基于五次谐波电流变化特征的单相接地故障选线方法_刘兴艳

eliabilityAnalysis

基于五次谐波电流变化特征的单相接地故障选线方法TheMethodofSingle-phaseEarthFaultRouteSelectionBasedonCharacteristicofFiveSubharmonicElectricCurrentChange刘兴艳，董洋洋（河南理工大学电气工程及其自动化学院，河南焦作454000）

LiuXing-yan,DongYang-yang(HenanPolytechnicUniversityElectronicEngineeringandAutomationCollege,HenanJiaozuo454000)

针对基于五次谐波电流的单相接地故障选线装置，由于系统中五次谐波含量不高，以及负荷中谐波源的摘要：非故障回路中五次谐波影响，整定困难，实际选线精度不高的问题。系统地分析了发生单相接地前后故障回路、电流变化特点，提出了基于五次谐波电流变化特征的单相接地故障选线方法，仿真结果表明，该方法有效可行。小电流接地系统；消弧线圈；故障选线；五次谐波关键词：TN806中图分类号：A文献标识码：1003-0107(2010)03-0035-03文章编号：Abstract:Basedonthedevicesofthefivesubharmonicelectriccurrentsingle-phaseearthfaultrouteselection,becausethatthecontentoffivesub-harmonicinthesystemarenothigh,aswellasintheloadtheovertonesource'sinfluence，sothattheinstallationhavesomeproblemsthatitisdiffi-culttoselectiontherouteactuallyandproecisionly.Weanalyzedsystematicallythesituationwhenthesystemhashadaroundthesingle-phaseearthinthebreakdownreturnroute,thenon-breakdownreturnroutefivesubharmonicelectriccurrentchangecharacteristic,proposedbasedonelectriccur-rentchangecharacteristicoffivesubharmonicsingle-phaseearthfaultrouteselectionmethod.Thesimulationresultindicatedthatthismethodeffec-tiveandfeasible.Keywords:Smallcurrentgroundingsystem;extinctioncoil;faultlineselection;thefifthharmonicCLCnumber:TN806Documentcode:AArtecleID:1003-0107(2010)03-0035-031引言

小电流接地系统的单相接地故障选线问题一直是现场运人们对此做了大量的研究，基于行中的一大难点。长期以来，

不同的原理，提出了多种选线方法。目前，微机选线装置越来越多的投入现场运行，而且随着基础理论研究的深入、新技术的发展和新材料的采用，选线原理不断进步，已有多种原理的接地选线装置运行于电网中，取得了许多宝贵的运行经验。但是从现场的使用情况来看，这些方法的选线效果并不理想，普遍存在着误选漏选的缺点。其中，零序电流法在电网的电容电流较小、又存在长短线路的情况下，不能满足选择性要求，高阻接地时不够灵敏；零序功率方向原理对中性点经消弧线圈接地系统无效，由于谐波电流较小，谐波电流方向法灵敏度较低；有功功率方向法在有功分量较小时准确性不高[1-2]。

产生这些问题的原因是多方面的：互感器不平衡电流大、系统运行方式的改变、设备硬件可靠性差等，都可能造成装置的失效，但是非常重要的一点在于这些选线方法很难适应配电网络复杂多变的故障条件，如系统中性点补偿度，各条出线的长度，故障点距离母线的长度，故障点接地电阻接地点电弧的发展，谐波的干扰等[3-5]。这些条件的组合，使得在一种故障情况下工作良好的装置，在另一种情况下可能就无能为力了。为此，本文提出了基于五次谐波电流变化特征的选线方法。从故障发生前后五次谐波电流的突变量的大小和方向两个方面

进行判定，大大提高了选线的精度，且该方法的数据采集采用故障发生后5s的数据与故障前的数据比较计算，可以避免暂态过程，故障合闸角等的影响。

2基于五次谐波电流变化特征的选线原理

2.1接地系统单相接地故障分析

中性点经消弧线圈接地系统如图1所示，消弧线圈的补偿是针对零序基波电流，其补偿容量主要依据电网的总电容电流来确定，因此消弧线圈的电抗XL满足：

图1中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障

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绿色质量工程

XL=ω0L=p

1=pXcω0ΣCi

（1）

故障线路故障相零序五次谐波电流为（:其中故障相的电流为电感电流与电容电流的和，且故障前与故障后方向相反）。

IA(5)=j1UA(5)+(-ΣI'B(5)-ΣI'C(5))

5ωLi=1i=1

'

n

n

其中Ci是各条出线的零序对地电容，补偿系数p接近于1。对于k次谐波，线路的分布容抗将减少到基波的k分之一，而消弧线圈的电抗则要增加至基波的k倍。所以对零序高次谐波电流，消弧线圈相当于开路，不会对零序高次谐波电流的大小和方向有大的影响。因此，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时，零序高次谐波电流分布与中性点不接地系统的零序基波电流分布相同。

配电网中的谐波，主要来源于非线性负载，非线性负荷可认为是谐波电流源，系统中的畸变的电流，引起电压波形的畸变，产生了谐波电压[6-8]。含量比较大的谐波主要是奇数次谐波，且随着谐波频率的增加含量越来越少。三次谐波电流会在变压器三角形一侧形成环流，因此一般其含量很小，可忽略。系统中含量较大的是五次谐波。中性点经消弧线圈接地系统

[9]

=-j(15-3(1-P))ωΣCiUA(5)

5i=1≈-j15ωΣCiUA(5)

i=1n

n

（5）

式中i表示出线回路数。

故障线路非故障相的零序五次谐波电流为：

I'B(5)=j5ωC(UB(5)-UA(5)).I'C(5)=j5ωC(UC(5)-UA(5))

n

（6）

所以，故障线路故障相五次谐波电流的变化量△I'A(5)

