芮冬阳，尹项根，陈德树
（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074）
摘 要：研究的重点是配电网馈线接地故障的保护控制策略及其实现的方法，它是实现配网自动化的基础之一。通过各方面的研究，对配电网接地故障的保护控制系统提出一个全面的框架结构，该结构更有利于提高供电可靠性、实现配电网自动化。运行经验表明，配电网的接地故障大多数为瞬时性故障，特别是架空线电网和架空线电缆混合电网。对于单相接地瞬时故障，谐振接地方式通过补偿使接地电弧瞬间熄灭，系统可以恢复正常运行，而低电阻接地方式则通过保护动作切除故障线路；对于永久性故障，谐振接地方式允许电网带故障运行一段时间（规程允许2h），以便检查故障，转移负荷。因此，从保证供电连续性角度来看，谐振接地方式比低阻接地方式具有更多的优点。但在谐振接地方式下，当系统发生永久性接地故障时，虽然系统允许带故障运行2h，系统仍要求在尽可能短的时间内检查出故障线路，以进行故障隔离和负荷转移。当系统采用了快速消弧系统后，由于接地电流的迅速补偿，使各馈线的零序电流均降到很小的值，很难检测判断故障线路，特别是高阻接地故障。目前，国内外在这一方面发展了各种原理不同分量等。由于对保护的测量精度要求高，计算复杂，可靠性较低。另外，上述的很多方法适宜于选出故障线路，但要实现故障区域的检测和判断却难度较大，不利于配电网自动化的发展。
1利用可控消弧系统馈线接地故障的判断
1．1基于可控消弧系统的配电网接地故障零序电流检测原理
对于谐振接地方式，由于接地电流的快速补偿，故障分量难以取得，保护灵敏度下降，而中性点不接地方式，故障零序电流的大小和方向是一个容易检测的故障特征量。中性点不接地系统接地故障时各馈线零序电流分析等值电路见图1。
各馈线零序电流分析：
假使各相参数相等,有
当馈线比较多时，接地馈线的零序电流与非接地馈线的零序电流具有明显的分辨率，而且随着电网的扩大和接地电流的增加，零序电流检测的灵敏度会更高。因此，可以将消弧系统和馈线接地检测系统作为一个整体协调起来解决对故障的控制和检测。一种做法是当故障发生时，延时投入消弧系统，采用零序电流判断故障线路后再投入消弧系统，这样控制比较容易，但由于消弧系统的延时投入，丧失了快速补偿接地电流的优点；另一种做法是当故障发生时，迅速投入消弧系统补偿接地电流，而当故障被判断为永久性接地故障时，通过瞬时改变消弧系统的脱谐度，使接地残流发生突变，再采用零序电流方法判断故障线路。该做法的优点是保证了消弧系统的快速性，而难点是脱谐度的有效调节和控制，以及与故障检测系统的有效配合。研究表明，采用晶闸管控制的智能化快速消弧系统和利用DSP技术的多通道同步快速零序电流检测可以有效地解决这一难题。
1．2基于可控消弧系统的集中式单相接地故障检测系统
本方案采用的可控消弧系统为高短路阻抗变压器式晶闸管控制的智能化快速消弧系统。单相接地故障的检测在原理上采用馈线零序电流的大小和方向作为故障分量，同一母线下所有馈线的故障分量综合比较进行故障判断，在硬件方面采用最新的数字信号处理器（DSP）技术实现同一母线下所有馈线零序电流、零序电压同步快速采集测量。系统的原理框图如图2所示。系统的基本控制原理：
当系统发生单相接地故障时，消弧系统无延时投入补偿，如果是瞬时性接地故障，电弧能迅速熄灭，系统恢复正常运行，消弧系统立即退出运行，避免系统发生谐振；如果是永久性接地故障，由消弧系统启动接地故障检测系统，同时通过晶闸管控制瞬时改变消弧系统的脱谐度，使接地残流发生突变，故障馈线与非故障馈线的零序电流具有很大的区别，利用故障检测系统对同一母线下所有馈线的零序电流进行检测和比较，可迅速判断故障的线路。
1．3 基于变电站综合自动化系统的分散式单相接地故障检测系统
该方案利用变电站综合自动化系统和可控消弧系统来进行接地故障的检测和判断。系统是建立在基于就地总线的分层分布式变电站综合自动化系统的结构模式上，将接地故障检测的功能分散分布下放到每一条馈线的智能化控制单元中，而集中的功能由管理层的计算机监控系统来完成。其优点是简化故障检测系统的构造，提高可靠性，适应变电站自动化技术的发展。系统的结构框图见图3。
对于分散式单相接地故障检测系统，由于将集中式接地故障检测系统的功能分散分布下放到每一条馈线的智能化控制单元上，因此要求各保护控制单元对零序电流的测量必须有足够的精度，必须与可控消弧系统配合又不影响保护本身的性能。本研究采用双CPU系统构成的馈线智能化分布单元，一个CPU用于馈线的保护，另一个CPU用于馈线信息的精确测量和控制，在系统功能上具有很大的冗余度。而在零序电流的判断上引入自适应零序电流判断的方法，系统的基本控制原理与集中式相同。
1．4基于可控消弧系统的自适应零序电流判断
根据1．1的分析，对于接地故障，
这时零序电流判断的灵敏度较高。
对于高阻接地
当接地电阻较大时，零序电流判断的灵敏度大大下降。假设馈线零序电流判断的整定值为
式中K1———可靠系数；
K2———接地程度系数。
对于馈线保护测控单元，当系统发生接地故障时，通过检测接地程度系数自适应修改零序电流判断的整定值，可以提高检测的灵敏度。
2利用馈线多点信息构成的馈线接地故障区域的判断
2．1永久性接地故障区域检测判断的意义
随着配电网自动化水平的不断提高和用户对供电可靠性要求的日益增加，只检测和判断故障线路远远不能满足配电网自动化发展的要求，配电网运行要求当发生永久性故障时，检测系统能迅速检测判断故障区域，并通过分段开关对故障区域进行隔离，迅速恢复系统的正常运行。因此，对于采用谐振接地方式的配电网，故障区域检测的研究是其实现配电网自动化的一项重要任务，也是一个难点。
2．2基于可控消弧系统的馈线接地故障沿线故障信息的分析
馈线故障区域检测的研究，离不开对故障线路沿路各分段点故障信息的采集和判断。对于中性点采用小电阻接地的电网，由于接地故障电流为短路电流，判断比较方便。目前，许多进口的智能化重合器、智能化分段开关、智能化FTU对接地故障的检测都是基于大短路故障电流的检测的，但对于小电流接地系统，特别是采用谐振接地方式的系统，上述产品均不适应。国内也有厂家采用暂态零序电流作为故障判断，但对信号的采集要求高，缺乏应有的辅助量，检测难度比较大。
对于采用谐振接地的配电网，当馈线发生永久性接地故障时，通过对可控消弧系统的灵活控制和故障线路沿线的各分段开关的FTU对零序电流的检测，可以有效地判断故障线路沿线各点的信息，从而判断故障的区域。馈线接地故障沿线各分断点故障信息分析简图如图4。
从图4可以看到，当故障发生在馈线的Q31～Q32区域时，FTU31所检测到的零序电流与QF3的馈线单元所[1][2]下一页
