基于反时限特性的小电流接地故障保护设计

卓梦飞 王敬华 张海台 赵彦 赵卫斌 韩宇

摘 要：为了更好解决小电流接地故障保护选择性问题，提出了一种基于反时限特性的小电流接地故障保护方案。本文首先分析了小电流接地故障稳态零序电流特征，利用故障点到母线区段对地电容电流与线路长度成正比这一特点，设计保护动作时间方程，经过ROUND函数取舍等一系列处理后得到开关的动作时间，满足开关上下级时间级差的配合，且适用于不同长度的线路。通过ATP仿真验证了此方案的可行性，满足了选择性和速动性的要求。

关键词：稳态特征；阶梯反时限；时间级差；ATP仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.102

0 引言

在我国小电流接地系统中，单相接地故障约占80%，对供电质量的影响较大。线路发生小电流接地故障后，根据现有规定可带故障运行1～2小时，但运行时间过长会引起相间短路故障和触电事故，危害严重。故快速、有选择性地隔离故障区域，对缩小停电面积、提高供电可靠性具有很大意义[1]。

文献3提出了一种重合器与电压—电流配合的保护方法，会造成线路短时全面停电的问题，降低了供电可靠性。文献4利用零序电流波形相似确定出故障区域，然后借助配电自动化快速隔离故障区域，此方法依赖于通信。文献5根据故障线路暂态零序电流或无功功率方向与非故障线路相反的特点，提出了检测暂态零序电流或无功功率方向的暂态方向保护方法，但是需要在特定的频段内测量零序电压和零序电流两个暂态量。

因此，本文提出了基于反时限的小电流接地故障保护设计方法，在线路中发生单相接地故障，根据测得故障电流的大小，代入事先整定的动作时间方程，经过取舍、计算处理后使开关在规定的时间切除故障，满足了开关上下级时间级差的完美配合[6]。解决了定时限保护中开关误动不可靠、配电自动化依赖通信等问题。此方法更为灵活可靠，提高了供电可靠性。

1 稳态零序电流特性分析

如图1所示故障零模等效网络图，其中C01～C0m为健全线路对地的等效电容，Ck1、Ck2为故障线路对地等效电容，uk0为发生小电流单相接地故障时在故障点处产生的虚拟电压[7]，故障点虚拟电压产生的零序电流ik为[8]：

（1）

式中i0B为A、B区段的零序电流，即故障点上游零序电流，方向由故障点流向母线，i0C为故障点右侧所有正常线路的零序电流之和，即故障点下游零序电流，方向由故障点流向末端。

又有：

（2）

式中i0A为母线右侧所有非故障线路的零序电流之和，方向和i01方向同，，i0m为非故障相对地电容电流，，ick1为AB段对地电容电流。

公式（2）代入公式（1）中整理后得到故障点到母线区段对地电容电流ick1为：

（3）

在实际的线路中，对地分布容抗远远大于线路电阻与感抗，故忽略线路电阻与感抗产生的电压降。实际运行的线路中，线路参数是一定的，每公里等效的对地电容是一定的，故障点到母线区段的对地电容电流ick1的大小即为每公里对地电容电流的叠加。故障点离母线越近ick越小，反之越大。利用此特性提出基于反时限特性的小电流接地故障保护设计方案原理。

2 基于传统反时限特性小电流接地保护设计方案

在传统反时限中，故障电流和启动电流的比值在1～4时，曲线的斜率大，相应的时间级差就大；故障电流和启动电流的比值大于4时，曲线的斜率小，相应时间级差就小[9-10]。相同时间系数的反时限曲线不能满足开关上下级时间级差配合。若使曲线具有反时限特性且满足时间级差，需要重新计算动作方程。当线路发生单相接地故障，测得的故障电流大小为ik，先代入（3）中求得故障点到母线区段对地电容电流ick1，然后再代入（4）的动作方程，求得时间：

（4）

式中为时间系数，根据线路的长短不同改变值的大小。

根据式（4）计算的时间，用ROUND函数进行处理，得到系统的保护动作时间：

（5）

当线路发生接地故障，如果线路上过流保护时间整定为，线路每相差1km，保护的动作时间就会相差0.1s左右，一般线路中开关上下级之间的时间级差Δt选为0.2s。根据计算的动作时间需做进一步的处理。如果计算的阶梯反时限的时间为偶数，则此偶数减去0.1，使开关动作时间满足上下级时间级差Δt=0.2s，则最终开关动作时间为：

（6）

经过这一系列的运算，无论线路上哪一位置处发生单相接地故障，都会在满足时间级差的情况下使开关动作跳闸。不影响开关的上下级配合，当线路的长度发生变化，改变k值即可。这一方法避免了定时限电流速断保护中开关误动或拒动现象；解决了线路长度的变化导致定时限电流速断保护上下级之间发生不配合，而需要重新设定时间定值这一缺点；也避免了在传统反时限为了满足上下级之间的时间级差需要计算不同的时间常数。

3 仿真验证

利用电磁暂态仿真软件ATP进行仿真验证。仿真模型如图2所示，线路参数设置如下：模型有4条输电线路L1、L2、L3、L4，線路长度分别为4km、6km、13km、10km。电缆线路参数：正序电阻参数R+为0.08Ω/km。零序电阻参数R0为0.80Ω/km。正序电感参数L+为0.086mH/km。零序电感参数L0为0.30mH/km。正序电容参数C+为142.86F/km。零序电容参数C0为147.58F/km。线路负荷参数相同。

第一次仿真故障发生在L2上，S1～S5为线路安装的保护，k1、k2、k3分别为线路的故障点位置，发生单相接地故障时接地电阻为1Ω。

在第一次仿真的10km线路中，根据线路的参数和长度，方程（4）中。经过式（5）和式（6）整理后得开关最终动作时间，如图3所示。

设置不同的故障点位置，其中k1故障点距离母线1.2km，k2故障点距离母线7km，k3故障点距离母线9.5km。故障发生时刻为0.01s，计算保护的动作时间如下表1所示。

在第二次仿真中，L4=6km，这时k=-15代入方程（4）中。线路发生单相接地故障时，其中k1故障点距离母线1km，k2故障点距离母线2.6km，k3故障点距离母线5.7km。故障发生时刻0.1s，计算保护的动作时间如表2所示。

从仿真结果来看，对于上下相邻的两个保护来说，如表1中保护4和保护5，动作时间分别为0.1s和0.3s，对于表2的各个保护来说，时间级差都为0.2s，满足实际运行的需要，开关不会越级动作，稳定可靠。在不同长度的线路中，上述仿真的10km线路和6km线路，K值的不同就满足了不同长度线路的需要，应用广泛。

4 结论

本文利用故障点到母线区段对地电容电流这一故障分量特点，提出了基于反时限特性的小电流接地保护设计方案，该保护使得开关在满足时间级差的情况下动作，且不依赖通信、不受线路长度约束。同时，此方案克服了定时限过流保护误动或拒动的问题，仿真结果验证了方案的可行性，具有一定工程应用价值。

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