=-j15ωΣCUA(5)+j5ωCUA(5)，由此说明五次谐波电流变化量大

i=1

发生单相接地故障时，其示意图如图1所示。

2.2五次谐波变化特征分析

当线路L5的A相发生单相接地故障后，中性点对地电压由零升高为线电压，消弧线圈中流过补偿电流IL，若补偿度为P，对于工频电流有1=3ω(1+P)ΣCi。对于五次谐波电流

ωLi=1消弧线圈呈现的感抗为5ωL，电容呈现的容抗为

1。

5ωCn

于五次谐波。非故障相与非故障线路的变化一样。向量图如图3所示。

系统正常运行时，各条线路各相对地电容电流中的五次谐波分量为：

IA(5)=j5ωCiUA(5)IB(5)=j5ωCiUB(5).IC(5)=j5ωCiUC(5)

当线路L5发生A相金属性接地故障时，中性点发生偏移，A相电压变为零，B、C两相电压升为线电压，即

U'A(5)=0.UB(5)=UBA(5)

'

（2）

图3故障线路五次谐波电流向量图

由以上故障线路和非故障线路的五次谐波电流变化量的分析可知，故障相五次谐波变化量大于非故障线路五次谐波电流的变化量，所以利用变化量可进故障行选线。

（3）

U'C(5)=UCA(5)

非故障线路的各相五次谐波电容电流为：I'A(5)=0.I'B(5)=j5ωCUBA(5).I'C(5)=j5ωCUCA(5).

非故障线路各相五次谐波电流的变化量为△IA（5=△IB）（5）

=△IC=-j5ωCUA，向量图如图2所示。（5）（5）

（4）

2.3五次谐波电流方向变化特点

由向量图分析可得故障前后五次谐波电流方向变化特征为：故障线路的故障相电流变化量的方向与故障前电流的方向相反，非故障线路的故障相电流变化量的方向与故障前电流的方向相反，而故障线路和非故障线路的正常相的电流变化量的方向与故障前的电流方向存在一定得夹角。分别对各相得电流向量即对应的变化量向量做向量积，可得，故障线路的A相：

△IA(5)×IA(5)=┃△IA(5)┃·┃IA(5)┃·sin180°=0非故障线路的A相：

△IA(5)×IA(5)=┃△IA(5)┃·┃IA(5)┃·sin180°=0非故障线路和故障线路的正常相：△IB(5)×IB(5)=┃△IB(5)┃·┃IB(5)┃·sinθ≠0△IC(5)×IC(5)=┃△IC(5)┃·┃IC(5)┃·sinθ≠0其中，上式0°<θ<180°

所以，根据向量积是否为零可以判断出故障相。

图2非故障线路五次谐波电流向量图

2010第03期

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R可靠性分析

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由以上电流变化量的大小和方向分析可知，如下结论：1）对于故障线路，故障相与非故障相的五次谐波电流变化量大小不等，方向相反。

2）故障线路与非故障线路的故障相相比，故障线路的五次谐波电流变化量要大于非故障线路的变化量。

2.4五次谐波变化特征选线原理

利用故障前后五次谐波变化特征，先由电流变化量的方向判断出接地相，再由各出线回路的故障相相比，从而实现故障选线。单相接地故障选线的判据如下：

判据一：对于多出线回路，如果有一相的电流变化量与故障前电流的向量积为零，则可判断该线路发生单相接地故障，并发出故障相信号。

判据二：对于各出线回路的故障相，电流变化量最大的故障相所在回路，可判定为故障线路，并发出选线信号。

图5故障相电流变化图

3仿真分析

中性点经消弧线圈接地方式的仿真如图4所示。设母线线路总长度为120km。上有5回出线，

图6非故障相电流变化图

由图5与图6的比较可以明显的观测到五次谐波电流变并且可以看出，单相接地故障前后五次谐波电流变化化特征。

特征量，能很好地反映中性点经消弧线圈接地系统故障线路的故障特征，因此可根据五次谐波电流变化特征实现单相接地故障选线。

4结束语

本文提出了基于比较线路的故障相和非故障相的五次谐波电流变化特征，以及本线路和相邻线路的故障相的五次谐波电流突变量的故障选线方法。这种新方法检测灵敏度高，不受中性点运行方式的影响;不需要安装信号注人设备，并且仿

图4中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障matlab仿真图电源参数：出口电压10.5kV，系统阻抗0.312+j0.006Ω；线路正序参数：R1=0.01273Ω，L1=0.9337mH，C1=0.01274μF；

线路零序参数：R0=0.3864Ω，L0=4.1264mH，C0=0.007751μF。

在正常情况下，数据采样，记录一个周波的数据。当发生单相接地故障时，保存故障前一个周波的数据，并计时5s（以躲过发生故障时的暂态过程），增加故障发生5s后一个周波的数据，得到变化量，用傅立叶算法对数据进行处理，得到各条线路各相五次谐波电流变化量，利用本文所得到的判据进行判断，即得到故障线路的位置。

由于小电流接地系统单相接地故障发生后，可以继续运行1~2小时，因此可利用最小二乘法对故障后5s的数据和故障前1s的数据之差进行处理，得到五次谐波电流变化率，以避免负荷电流和暂态信号影响选线的正确率。

在A相电压为最大值时，第5出线发生A相单相接地故仿真得到五次谐波电流波形图如障，接地过渡电阻为0.01Ω，图5，图6所示。

真结果表明选线是成功的，为小电流系统接地选线提供了行之有效的解决方案。

参考文献:

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