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中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位方法

文檔作者：張利夏楠姜彤文檔來源： 1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 2．北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年07月28日
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第22卷第4期
2010年8月
電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)
Proceedings of the CSU—EPSA
V01．22 No．4
Aug． 2010
中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位方法
張利 ，夏楠 ，姜彤
(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；
2．北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100192)
摘要：該文以不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的零序網(wǎng)絡(luò)特征為基礎(chǔ)，考慮到零序電流采集時(shí)受到的來自負(fù)
荷電流的影響，提出一種新的基于零序電流相量的故障定位方法。文中定量地分析了架空線路中由電流互感
器誤差引起的負(fù)荷電流零序分量在二次側(cè)輸出不為零從而產(chǎn)生的零序不平衡電流，并推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，
應(yīng)用在定位判據(jù)的提出和判據(jù)可信度的分析中。最后通過仿真算例，模擬出實(shí)際線路零序電流采集時(shí)受到的
來自不平衡電流的影響，給出了基于零序電流相量故障定位方法在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；帶電故障定位；單相接地故障；零序不平衡電流；零序電流相量
中圖分類號：TM7l3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003—8930(2010)04—0036-05
Fault Location M ethods for Single-phase Ground Faults
in Neutral Ungrounded System
ZHANG Li ，XIA Nan ，JIANG Tong
(1．School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，
Beijing 102206，China
2．School of Aotomation，Beij ing Information Science 8L Technology University，
Beijing 100192，China)
Abstract：Considering the influences of load current when measuring the zero—sequence current，a new fault-lo—
cation method for single—phase ground faults in neutral ungrounded system is presented on the basis of the zerosequence
network's characteristics in this paper．A fter analyzing the load current of overhead lines，the effect of
the zero—sequence unbalanced current on the measurement of zero—sequence current has been studied．The math—
ematic representation of zero—sequence unbalanced current caused by the error of current transformer is derived
and applied in the credibility analysis of fault—location criterion．In a case study，the effect of zero—sequence un—
balanced current on line zero—sequence current is simulated，and the application of the fault—location method
based on zero—sequence current is given．
Key words：neutral ungrounded system；fault—location without power—cut；single-phase ground faults；zero—se—
quence unbalanced current；zero—sequence current phasor
我國6～ 60 kV中低壓電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)
不接地或經(jīng)消弧線圈的接地方式(俗稱小電流接地
方式)。在小接地電流系統(tǒng)中，8O 以上的故障是
單相接地故障，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，為保
證供電可靠性，應(yīng)盡快完成故障選線與定位工作，
及時(shí)把故障從系統(tǒng)中切除_1 ]。
故障選線問題目前已基本解決[3“]，但故障定
位問題一直沒有令人滿意的方案。目前主要的定位
方法有：行波法和信號注入法。前者往往受到過渡
電阻和分支數(shù)目的影響，而后者易受到過渡電阻和
分布電容的影響[5 。因此，對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)
的故障定位問題，本文通過對不接地系統(tǒng)發(fā)生單相
收稿日期：2009—08—17；修回日期：2009一10—22
基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2009AA12Z328)
第4期 張 利等：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位方法 · 37 ·
接地故障后網(wǎng)絡(luò)零序電流的電氣特征進(jìn)行分析，提
出基于零序電流相量的故障定位判據(jù)。
1 基于零序電流相量故障定位方法的原理
分析
當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，
負(fù)荷電流零序分量的理論值恒為零，系統(tǒng)的零序等
效網(wǎng)絡(luò)主要由線路對地電容構(gòu)成，如圖1所示。
— — 一 非故}
圭』
圭I
A 上B三 c
、
-7-1
路徑
徑
圖1 單相接地故障后系統(tǒng)的零序等效網(wǎng)絡(luò)
Fig．1 Equivalent Zero— sequence network when the
single line-to-ground faults occur
若取關(guān)聯(lián)參考方向，電容上的電流相位超前
電壓9O。，系統(tǒng)的電容電流分布用”一”表示[1 。測
量時(shí)取線路首端至負(fù)荷終端的方向?yàn)檎较颍敲?
