薛永端，金 鑫，劉 曉，徐丙垠

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東省青島市 266580；2. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東省濟(jì)南市 250118；3. 山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究院，山東省淄博市 255049）

0 引言

配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的合理選擇及其衍生的單相接地故障保護(hù)是一個(gè)綜合性的技術(shù)與工程問(wèn)題，一直是國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)靈活接地方式的初衷是在永久接地時(shí)可靠切除故障，瞬時(shí)接地時(shí)降低線路跳閘率，已在中國(guó)多地推廣應(yīng)用［1-3］。關(guān)于靈活接地系統(tǒng)單相接地故障的保護(hù)與處理，相關(guān)規(guī)程給出了基本動(dòng)作流程［4］，目前接地保護(hù)大多沿用了小電阻接地系統(tǒng)的定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)，即利用中性點(diǎn)并聯(lián)小電阻投入階段的故障電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)，定值較高，對(duì)高阻接地故障如斷線墜地、導(dǎo)線碰樹(shù)等仍存在保護(hù)靈敏度不足等問(wèn)題［5］。

針對(duì)配電網(wǎng)高阻接地故障，近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一系列高靈敏度接地保護(hù)方法［6-23］。文獻(xiàn)［6］提出可利用零序電壓、零序電流對(duì)應(yīng)的零序有功功率方向作為動(dòng)作判據(jù)，可降低電流定值，提高耐過(guò)渡電阻能力；文獻(xiàn)［7］提出基于零序電壓比率制動(dòng)的零序電流保護(hù)方法，利用零序電壓反映過(guò)渡電阻大小，自動(dòng)調(diào)整電流動(dòng)作定值，耐過(guò)渡電阻能力可達(dá)1 kΩ；文獻(xiàn)［8］根據(jù)故障出線零序電流幅值遠(yuǎn)大于健全出線的特征，提出利用反時(shí)限原理實(shí)現(xiàn)接地故障的階段式保護(hù)，耐過(guò)渡電阻能力約為1.5 kΩ；文獻(xiàn)［9］根據(jù)故障時(shí)各條出線零序電流幅值和相位的差異，提出利用集中式比較的方式切除故障出線，耐過(guò)渡電阻能力約為1.5 kΩ；文獻(xiàn)［10］提出基于出線零序電流與中性點(diǎn)電流比較的保護(hù)方法，以中性點(diǎn)接地電阻電流作為保護(hù)啟動(dòng)量，耐過(guò)渡電阻能力僅受中性點(diǎn)電流測(cè)量精度的限制，最大可達(dá)3 kΩ 以上；文獻(xiàn)［11-12］針對(duì)高阻故障時(shí)往往伴隨接地電弧，波形通常存在非線性畸變的特點(diǎn)，提出了電流波形凹凸性法、伏安特性法檢測(cè)高阻故障，靈敏度較高，但僅在故障點(diǎn)非線性程度較高、電弧狀態(tài)穩(wěn)定的情況下有較好的檢測(cè)效果；文獻(xiàn)［13］提出的消弧線圈并聯(lián)中電阻法的實(shí)現(xiàn)方式及控制原理與靈活接地方式類似，但故障特征與保護(hù)原理存在較大差異，適應(yīng)性有待分析；文獻(xiàn)［14］提出了考慮線路出線“虛擬電阻”的基于熱穩(wěn)定原理的間歇接地故障保護(hù)方法；文獻(xiàn)［15-19］提出利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（DTW）算法等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能算法的保護(hù)方法，理論上較為完備，但受限于目前硬件水平，距實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。諧振接地方式下利用暫態(tài)信息的選線方法［20-21］也可用于靈活接地方式，區(qū)別是靈活接地方式下，保護(hù)不應(yīng)在故障發(fā)生后動(dòng)作，而應(yīng)在并聯(lián)小電阻投入后動(dòng)作。

