小电阻接地配电网断线保护的应用研究

0引言配电网采用中性点经小电阻接地的方式时，单相接地故障时由于存在零序电流通路，故障电流较大，能使用零序过流保护快速切除接地故障，这个优点使其在城市配电网中得到越来越多的应用。但是，目前中性点经小电阻接地的10 kV系统，零序过流保护在定值整定时一般只针对过渡电阻100 Ω以下的接地故障，这就带来了另外一个问题，若架空输电线因雷击等原因导致断线落在非良好导电介质上造成100 Ω以上的过渡电阻接地时，往往达不到零序过流保护的定值从而长时间无法切除，这容易导致跨步电压或接触电压危害路过的行人；另外，若高阻接地故障一直存在，还有可能导致事故扩大，扩大停电范围，严重影响供电可靠性。夏季雷雨易导致架空输电线断落，据统计，某市区在某年度6月到8月间，10 kV架空绝缘线路因雷击引起断线多达26次，其中单相断线9次，多相断线17次，为了电网的可靠运行以及人身安全，有必要增加反应断

线或高阻接地故障的保护。在上述问题中，若配电线路掉落在潮湿沙地、干燥草地、草皮等介质上，过渡电阻在200～500 Ω范围内，尚有可能通过零序电压、零序电流等电气量进行检测并及时隔离故障，对于10 kV小电阻接地系统，中性点接地小电阻一般为10 Ω，考虑零序电压的测量精度，假设开口三角电压测量值为1 V，此时能够检测1 000 Ω左右的高阻接地故障，这已基本上达到了极限，若继续降低零序电压的门槛，已很难躲开正常情况下电压中性点偏移、电压互感器正常误差等因素的影响。而对于干燥水泥板、干燥树枝、柏油路等介质，过渡电阻往往高达几千欧姆，甚至上万欧姆，配电线路掉落在这些类似介质上，零序电压、零序电流等故障特征量极小，已超出了各种稳态、暂态零序保护检测方法的精度；而且断线以后，还可能会出现配电线路悬挂于地面以上或者因为导线缩入绝缘外皮内未直接接触地面介质的情况，这时零序特征量基本没有反应。对于这些情况，依赖于传统零序保护或者高阻检测方法是很困难的，如果能够着眼于断线这种故障状态的特征，在发生配电线路断线时就及时切除，则能降低故障检测的难度，有助于消除威胁电网可靠运行及人身安全的隐患。1

 断线故障特征分析（略）=2

PSCAD仿真分析使用PSCAD软件对图1中的系统进行电磁暂态仿真，电压等级为10.5 kV，中性点接地电阻为10 Ω。分别模拟线路4断线、断线后电源侧接地、断线后负荷侧接地的情况。2.1断线故障仿真分析模拟0.3 s时线路4断线，负序正序电流比例特征和零序电压特征分别如图2和图3所示。图3（a）为单相断线故障发生时的零序电压特征，图3（b）为两相故障发生时的零序电压特征。仿真结果表明，单相、两相故障发生时，与理论分析的结果是一致的。图2断线故障负序正序电流比例特征图3断线故障零序电压特征2.2断线后继发电源侧线路接地故障仿真模拟0.3 s时线路4断线，0.模拟0.3 s时线路4断线，负序正序电流比例特征和零序电压特征分别如图2和图3所示。图3（a）为单相断线故障发生时的零序电压特征，图3（b）为两相故障发生时的零序电压特征。仿真结果表明，单相、两相故障发生时，与理论分析的结果是一致的。45 s时继发断线电源侧部分高阻接地，过渡电阻为600 Ω。负序正序电流比例特征和零序电压特征分别如图4所示。这种情况下，线路4的负序正序电流比例会有所下降，这是由于电源侧断线接地后产生了零序电流，因此有所影响，降低过渡电阻或者发生金属性接地时这种影响会更大，会不再满足式（4），故障相电流也会随之增大，电流限值条件式（5）也会不满足；而对于零序电压，高阻接地故障时有变化但是并不大，仍满足零序电压限值条件式（8），若降低过渡电阻或者发生金属性接地时，零序电压会明显增大，式（8）将会不满足，这种情况下应考虑由零序保护切除故障。对于100～600 Ω范围内的断线电源侧接地故障，受零序电流及零序电压的影响，也可能会不满足断线判据，而这时又不在常规定值整定的考虑范围以内，因此最好增加反应这个范围过渡电阻的保护，该范围内零序电压、零序电流仍能够准确测量，是能够实现可靠检测的。图4断线后继发电源侧高阻接地故障特征2.3断线后继发负荷侧线路接地故障仿真模拟0.3 s时线路4断线，0.45 s时继发断线负荷侧部分非高阻接地，过渡电阻为10 Ω。负序正序电流比例特征和零序电压特征分别如图5所示。线路4仍满足式（4）、式（5）、式（8）。负荷侧断线接地对理论分析中的判据影响较小。2.4仿真结果分析图5

