一种谐振接地系统故障残余电流有功分量测量装置

曾定邦，黄继盛，石定中，兰飞

（云南电网有限责任公司临沧供电局，云南 临沧 677000）

0 前言

目前，我国中压配电网中性点主要有不接地、谐振接地（也称消弧线圈接地）和低阻接地（也称小电阻接地）3 种方式。不接地系统与谐振接地系统应用最为广泛，其中，中性点经消弧线圈接地方式占比约30%左右，我国城市中压配电网中广泛应用[1]。

谐振接地配电系统中发生单相接地故障时，消弧线圈能够产生感性无功电流，实现对接地故障电流中电容电流的补偿。理想条件下配电网的接地故障的电流为容性电流，消弧线圈一般采用过补偿方式，补偿后故障电流大幅下降，一般设置为10 A 以内，大量的电弧性瞬时接地故障在电压过零时电弧将自行熄灭。然而随着城市供电规模和用能密度的上升，单个变电站的配电网规模不断扩大，总的线路对地电容电流不断增加，需配备更大容量的消弧线圈容量。消弧线圈只能产生感性无功电流，不能补偿线路泄漏电流、消弧线圈自身的阻性电流和非线性负荷等导致的接地故障电流中的有功分量部分[2]。考虑实际运行中消弧线圈采用过补偿方式，接地故障的残余电流由补偿平衡后的感性无功残余电流和阻性有功残余电流两部分组成。若有功分量过大，将直接导致现场故障熄弧的效果大幅下降[3-5]。因此准确掌握谐振接地配电网单相接地故障的残流特征，特别是有功分量的大小，可及时调整消弧线圈的运行参数，对提高电网供电的可靠性以及保障系统的安全运行具重要的现实意义。

本文介绍了一种用于谐振接地系统故障残余电流有功分量的测量装置，该装置采用分布式同步测量的方案，在变电站中同步采集故障发生过程中的中性点对地电压、中性点入地电流和各馈线的零序电流，提取各电压电流信号的工频基波分量，通过精准地计算补偿后残余电流相对中性点对地电压的相位，实现故障残余电流有功分量的测量。装置包含中性点电压检测单元、中性点零序电流检测单元、馈线零序电流检测单元和后台分析系统组成，其中各检测单元具备GPS/北斗时钟或B 码对时接口，具备本地同步采样和故障录波功能，含时标录波数据与后台分析系统用自主无线实现数据的汇集。

1 接地故障残余电流的有功分量

谐振接地配电系统的等值电路如图1 所示。图中，UA、UB、UC和IA、IB、IC分别为配电线路的三相相电压和相电流，CA、CB、CC分别为三相对地电容，rA、rB、rC分别为三相对地的泄漏电阻，L和rL为消弧线圈的电感和等值电阻，Rf为接地故障的过渡电阻[6]。

图1 谐振接地配电系统的等值原理

谐振接地系统发生接地故障时，消弧线圈的电感与电网三相总的对地电容构成了串联谐振回路，假设过渡电阻为Rf，则等值电路如图2所示。其中C为系统对地总电容，iC为系统电容电流，L为消弧线圈的电感，iL为消弧线圈的电感电流，R∑为系统总的对地损耗电阻，i∑为故障电流的有功分量，L0为线路的等效电感。

图2 谐振接地配电网单相接地故障等值回路

由于线路的等效电感相对消弧线圈的电感小很多，工程中可以等效考虑到系统电容中，其带来的误差不大。因此，工频稳态故障电流和中性点零序电压的关系为[8-10]。

由于电感电流和电容电流的相位相反，过补偿方式下，加和的电流相量与中性点零序电压相量为垂直关系，故障电流的有功分量则与零序电压相量方向一致。

2 测量原理

由上文分析可知，若故障电流无有功分量，则故障电流与中性点零序电压的相位关系为90°，而系统总的对地损耗电阻的加入，将改变故障电流和中性点零序电压的相位关系，因此通过测量故障后稳态工频故障电流If和中性点零序电压U0的相位差变可间接获得有功残流分量。

配电网发生接地故障往往发生在相电压的峰值时刻，其初始故障角集中在90°附近，因此零序电压和零序电流初始时刻均有显著的暂态过程，其中包含丰富的高频衰减分量，这对工频时域信息的提取十分不利，因此测量需尽量避开该段录波数据，取用故障稳定后的同步采集数据。为选取合适的数据段完成装置的计算与测量，需分析故障暂态数据的基本特征。

为使分析简洁明了，同时考虑到高频分量先忽略过渡电阻和泄漏电导的影响。当接地故障的过渡电阻较小时，电容电流的自由振荡频率较高，消弧线圈的感抗远大于零模电容的容抗，且远大于三相线路在零序回路中的等值电感，所以消弧线圈的电阻RL与L可以忽略不计，故暂态电容电流瞬时表达式与中性点不接地系统形式完全一致。列写出消弧线圈回路的方程：