理論上，上述接地保護(hù)方法均可用于靈活接地系統(tǒng)以提高高阻接地時(shí)保護(hù)的靈敏度，但由于靈活接地系統(tǒng)接地故障時(shí)中性點(diǎn)并聯(lián)小電阻投切的影響，故障過(guò)程存在電氣量突變現(xiàn)象，呈現(xiàn)明顯的階段性，保護(hù)的可靠性與靈敏性會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，其在靈活接地系統(tǒng)下適應(yīng)性及性能有待分析。

本文通過(guò)建立適用于靈活接地系統(tǒng)接地故障全過(guò)程（并聯(lián)小電阻投入前、投入后、切除后）分析的零序等值模型，給出各電氣量故障特征的一般性結(jié)論，并據(jù)此提出靈活接地系統(tǒng)中接地保護(hù)面臨的問(wèn)題，進(jìn)而分析定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)、零序功率方向保護(hù)、反時(shí)限零序電流保護(hù)、電壓制動(dòng)式零序電流保護(hù)、電流比較式保護(hù)、波形畸變式保護(hù)及電流突變式保護(hù)在靈活接地系統(tǒng)接地故障不同階段的動(dòng)作特性，給出其適用條件，并提出算法改進(jìn)方案，總結(jié)出提升保護(hù)性能的建議，為靈活接地系統(tǒng)中接地保護(hù)的合理選擇提供參考。

1 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析

根據(jù)故障持續(xù)時(shí)間和保護(hù)是否動(dòng)作，靈活接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)可分為3 個(gè)階段：

1）第1 階段：并聯(lián)小電阻投入前，系統(tǒng)為諧振接地方式；

2）第2 階段：并聯(lián)小電阻投入后，進(jìn)入消弧線圈并小電阻接地方式；

3）第3 階段：并聯(lián)小電阻切除后，返回諧振接地方式。

圖1 為一具有n條線路的靈活接地系統(tǒng)單相接地故障零序等值模型。圖中，G0i、B0i分別表示線路i的對(duì)地泄漏電導(dǎo)及分布電（容）納，其中，i=1，2，…，n?1 時(shí)線路i為健全出線，i=n時(shí)線路i為故障出線；Rf為故障點(diǎn)過(guò)渡電阻；U?f=?E?A為虛擬電壓源，E?A為故障相（以A 相為例）電壓；U?0為母線處零序電壓；I?0i為線路i的對(duì)地零序電流；I?0f為故障點(diǎn)零序電流；I?M為故障出線零序電流；YN為中性點(diǎn)接地導(dǎo)納（圖1 紅色虛線框內(nèi)）；GL、BL分別為消弧線圈零序等值電導(dǎo)和電（感）納；Rn為中性點(diǎn)并聯(lián)小電阻；S 為并聯(lián)小電阻投切開(kāi)關(guān)，S 斷開(kāi)時(shí)為系統(tǒng)正常運(yùn)行階段及故障第1、3 階段，S 閉合時(shí)系統(tǒng)為故障第2 階段。

圖1 靈活接地系統(tǒng)單相接地故障零序等值模型Fig.1 Zero-sequence equivalent model of single-phase grounding fault in flexible grounded system

如圖1 所示，無(wú)論開(kāi)關(guān)S 斷開(kāi)或閉合，系統(tǒng)零序?qū)Ъ{Ys0均為中性點(diǎn)接地導(dǎo)納與所有出線對(duì)地導(dǎo)納的并聯(lián)，有

式中：Y0i=G0i+jB0i為健全線路零序測(cè)量導(dǎo)納，i=1，2，…，n?1。

故障出線零序電流為全部健全線路零序電流與中性點(diǎn)電流的相量和，同時(shí)也是故障點(diǎn)零序電流與故障出線本身對(duì)地電流的相量和，即：