在故障路徑AB(故障點(diǎn)前)上，零序電流相位滯后
零序電壓9O。，非故障路徑(非故障分支AD，故障
點(diǎn)后BC)上的零序電流相位超前零序電壓9O。，因
此若取零序電壓相位為參考相位，則有故障路徑與
非故障路徑的零序電流( ，j )相位相反。另外，
沿故障路徑零序電流幅值逐漸增大，在故障點(diǎn)處達(dá)
到最大。因此，根據(jù)線路各處零序電流的相位及幅
值特征，可判斷出該處在故障路徑還是在非故障路
徑上，逐步鎖定故障點(diǎn)，完成故障定位工作，這就是
基于零序電流相量故障定位方法的基本思路。
2 零序電流采集時(shí)遇到的問題
2．1 負(fù)荷電流對零序電流采集的影響
對于電纜線路，由于采用特制的零序電流互感
器采集零序電流_1 ，負(fù)荷電流的零序分量在二次
側(cè)的輸出仍為零，無不平衡電流產(chǎn)生。而對于架空
線路，由于采用分相電流互感器測量零序電流 ，
并且互感器存在誤差，負(fù)荷電流的零序分量在二次
側(cè)的輸出將不為零，成為零序不平衡電流，疊加到
線路的零序電流上，給零序電流的采集帶來誤差。
這個(gè)由互感器誤差引起的負(fù)荷電流的零序分量在
二次側(cè)輸出不為零，從而產(chǎn)生的零序不平衡電流是
影響準(zhǔn)確采集線路零序電流的主要原因ll 。
2．2 零序不平衡電流
對于架空線路，設(shè)互感器的準(zhǔn)確級為K，測得
的電流誤差限值為±K％(由于相位誤差很小，故
忽略[地 )。設(shè)KA 、K 、K 分別為A、B、C三
相電流的測量誤差(K ，K ，K ∈ [一K，K])，因
此可得負(fù)荷電流零序分量的二次側(cè)輸出為
j 。一j。 (1+ K 9／6)+j (1+K ％)+
JLc(1+ Kc )一 LA+ JLB+ Lc+ JI A·
K 9／6+j。 ·K +j 。·K 、％ 一j ·
KA 9／6+，。 B·K +， ·Kc 一△j
(1)
顯然負(fù)荷電流零序分量的二次側(cè)輸出不再恒
為零，而是變?yōu)椤鱦 ，稱這個(gè)不平衡量為零序不平
衡電流。
2．2．1 零序不平衡電流的幅值大小
由負(fù)荷電流和互感器誤差在二次側(cè)引起的零
序不平衡電流△ 其幅值大小滿足：△J ≤ 2K
· f ? 。K 為互感器的準(zhǔn)確級，， ? 為三相中的最
大負(fù)荷電流，即：零序不平衡電流的幅值不大于最
大單相電流誤差的2倍l】引。
2．2．2 零序不平衡電流對零序電流采集的影響
考慮到零序不平衡電流△j 是以隨機(jī)誤差的
形式疊加到故障路徑與非故障路徑的零序電流之
上，因此可采用電流誤差圓的形式描述該不平衡電
流對線路零序電流采集的影響。如圖2所示，做出
L
，
，
一
、
、
，
， 一
、
， 、 ／
， 、
、
， 、 ， 、
，
．
、 ， ． 、
fn ' ， If ’
、
、
0 、一 一
、
、
、
、
～ 一·
，
，
圖2 以電流誤差圓描述的故障路徑與非故障路徑
零序電流采集時(shí)受到的影響
Fig．2 Effect on the measurement of zero-sequence current
described by current——error circle
半徑r— r 0_一 — AI【』(?)的兩圓0 、0z，其圓心
分別落在故障路徑與非故障路徑上零序電流相量
的末端。在零序不平衡電流的影響下，故障／非故
障路徑上零序電流相量的測量值 ，將偏離理
論值j 、j ，分別落在0 、0。中。可以看出，在零序
· 38 · 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào) 第22卷
不平衡電流的影響下，故障路徑與非故障路徑上的
零序電流可能會由理論上的反相變?yōu)榻仆唷Ｒ?
此，基于零序電流相量的故障定位方法必須充分考
慮到零序不平衡電流的影響。
3 基于零序電流相量的故障定位判據(jù)的提
出及其可信度分析
3．1 基于零序電流相量法的故障定位判據(jù)
設(shè)線路上某處采集到的零序電流為j。，其幅值
為 ．，相角為 ，O 和O 分別為故障／非故障路徑
的電流誤差圓。
在每次采集零序電流前，故障路徑與非故障路
徑上零序電流的幅值(理論值)大小未知，所以兩
圓的圓心位置無法確定。又因?yàn)榻拥仉娏鞔笮∥?