断线后继发负荷侧接地故障特征3

 断线保护3.1断线保护判据综合上述对小电阻接地系统断线故障特征的研究，可以得到以负序正序电流比值特征为主要判据，电流限值条件、零序电压限值条件为辅助判据的断线保护。考虑到配电网保护一般仅能采集保护安装处的电压、电流量，因此采用基于单端电气量的保护判据，即仅使用保护安装处的电压、电流，计算负序、正序、零序分量并进行判别，不使用线路对侧的电压或电流量。以式（4）的负序正序电流比值特征作为主要判据，在实际应用中，考虑躲开TA单相断线的情况，当TA单相断线时，断线保护在这种情况下不应误动，此时保护装置计算得到的负序正序电流比应为0.5，采用1.2倍的可靠系数，因此式（4）在应用中的判据转化为|I2/I1|＞0.6。以电流限值条件即式（5）作为区分相间故障的辅助判据，其中可靠系数取1.2。零序电压限值条件即式（8）作为辅助判据用以区分断线故障本级线路与下级线路，考虑10 kV小电阻接地系统中性点电阻为10 Ω的情况，则转化为U0＜0.11Un.Ph，注意零序电压限值条件为欠量条件，在零序电压很小时并不要求测量很准确，因此不受零序电压测量精度的影响。综上，得到断线保护的完整判据如式（10）所示：3.2灵敏度分析1）由于主判据中采用的是负序正序电流的比值，正序电流、负序电流会随着负荷电流的轻重变化等比例变化，因此不需因负荷的变化而去调整门槛值，适应性强。2）负荷不平衡时，由于单相断线后，根据基尔霍夫电流定律，健全两相的负荷电流都会满足式（1），与断线前负荷是否平衡没有关系，因此负荷不平衡不影响断线保护。3）根据式（3），重负荷时负荷电流所占比例更大，受对地电容电流的影响更小，此时|I2/I1|更接近1；反之轻负荷时，对地电容电流的影响会增大，|I2/I1| 的值会减小，极端情况下，若负荷电流为0，|I2/I1|＞0.6不能满足，这种情况下单相断线故障检测不出来，只能等待负荷增大后动作，或者发展为电源侧线路接地故障后由其他保护动作。4）正常情况下发生断线故障时，上级线路会出现负荷不平衡的状态，一般情况下不会满足|I2/I1|＞0.6的要求，因此不会动作。但是当上级线路相对轻负荷时，即上级线路所带负荷（不包括断线故障线路及更下级线路的负荷）相对于断线故障线路及更下级线路总负荷的比例太小时，断线相电流会减少太多，不平衡度过于严重，从而存在|I2/I1|＞0.6满足条件的情况，而电流限值条件和零序电压限值条件对于上级线路而言本来就是满足的，因此可能会误动。为了避免上级线路误动，断线保护可以采用阶梯时间整定方法，即上级线路整定时间较下级线路长一个级差Δt，优先下级线路动作，这样可防止上级线路因轻负荷而误动作。3.3与其他保护的配合关系由于配电网传统继电保护中对断线故障重视不够，一般情况下均不设置专门针对断线故障的保护，而其他传统保护与断线保护的重叠部分很少，不需要进行定值、延时等方面的整定配合。由于本文提出的断线保护采用了零序电压限值条件，与接地保护有所联系，并且在断线后继发电源侧线路非高阻接地时受零序电流的影响，断线保护判据不满足，此时应由零序保护切除故障；若为高阻接地，超出了零序电压、零序电流的测量精度限制，可由断线保护切除故障。这种配合属于动作逻辑上的配合，也不需进行定值、延时等方面的整定配合。4

结语小电阻接地配电网在传统零序过流保护的配置和整定上存在对高阻接地不灵敏的不足，在发生断线故障后线路掉落地面或者悬空易留下安全隐患。本文提出的断线保护，能够准确识别单相及两相断线故障并定位至故障本级线路，及时切除故障，防止带故障运行造成隐患。该保护仅使用配电网线路保护安装处的单端电气量，对电压、电流的精度也没有特别的要求，采用稳态量判据，因此易于实施。而对于断线后电源侧线路经几百欧姆范围内过渡电阻接地而又高于100 Ω的情