式中：Y0n=G0n+jB0n為故障線路自身對(duì)地零序?qū)Ъ{。

式（1）至式（5）描述了發(fā)生單相接地故障后，靈活接地系統(tǒng)中各電氣量之間的關(guān)系，且在并聯(lián)小電阻投入前后均成立。可見(jiàn)，故障第1、2 階段各電氣量均與系統(tǒng)零序?qū)Ъ{有關(guān)。

根據(jù)式（1），可得故障第1、2 階段的系統(tǒng)零序?qū)Ъ{Ys0，1和Ys0，2分別為：

式中：d為系統(tǒng)的阻尼率；d0為線路的阻尼率，其在線路絕緣良好時(shí)一般為2%～4%，絕緣老化時(shí)可達(dá)5%以上；dL為消弧線圈的阻尼率，一般為1.5%～2%［1］；v為消弧線圈的失諧度，在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)下一般為?10%～?5%。

10 kV 配電系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)地電容電流一般不大于200 A，即系統(tǒng)對(duì)地電納B0≤11.6 mS［7］；并聯(lián)小電阻Rn一般為4～16 Ω，本文取Rn=10 Ω，其他阻值時(shí)結(jié)果相近，代入式（7），則故障第2 階段的系統(tǒng)零序?qū)Ъ{可近似表達(dá)為：

由式（2）至式（8）易得，與故障第1 階段相比，故障第2 階段零序電壓、健全線路零序電流的幅值減小，故障點(diǎn)電流的幅值增大。對(duì)于故障線路零序電流，根據(jù)式（2）、式（5）、式（6）和式（8），故障第1、2 階段的故障出線零序電流I?M，1和I?M，2的幅值之比TM為：

式中：θ=arctan(?3vB0Rf)。

由式（9）可得，對(duì)于一個(gè)確定的靈活接地系統(tǒng)，即當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電納、失諧度、并聯(lián)小電阻阻值一定時(shí)，TM的大小僅與過(guò)渡電阻及故障出線本身對(duì)地電納有關(guān)。設(shè)v=?8%、B0=3.5 mS，則TM隨過(guò)渡電阻及故障出線本身對(duì)地電納的變化如圖2 所示。可見(jiàn)，并聯(lián)小電阻投入后，故障出線零序電流的幅值可能增大，也可能減小。

圖2 并聯(lián)小電阻投入前后的故障線路零序電流幅值之比的變化Fig.2 Variation of ratio of zero-sequence current amplitude of fault line before and after connection of parallel low resistance

實(shí)際上，根據(jù)式（5）至式（8），故障第2 階段的故障出線零序電流可表示為：

式中：U?0，2和U?0，1分別為故障第1、2 階段零序電壓。

由式（10）可知I?M，2分為兩部分：隨零序電壓成比例減小的原故障出線零序電流和零序電壓在并聯(lián)小電阻上產(chǎn)生的阻性電流。當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí)，并聯(lián)小電阻上的阻性電流不足以彌補(bǔ)減少的故障出線零序電流，從而使故障出線零序電流幅值減小。這一結(jié)論與目前的認(rèn)識(shí)存在差異，也與投入并聯(lián)小電阻增大故障電流以提高保護(hù)可靠性的初衷相悖。

2 靈活接地系統(tǒng)中接地保護(hù)面臨的問(wèn)題

2.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)接地保護(hù)的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于以零序電流為特征量的配電網(wǎng)接地保護(hù)，為防止保護(hù)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生誤動(dòng)，其整定時(shí)需躲過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不平衡零序電流的影響。10 kV 小電阻接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不平衡度較小，單條電纜線路和架空線路的最大不平衡零序電流分別為0.26 A 和0.37 A［7］，考慮一定裕度，一般按躲過(guò)1～2 A 進(jìn)行整定。

靈活接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)實(shí)際為諧振接地方式，消弧線圈的諧振作用會(huì)放大系統(tǒng)的不平衡度。根據(jù)規(guī)程［24］，諧振接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)電壓位移不超過(guò)額定相電壓的15%。10 kV 單條出線對(duì)地電容電流一般不超過(guò)50 A，則單條出線在正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡零序電流可達(dá)7.5 A。若保護(hù)仍沿用小電阻接地系統(tǒng)中的電流定值，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，靈活接地系統(tǒng)接地保護(hù)在整定時(shí)應(yīng)躲過(guò)諧振接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡零序電流。