知，所以兩圓的圓心距也無法確定。唯一可知的是
兩圓的半徑r一2K · ? ，與互感器的精度以及
最大負(fù)荷電流有關(guān)。因此，只能給出兩圓可能出現(xiàn)
的區(qū)域，用包絡(luò)線表示，其中圓心落在原點(diǎn)處的圓
O為兩圓可能出現(xiàn)的極限位置，如圖3所示。
、
、
一
～
， ： 一 ： _，
一一： 一：、 ‘ ?
：，， 一
ji
圖3 采集到的零序電流與誤差圓的關(guān)系示意
Fig．3 Relationship between current— error circle and the
measured zero-sequence current
考慮到故障路徑與非故障路徑上零序電流的
電氣特征，可得圓0及其以左的區(qū)域?yàn)榉枪收下窂?
上零序電流誤差圓()2可能的區(qū)域范圍；圓0及其
以右的區(qū)域?yàn)楣收下窂搅阈螂娏髡`差圓0 可能的
區(qū)域范圍。由于故障路徑上的零序電流通常較大，
故可把極限圓0只歸為非故障零序電流所在的區(qū)
域。因此，對于某處采集到的零序電流ji，可按如下
的定位判據(jù)進(jìn)行判斷：
(1)當(dāng)co ?！?0或co ．≥ 0， 。≤ r時(shí)，該處
在非故障路徑上。
(2)當(dāng)cos ≥ 0，工 ≥ r且 。sin9。< r時(shí)，該處
在故障路徑上。
(3)當(dāng)I cos > r時(shí)，為互感器設(shè)備故障，不予
考慮。
3．2 對基于零序電流相量故障定位判據(jù)的可信
度分析
由于在3．1中的定位判據(jù)中假定極限圓0只
為非故障路徑上零序電流所在的區(qū)域，所以當(dāng)故障
路徑上電流誤差圓0 與極限圓0有相交區(qū)域時(shí)，
可能會出現(xiàn)誤判，如圖3所示的陰影區(qū)域。此時(shí)若
采集到的零序電流落在此相交區(qū)域內(nèi)，則該電流既
可能為故障路徑上的零序電流，也可能為非故障路
徑上的零序電流。但根據(jù)定位判據(jù)，該點(diǎn)被判在非
故障路徑上，存在判斷錯(cuò)誤的可能，因此需要對本
判據(jù)的可信度進(jìn)行分析?？紤]當(dāng)負(fù)荷電流較大，故
障點(diǎn)經(jīng)高阻接地，接地電流較小的情況，故障路徑
上零序電流誤差圓0 與極限圓0可能會相交，此
時(shí)出現(xiàn)誤判的概率即為陰影部分的面積與圓0 的
面積之比判據(jù)的可信度可近似表示為
n 一卜 SA
一
2 (2)
7【r
?
其中S 為圖3中斜線部分的面積，Ja為接地電流，
r為電流誤差圓的半徑，正比于負(fù)荷電流的大小。
接地電澍A
圖4 接地電流對定位判據(jù)可信度的影響曲線
(1inel，line2，line3分別表示最大負(fù)荷電流為
50A。100A。150A)
Fig．4 Effect of grounding current on the credibility
(1ine1，line2。line3 respectively represents the
maximum load current 50A，100A，150A)
最大負(fù)荷電流，A
圖5 負(fù)荷電流對定位判據(jù)可信度的影響
(1inel，line2分別表示接地電流為1A，0．5A)
Fig．5 Effect of load current on the credibility
I line1。line2 respectively represents the
grounding current 1A，0．5A)
當(dāng)接地電流較大，而負(fù)荷電流較小時(shí)，故障路
徑電流誤差圓0 與圓0無相交區(qū)域，即采集到的
故障路徑上的零序電流一定落在極限圓以右區(qū)域，
此時(shí)定位判據(jù)可信度為1。據(jù)此，可做出如圖4、圖5
掣
第4期 張 利等：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的定位方法 · 39 ·
的可信度曲線(取互感器準(zhǔn)確級為0．5)。
4 基于零序電流相量故障定位方法的網(wǎng)絡(luò)
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置
如圖6所示，可設(shè)計(jì)出如下的硬件布置示意
圖6 系統(tǒng)的硬件布置設(shè)計(jì)圖
Fig．6 Layout of system hardware
圖，沿線路各處裝設(shè)電流互感器以及無線通訊設(shè)備
如通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS(general packet
radio service)來采集零序電流，并將零序電流傳至
調(diào)度主控室。通過與線路首端零序電壓相比得到零