式中，RL为消弧线圈电阻，N为消弧线圈分接头匝数，ΦL为消弧线圈铁芯中的磁通，表达式为：

式中τL=LC/R是消弧线圈的时间常数，暂态电感电流为：

式中ILm为电感电流幅值，ILm=Um/ωL，对于中性点经消弧线圈接地的配电网系统，流经故障点的电流为：

式（6）由两部分组成，一部分为流过接地点的稳态电流，即电容电流与电感电流的工频量之差，另一部分为暂态量，包括振荡衰减分量与直流衰减分量。根据实际配电网的接地故障录波数据可知，振荡衰减分量即暂态高频分量一般衰减较快，故障发生后20～40 ms 便可忽略其带来的影响。直流衰减分量主要受消弧线圈的参数影响，若阻尼较大则衰减很快，一般60 ms 后也可忽略其影响。为提升测量的精度，可选取故障100 ms 后的数据来提取工频时域数据，也可通过分析设置滑动时窗来分析信号的频带能量分布，当工频能量占比超过90%时，截取数据完成工频时域信息的提取。

截取待分析的同步录波数据后，已20 ms为时窗，利用傅里叶算法完成中性点电压和故障线零序电流工频时域信息的提取，通过多个周波数据的分析，得到故障电流If和中性点电压U0的相位差δ(k,k=1,2,...n)，其中n为获取的录波正工频周期数。最终利用计算获得的工频故障电流If和δ，通过式（7）计算得到I∑。

3 装置结构及系统组成

谐振配电网接地故障残余电流有功分量测量装置如图3 所示，整体装置由中性点电压检测单元、中性点零序电流检测单元、馈线零序电流检测单元和后台监测分析系统组成。其中中性点电压检测单元通过消弧线圈的电压互感器采集并记录中性点对地电压u0(t)；中性点零序电流检测单元通过消弧线圈的穿心式电流互感器采集并记录感性补偿电流iL(t)；馈线零序电流检测单元分别采集各条馈线的零序电流，获取接地故障电流if(t)。上述三类数据采集单元分别获取电压和电流时序数据并形成本地的录波数据，通过自主无线将录波文件上传后台监测分析系统，通过前文介绍的原理完成数据的分析和计算，最终得到谐振配电网接地故障残余电流的有功分量。

图3 接地故障残余电流有功分量测量装置

中性点电压、电流和各馈线零序电流的检测单元采用共硬件平台的方案，具体功能支持现场设定，基本的结构组成如图4 所示。

图4 中性点电压、电流和馈线零序电流检测单元结构

4 应用实例

为验证研发装置的现场应用效果，在某110 kV 变电站的10 kV Ⅰ段母线进行了现场应用测试。该段母线共有出线7 条，其中3 条馈线以电缆为主，电缆长度分别约为23 km、18 km、和13 km，其余4 条馈线以架空为主，线路总长度约80 km。理论计算该段母线的整体电容电流约63 A，中性点采用自动跟踪的消弧线圈接地。进入雷雨季节，该变电站的2 条架空线路为主的馈线频繁出现了由于接地故障导致的选线跳闸情况，通过对历史数据的分析，现场可能存在接地故障残余电流有功分量超标的情况。

现场测试过程中共发生2 次永久性接地故障，装置实现了所有测量点的分布式同步采集与故障录波，同步时间精度小于10 μm，采样频率为10 kHz，实测中性点电压和故障馈线的零序电流数据如图5 所示。

图5 现场分布式同步故障录波数据

图6 工频有效值计算结果

中性点对地电压与故障馈线零序电流工频时域信号的相位差计算结果如图7 所示。

图7 中性点对地电压与故障馈线零序电流工频相位差

后台分析系统利用同步录波数据，完成了中性点对地电压和故障馈线零序电流的工频量有效值的计算，结果如图6 所示。

接地故障残余电流有功分量的测量结果如图8 所示。

图8 接地故障残余电流有功电流分量

分析两次故障下的检测和分析数据可知，故障发生后工频零序电流与零序电压的相位差由30°左右逐渐变大，100 ms 后逐渐稳定，达到83°左右，其特征规律与前述分析的结论一致。以稳定后的计算结果为有效的测量结果，则该变电站的接地故障的有功残流约占整体故障残余电流的12%，有效值最大约为3.2 A，导致接地故障的残流有效值达到约15 A，故障电弧熄灭的难点加大。

5 结束语

本文设计了一种谐振配电网接地故障残余电流有功分量的测量装置，装置由中性点电压检测单元、中性点零序电流检测单元、馈线零序电流检测单元和后台监测分析系统组成。装置采用同步测量中性点对地电压、零序电流和各馈线零序电流，通过傅里叶算法提取工频时域信号，计算接地故障残余电流与中性点对地电压的相位差，最终得到残余电流的有功分量。该装置采用分布式安装、就地同步高速采样录波和无线远传分析监测后台的结构模式，方便在变电站安装应用。开展的现场应用测试证明了该设备采用的理论方法的正确性，验证了装置的检测功能。

同步高精度记录配电网发生接地故障过程中的电压、电流信号，深度挖掘其所含信息，精准地掌握配电网运行的关键参数，如对地电容、不平衡电压、对地泄漏电导等，对提升配电网运行的可靠性和安全性，提高配网运维的效率，有着十分重要的现实意义。