2.2 故障第1 階段時(shí)接地保護(hù)的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)

靈活接地系統(tǒng)在故障第1 階段的目標(biāo)是利用消弧線圈補(bǔ)償接地電流，促進(jìn)故障電弧自動(dòng)熄滅。為最大程度利用消弧線圈的補(bǔ)償作用，同時(shí)保證出線保護(hù)、分支線保護(hù)與配電變壓器保護(hù)等多級(jí)保護(hù)之間的正確配合，靈活接地系統(tǒng)的接地保護(hù)應(yīng)確保在故障第1 階段不動(dòng)作。為此，保護(hù)不應(yīng)以故障發(fā)生、而應(yīng)以并聯(lián)小電阻投入作為啟動(dòng)或動(dòng)作判據(jù)。因此，靈活接地系統(tǒng)接地保護(hù)在整定時(shí)還應(yīng)躲過(guò)故障第1 階段電氣量的影響。

2.3 消弧線圈調(diào)諧方式對(duì)保護(hù)啟動(dòng)的影響

根據(jù)2.2 節(jié)分析，靈活接地系統(tǒng)接地保護(hù)的可靠啟動(dòng)或動(dòng)作依賴于并聯(lián)小電阻的準(zhǔn)確投入，因此，靈活接地系統(tǒng)的耐過(guò)渡電阻能力不僅受限于接地保護(hù)方法本身，還受并聯(lián)小電阻投切裝置的影響。目前的并聯(lián)小電阻投切裝置一般采用與變電站絕緣監(jiān)察裝置或小電流接地保護(hù)裝置相同的啟動(dòng)方式，即零序電壓越限啟動(dòng)，啟動(dòng)電壓一般為15～20 V，（二次值，變比為57∶1）。消弧線圈的調(diào)諧方式影響了故障發(fā)生時(shí)刻的系統(tǒng)零序?qū)Ъ{和零序電壓，進(jìn)而影響到并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動(dòng)。

預(yù)調(diào)式消弧線圈系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)靠近諧振點(diǎn)運(yùn)行，故障發(fā)生時(shí)刻的系統(tǒng)零序?qū)Ъ{Ys0，Y即為故障第1 階段的零序?qū)Ъ{Ys0，1。而對(duì)于隨調(diào)式消弧線圈，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)其遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)運(yùn)行，故障發(fā)生時(shí)刻的系統(tǒng)零序?qū)Ъ{相當(dāng)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的系統(tǒng)零序?qū)Ъ{Ys0，S：

根據(jù)式（2）、式（6）和式（11），設(shè)d0=2%、d=4%、v=?8%，則消弧線圈分別為預(yù)調(diào)式與隨調(diào)式時(shí)，故障發(fā)生時(shí)刻零序電壓的變化如圖3 所示，圖中綠色平面為并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動(dòng)電壓（以15 V為例）?？梢?jiàn)，當(dāng)消弧線圈為預(yù)調(diào)式時(shí)，并聯(lián)小電阻投切裝置啟動(dòng)的耐過(guò)渡電阻能力大于2.25 kΩ；當(dāng)消弧線圈為隨調(diào)式且系統(tǒng)電容電流Ic較小時(shí)（小于19 A），并聯(lián)小電阻投切裝置啟動(dòng)的耐過(guò)渡電阻能力在2 kΩ 以上；但隨著Ic的增大，其耐過(guò)渡電阻能力快速下降，當(dāng)系統(tǒng)電容電流為100 A 時(shí)，其耐過(guò)渡電阻能力僅為380 Ω，當(dāng)Ic為200 A 時(shí)，僅為180 Ω。

