小电流接地系统单相接地选线装置设计与实现

周 鹏，周玉国，张景景，于婷婷

（青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266033）

在我国6～66 kV中低压供电电网中，一般采用的是中性点不接地、经消弧线圈接地或高阻接地的方式。这些接地方式在发生单相接地故障时，由于故障电压仍然对称，故不必立即切断电源，提高了供电的可靠性。但是在发生故障时，非故障相相电压升高到线电压幅值，长时间带故障运行就可能造成输电线路的绝缘击穿或是发生相间短路等电力事故，所以这类接地故障需要在一定时间内进行解决，一般规定设备可以在此类故障下运行2 h[1]。

中性点不接地、经消弧线圈接地或高阻接地的配电系统发生单相接地故障时，故障点会产生比较小的零序电流，三相电压对称性没被破坏，设备运行正常，所以这类故障十分隐蔽，为检测带来一定困难。基于故障前后电流与电压的变化关系，本文设计了一种具有实时性、可靠性与便于操作性的实时小电流检测系统。

1 小电流选线方案分析

目前，对于小电流选线的方法主要分为基于暂态分量的选线方案与基于稳态分量的选线方案两种[2]。其中基于暂态分量的选线方案，主要包括小波变换法、首半波法及最大基波法等。基于稳态分量的选线方案，主要包括零序电流比幅法、群体比幅比相法等。此外，还有注入基波法，S注入法等选线方法[3]。

虽然基于暂态分量的选线方法对于线路的瞬间接地尤其是间歇性电弧接地故障判断实时性强，但是由于该选线方法存在较大的理论缺陷，目前没有使用经验[4]，故本系统没有采用暂态分量选线方案。注入信号方法需要在电网中注入所需要频率的信号，这不仅提高了传感器精度的要求，而且对于电能质量产生影响，故本选线系统也不采用。为了开发切实可靠的小电流选线系统，而且考虑到暂态分量检测对于电弧接地等一些瞬时性接地，在电弧消失后，系统能够恢复正常，故本文采用的选线方案主要是基于稳态分量的方案。

小电流接地系统在故障发生时，变化量最明显的是电路中相电压升高到线电压幅值，故本系统首先是对于输电线路的电压值进行检测。在小电流接地故障发生后，电路产生的零序电流值变大，系统可以进一步对电路的零序电流进行检测，以提高检测的可靠性。对于中性点经消弧线圈接地的系统，在过补偿方式下，故障线路的稳态零序电流为过补偿时产生的过剩电感电流，其方向与非故障线路相同。所以这种情况下，对于零序电流的检测方法可能会失效。在系统中采用了零序补偿导纳法[5]进行最后的判别。

2 小电流选线方案设计

采用零序补偿导纳法对小电流接地系统进行选线，通过判断输电线路的导纳的夹角所在坐标轴区域来确定输电线路是否发生故障。由于涉及到电流的方向及相位角的检测，本系统采用的是直接检测零序导纳模值的方法来判断电路是否为故障线路[6-7]。

正常运行线路基波零序电流可以表示为：

式中，Idi0为故障情况下第i条非故障条件下的零序电流；Ud0为故障情况下中性点的零序电压；Ci=CiA+CiB+CiC，为第i条非故障线路对地的总电容。

由式（1）可得：

式中，Ydi0为故障情况下测得的第i条非故障线路的零序导纳。

线路发生单相接地故障时，对于中性点不接地系统与中性点接地系统的零序导纳分别讨论。

（1）中性点不接地系统的单相接地

故障线路的零序电流为：

可以得到故障线路的零序导纳为：

（2）中性点经消弧线圈系统的单相接地

可得到故障线路的零序导纳为：

由于中性点不接地系统没有消弧线圈的补偿，如果该种电路发生小电流接地故障，通过检测电路中的零序电流与零序电压的变化即可判断出接地故障。因此，本文主要讨论中性点经消弧线圈接地系统的补偿导纳法判断接地故障。根据上述公式，非故障线路的零序导纳为：

中性点经消弧线圈接地线路故障时的零序导纳：

由于输电线路敷设环境复杂，对于相位角的测量难度较大，很难完成对于线路相位角的精确测量。在本系统中对于零序导纳的角度不做处理，通过对零序导纳模值的比较判断是否是小电流接地故障。则根据式（9）可得非故障线路的零序导纳的模值为：

故障线路的零序导纳模值为：

如果各输电线路的外部环境是相同的，则有：

则零序导纳的变化量为：

对于中性点经消弧线圈补偿的小电流接地系统，在过补偿的情况下电路呈现感性，有：

在国内的小电流接地电力系统中，频率均为50Hz，则：

对于输电线路的对地电容，可根据参考文献[8]进行计算，在此不做详述。

本系统对于补偿零序导纳的判断是根据这个测量零序导纳与设定的零序导纳的偏差进行监测。对于输电线电压升高，线路中产生的零序电流明显增大或是补偿导纳偏差增大的线路，即可判定为是故障线路。采用零序补偿导纳方法进行对于输电线的监测，既增加了检测系统的可靠性，又没有造成硬件上的太大改变。采用零序补偿导纳法配合零序电压与零序电流方法监测小电流接地电路理论上比较合理，现实中也易于实现，方案可行。