序電流的相位信息。當(dāng)獲得線路各處的零序電流相
量以及線路的負(fù)荷電流后，就可通過在復(fù)平面上應(yīng)
用故障定位判據(jù)進(jìn)行判斷。待所有采集點(diǎn)的采集工
作完成后，就可判斷出故障點(diǎn)的位置。
5 算例
通過搭建如圖7所示的12節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)示例
系統(tǒng)(標(biāo)號1～ 12為采集點(diǎn)，采集點(diǎn)的布置可視線
路的重要性及長短而定)，利用仿真軟件對其進(jìn)行
仿真分析，不失一般性，本算例選擇故障發(fā)生在采
集點(diǎn)9后，系統(tǒng)中較長的一個(gè)分支上。
圖7 10 kV電壓等級的示例系統(tǒng)圖
Fig．7 Example of 10 kV system
線路上的負(fù)荷電流和零序電流的仿真結(jié)果見
表1中① 、④ 。當(dāng)獲得線路的負(fù)荷電流后，根據(jù)式
△ ≤ 2K 9／6· 取互感器準(zhǔn)確級為0．5，可計(jì)算
出零序不平衡電流的幅值范圍，如表1② 所示。由
于零序不平衡電流為隨機(jī)誤差，故取其相位為一
180?！?180。。根據(jù)零序不平衡電流的幅值范圍，通
過生成隨機(jī)數(shù)，模擬出線路上零序電流采集時(shí)的零
序不平衡電流，如表1③ 所示。根據(jù)線路零序電流
的仿真結(jié)果④ 以及模擬出的零序不平衡電流③ ，
通過疊加可得如⑤ 所示采集到的零序電流，這是
對實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的采集結(jié)果的一種模擬。⑥
是應(yīng)用定位判據(jù)的判斷結(jié)果。
在零序不平衡電流的影響下，由于采集到的零
序電流存在誤差，因此會影響判斷的準(zhǔn)確度。如表
1所示采集點(diǎn)1處的零序電流，由于負(fù)荷電流較大，
據(jù)其得到的判斷結(jié)果與理論值相悖。但是，通過前
述的判據(jù)可知，對于判斷出在故障路徑上的點(diǎn)(”
是”)，結(jié)果一定準(zhǔn)確，因此結(jié)合實(shí)際配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)
構(gòu)，仍可以正確地找到故障路徑(1—7—9)，鎖定
故障點(diǎn)，即故障點(diǎn)位于9、10之間。
表1 仿真結(jié)果
Tab．1 Simulation results
▲ 為判斷結(jié)果與理論結(jié)果相一致的采集點(diǎn)
·40 · 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào) 第22卷
6 結(jié)語
由負(fù)荷電流在二次側(cè)引起的零序不平衡電流，
其幅值不大于負(fù)荷電流最大單相誤差的2倍(AI
≤ 2K％ · )，若能減小零序不平衡電流的最大
幅值，即電流誤差圓的半徑，根據(jù)題目3中的分析
可知零序電流采集的準(zhǔn)確度可進(jìn)一步提高，因此選
擇在負(fù)荷電流較小時(shí)采集能夠確保零序電流采集
的準(zhǔn)確度。對于工業(yè)負(fù)荷，負(fù)荷電流的幅值在短時(shí)
間內(nèi)(1～2 h內(nèi))的波動(dòng)很大，因此在故障發(fā)生后，
有充分的時(shí)間瞬時(shí)鎖定負(fù)荷電流較小時(shí)的各個(gè)采
集點(diǎn)的零序電流，以此保證大多數(shù)采集點(diǎn)能夠較為
準(zhǔn)確地采集到零序電流，從而不影響基于零序電流
相量故障定位方法的正確率。
基于零序電流相量的故障定位方法充分考慮
到了由負(fù)荷電流引起的零序不平衡電流對零序電
流采集的影響，因此定位結(jié)果準(zhǔn)確度高，有著良好
的應(yīng)用前景。
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作者簡介：
張利(1980一)，女，博士，講師，主要從事電力系統(tǒng)分析運(yùn)
行與控制。Email：zzrzl@163．corn 13581916305
夏楠(1988一)，女，本科生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自
動(dòng)化。Email：pattyxianan@126．corn
姜彤(1970一)，男，博士，教授，主要從事電力系統(tǒng)分析運(yùn)
行與控制、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等方面的研究。Email：jiang—
tong@ ncepu．edu．cn

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