圖3 消弧線圈調(diào)諧方式對(duì)故障發(fā)生時(shí)刻零序電壓的影響Fig.3 Influence of tuning mode of arc suppression coil on zero-sequence voltage at fault time

3 已有保護(hù)方法在靈活接地系統(tǒng)中的適應(yīng)性分析

3.1 定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)的適應(yīng)性分析

小電阻接地系統(tǒng)中，定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)（以下簡(jiǎn)稱為零序過(guò)電流保護(hù)）的整定原則為：1）躲過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)本線路的最大不平衡電流；2）躲過(guò)本線路的對(duì)地電容電流。相比后者，前者幅值較小，整定時(shí)可忽略。為方便管理，現(xiàn)場(chǎng)零序過(guò)電流保護(hù)常采用統(tǒng)一定值，即躲過(guò)所有出線的對(duì)地電容電流，定值一般設(shè)為40～60 A。根據(jù)2.1 節(jié)分析，靈活接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡零序電流最大不超過(guò)7.5 A，仍小于零序過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作定值，因此，保護(hù)不會(huì)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)誤動(dòng)。

由式（3）和式（8）可得，相同的過(guò)渡電阻下，靈活接地系統(tǒng)接地故障第2 階段的故障點(diǎn)電流與小電阻接地系統(tǒng)大致相同，零序過(guò)電流保護(hù)的耐過(guò)渡電阻能力約為90～140 Ω。

根據(jù)2.2 節(jié)分析，過(guò)補(bǔ)償時(shí)，故障出線零序電流大于故障出線本身對(duì)地電容電流，若仍按躲過(guò)所有出線的對(duì)地電容電流進(jìn)行整定，則故障第1 階段故障出線零序電流可能大于保護(hù)動(dòng)作定值，保護(hù)將誤動(dòng)。為此，零序過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作定值應(yīng)在原有定值（所有出線最大對(duì)地電容電流）基礎(chǔ)上增加消弧線圈補(bǔ)償階段最大的故障點(diǎn)殘流。根據(jù)規(guī)程［24］，10 kV諧振接地系統(tǒng)補(bǔ)償后的故障點(diǎn)殘流小于10 A。即保護(hù)定值要從40～60 A提升至50～70 A，根據(jù)式（3），耐過(guò)渡電阻能力相應(yīng)地從90～140 Ω 變?yōu)?6～110 Ω。

實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于消弧線圈維護(hù)管理不到位的情況時(shí)有發(fā)生，故障點(diǎn)殘流經(jīng)常達(dá)到20～30 A，甚至更大。此時(shí)，零序過(guò)電流保護(hù)的定值應(yīng)進(jìn)一步提高，其耐過(guò)渡電阻能力將進(jìn)一步下降。這也要求在靈活接地系統(tǒng)中，要提高消弧線圈運(yùn)維管理水平，保證故障點(diǎn)殘流符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，否則將為接地保護(hù)的整定帶來(lái)困難。

另一方面，根據(jù)2.3 節(jié)分析，無(wú)論消弧線圈采用何種調(diào)諧方式，并聯(lián)小電阻投切裝置的耐過(guò)渡電阻能力均大于零序過(guò)電流保護(hù)。因此，并聯(lián)小電阻投入并不表示零序過(guò)電流保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012—2018 年，某地5 座采用靈活接地方式的變電站共計(jì)投入并聯(lián)小電阻1 037 次，零序過(guò)電流保護(hù)僅動(dòng)作了269 次，即有74.1%的接地故障在投入中性點(diǎn)小電阻后保護(hù)仍然拒動(dòng)［25］。

3.2 反時(shí)限零序電流保護(hù)的適應(yīng)性分析

反時(shí)限零序電流保護(hù)［8］根據(jù)小電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，故障出線零序電流遠(yuǎn)大于（10 倍以上）健全出線零序電流，利用反時(shí)限動(dòng)作特性使故障出線保護(hù)先于健全出線保護(hù)動(dòng)作，從而降低保護(hù)最小動(dòng)作定值，達(dá)到高阻保護(hù)的目的。