3 软硬件系统设计与实现

3.1 硬件系统的设计

系统的硬件结构图如图1所示。硬件系统主要包括零序电流和零序电压的采样、滤波及信号调理、触摸屏输入输出、时钟、电源以及中央处理单元S3C2440。小电流监测系统的主要功能有：

（1）对于线路的零序电压的实时检测。当电路的零序电压大于设定值时，启动零序电流以及零序导纳检测任务。系统如果发现故障，启动报警程序。

（2）触摸屏是系统最主要的人机交互通道。系统中各种门限值参数的设定以及系统内部的输出信息，主要是通过触摸屏来实现的。

（3）对于系统的外加时钟，采用独立锂电池供电确保时钟信号的准确性。系统在一次校正时钟以后，不必再校正。

（4）系统的实时性。系统实时检测的电路信息，在显示器上都会有显示。如出现问题时，故障信息也能够正确清晰显示。

图1 小电流监测系统硬件组成

3.2 软件系统的设计

小电流监测系统的主要任务流程如图2所示。

软件系统的主要任务有零序电压监测任务、零序电流监测任务、补偿导纳监测任务、时间任务、按键任务以及显示任务。其中的主要流程如下：

（1）为提高系统的实时性能，系统首先对于输电线路的零序电压进行实时监测。当零序电压的测量值超过设定的门限值时，启动零序电流监测任务与补偿导纳监测任务。

（2）零序监测任务的检测值超过设定电流或是补偿导纳发生变化，系统将启动报警程序。

（3）系统时钟采用电池单独供电，确保时钟的正常运行，增加系统的可靠性。

图2 小电流监测系统主程序框图

（4）系统的人机交互主要采用触摸屏实现。触摸屏负责对小电流接地系统信息的显示以及对于系统内部参数的设置。

对于零序补偿导纳法，系统通过检测零序电流与零序电压的相位角来进行判别。线路正常运行时，零序电流超前零序电压90°；线路出现故障时，零序电流滞后零序电压90°。根据零序电流与零序电压的方向关系，判断线路是否发生故障。

当有线路发生接地故障时，故障线路的零序电流与其余线路的零序电流符号相反。零序导纳产生差值，系统就会获取相位角变送器的信号求出零序导纳的偏移角，通过比较测量偏移角与设定偏移角的关系，来判定是否发生小电流接地故障。为提高选线的准确度，系统连续两次采样相位角变送器信号，如果两次采样的信号与设定值的比较结果一致，则系统就会输出诊断结果；如果采样结果不一致，则会第三次读取相位角变送器信号，并比较后两次的结果。如果一次连续比较中的对相位角变送器信号的读取次数等于5次，则认为该线路发生故障，输出故障信息并启动故障报警装置。

本系统的数据信息处理单元采用的是ARM处理器S3C2440，该处理器内核采用的是RISC体系结构，减小了开发难度。同时采用的是5级流水线，进一步增大了系统的执行速度，最高指令执行速度可达500 MIPS。对于嵌入式系统的选择上，充分考虑到实时性能的要求，采用实时性最好的μC/OS-II操作系统，这样在软件上也提高了系统的实时性能。

针对小电流接地故障难发现、难确定的现状，本文设计了一个基于零序电流、零序电压的选线方法，提出并利用了基于导线对地电容的选线判据。对于影响选线正确性的因素进行了分析，提出解决措施。采用实时性与可靠性俱佳的嵌入式操作系统，大大提高了选线的实时性与准确性。在小电流接地的供电网中，本系统能够准确发现线路中的接地故障。

[1]徐梅，杨文荣，吴淑梅，等.基于零序电流比值变化的小电流接地选线方法 [J].电力系统保护与控制，2009，7（37）：68-71.

[2]林湘宁，高艳，刘沛，等.基于零序补偿导纳的小电流接地系统单相故障保护新方 [J].中国电机工程学报，2006，26（10）：45-49.

[3]曾祥军，尹项根，张哲，等.零序导纳法馈线接地保护的研究[J].中国电机工程学报，2001，21（4）：5-10.

[4]张新慧，潘贞存，徐丙垠，等.基于暂态零序电流的小电流接地故障选线仿真[J].继电器，2008，36（3）：5-9.

[5]薛永强，邵玉槐，刘宝勤.零序导纳法馈线接地保护的研究[J].太原理工大学学报，2002，33（4）：396-399.

[6]易东，李群湛，黄彦全.零序导纳法接地保护原理[J].电力自动化设备，2002，22（10）：40-42.

[7]索南加乐，薛晓辉，高峰，等.小电流接地系统单相接地故障选线的研究[J].西安交通大学学报.2008，42（4）：471-473.

[8]王磊，贾清泉，蔡国伟.一种估计小电流系统线路对地电容的新方法[J].继电器，2004，32（3）：29-31.