零序電流可分2部分：中性點(diǎn)電阻器RN產(chǎn)生之有功電流，相位滯后于零序電壓90。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：流過非故障線路之零序電流只有由本支路對(duì)地電容產(chǎn)生之容性電流，相位超前零序電壓90。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
由于有功電流只流過故障線路，與非故障線路無關(guān)，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(shí)現(xiàn)接地選線保護(hù)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：這就是零序電流有功分量方向保護(hù)之基本原理。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：有功分量之取出，可采用軟件或硬件相敏整流之方法即可方便實(shí)現(xiàn)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，目前主要采用消弧線圈并(串)電阻運(yùn)行之派生接地方式，且消弧線圈本身之有功成分較大(實(shí)測(cè)單相接地時(shí)其有功電流達(dá)2～3A)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：當(dāng)此系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路始端所反映之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。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，流過故障和非故障線路之零序電流皆為容性，且方向相反。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：陽光電子學(xué)校認(rèn)為：可采用移相之方法，使故障、非故障線路之零序電流分別與零序電壓反相位、同相位，相當(dāng)于將它們變成了有功電流。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：因此，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，該保護(hù)原理實(shí)質(zhì)上是零序功率方向原理之延伸，但經(jīng)過上述處理后，相當(dāng)于將原有之零序電壓、零序電流比相范圍從原有之90。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：擴(kuò)大到180。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：，從而創(chuàng)造了更好之選線條件。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
可見，采用此種保護(hù)原理，可滿足各種中性點(diǎn)接地方式下之接地選線保護(hù)問題。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：以此原理研制成功之接地選線保護(hù)裝置，目前已在我國大部分礦井電力網(wǎng)得到應(yīng)用，收到了很好之保護(hù)效果。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
4　接地選線保護(hù)裝置之動(dòng)作參數(shù)分析
接地保護(hù)之動(dòng)作參數(shù)主要括電網(wǎng)零序電壓、零序電流和******阻。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
日本對(duì)6～10kV電網(wǎng)各種單相接地狀態(tài)下之故障點(diǎn)電阻做過一些實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：他們認(rèn)為單相接地保護(hù)能檢測(cè)出1kΩ以內(nèi)之故障即可，對(duì)于高阻值接地故障一般可以不予考慮；而對(duì)消弧線圈系統(tǒng)，則定義故障點(diǎn)電阻在4kΩ以下為接地故障，對(duì)應(yīng)之零序電壓動(dòng)作值設(shè)定為10～25V［15］。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：因當(dāng)采用消弧線圈接地方式后，和不接地系統(tǒng)相比，在同樣之接地點(diǎn)電阻值下，零序電壓都將有較大幅度之提高，從而能反映較高阻值之接地情況。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
由于中壓電網(wǎng)之接地保護(hù)不保護(hù)人身安全，因此，可不將接地點(diǎn)電阻作為動(dòng)作值要求，而將零序電壓作為裝置起動(dòng)整定值。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：筆者在設(shè)計(jì)接地保護(hù)裝置時(shí)，通過對(duì)有關(guān)項(xiàng)目論證并結(jié)合煤礦電網(wǎng)特點(diǎn)，對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，零序電壓動(dòng)作值取為10V左右；采用消弧線圈后，其動(dòng)作值則取為20V左右。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
對(duì)于零序電流動(dòng)作值，可采用群體比幅方案，避免“絕對(duì)定值”方案帶來之整定麻煩。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：電網(wǎng)之自然不平衡電壓雖較低（經(jīng)我們對(duì)全國幾十個(gè)礦井之測(cè)量，6～10kV電網(wǎng)之自然不平衡電壓大多在1V以下），但當(dāng)出現(xiàn)電壓互感器高壓熔斷器熔斷之情況時(shí)，在開口三角處將出現(xiàn)約100/3V之電壓，此時(shí)若再碰上電網(wǎng)之少量不平衡電流(據(jù)實(shí)測(cè)有時(shí)可達(dá)0.3～0.5A)，保護(hù)裝置勢(shì)必會(huì)誤動(dòng)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：因此除群體比幅方案外，還應(yīng)給零序電流設(shè)一定動(dòng)作值門檻，此門檻值一般取為0.5～1A。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：
5　小結(jié)
現(xiàn)有之小電流接地系統(tǒng)接地選線保護(hù)原理，皆有一定之局限性。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：而采用零序電流有功分量方向保護(hù)原理后，可較好地適用于不同中性點(diǎn)接地方式下之接地保護(hù)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：接地選線保護(hù)裝置應(yīng)由零序電壓起動(dòng)，其動(dòng)作值對(duì)不接地系統(tǒng)取在10V左右，對(duì)消弧線圈接地系統(tǒng)則應(yīng)有所提高；選線方案應(yīng)采用“群體比幅”加零序電流動(dòng)作門檻之方法。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：<

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