靈活接地系統(tǒng)單相接地故障第1 階段時(shí)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障出線零序電流不再遠(yuǎn)大于、甚至小于健全出線零序電流。與多數(shù)保護(hù)方法不同的是，反時(shí)限零序電流保護(hù)在故障第1 階段，不僅可能使故障線路誤動(dòng)，甚至可能跳開(kāi)健全出線。因此，反時(shí)限零序電流保護(hù)的最小動(dòng)作電流應(yīng)躲過(guò)故障第1 階段所有出線的零序電流，這與定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)的電流定值相同。因此，靈活接地系統(tǒng)沒(méi)有必要使用反時(shí)限零序電流保護(hù)。

3.3 零序功率方向保護(hù)的適應(yīng)性分析

零序功率方向保護(hù)［6］的動(dòng)作判據(jù)為：零序電流越限且零序功率方向元件動(dòng)作。相比于零序過(guò)電流保護(hù)，其啟動(dòng)電流不必躲過(guò)所有出線的對(duì)地電容電流，而是按躲過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行階段最大不平衡電流整定。

零序功率方向元件反映功率方向的算法有2 種：一是直接計(jì)算有功功率，根據(jù)其符號(hào)判斷功率方向；二是比較零序電流和零序電壓的相位關(guān)系。其本質(zhì)是根據(jù)健全線路與故障出線零序測(cè)量導(dǎo)納角之間的差異判別故障線路。小電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，兩種計(jì)算方法均適用：健全出線零序有功功率從母線流向線路，符號(hào)為正，零序電流相位超前零序電壓約90°；故障出線零序有功功率從線路流向母線，符號(hào)為負(fù)，零序電流相位超前零序電壓約180°。

根據(jù)式（4），靈活接地系統(tǒng)中，健全出線i零序測(cè)量導(dǎo)納為健全出線本身的對(duì)地導(dǎo)納，不受并聯(lián)小電阻投切影響，導(dǎo)納角φ0i為：

由式（15）和式（16）得，故障第1 階段的故障出線零序電流超前零序電壓的角度在90°～153.4°內(nèi)；故障第2 階段的故障出線零序電流超前零序電壓的角度在175.8°～180°內(nèi)。即故障第1、2 階段，故障出線的有功功率均從線路流向母線。若零序功率方向元件采用計(jì)算有功功率的正負(fù)作為判據(jù)，則故障第1 階段保護(hù)存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。為此，靈活接地方式下，保護(hù)可采用相位比較的方法，考慮一定的裕度，可按零序電流超前零序電壓165°～190°整定。

靈活接地方式下，零序功率方向保護(hù)的耐過(guò)渡電阻能力同時(shí)受限于零序電流和零序電壓。根據(jù)2.1 節(jié)分析，零序電流應(yīng)躲過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行階段最大不平衡零序電流（7.5 A），由式（3）可得，其對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻約為760 Ω。而目前零序電壓多為三相電壓合成或取自電壓互感器開(kāi)口三角形側(cè)，存在較大的不平衡電壓，考慮互感器精度及裝置測(cè)量誤差的影響，保護(hù)準(zhǔn)確測(cè)量零序電壓的下限為2%的額定電壓［25］，即保護(hù)最小精確工作電壓約為120 V，由式（2）可得，其對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻約為500 Ω。因此，零序功率方向保護(hù)的耐過(guò)渡電阻能力主要受限于零序電壓的測(cè)量精度，約為500 Ω。

根據(jù)2.3 節(jié)分析，當(dāng)系統(tǒng)的電容電流較大時(shí)，若消弧線圈采用隨調(diào)式，并聯(lián)小電阻投切裝置啟動(dòng)的耐過(guò)渡電阻能力較差，可能小于500 Ω，這種情況下，保護(hù)的耐過(guò)渡電阻能力就受限于并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動(dòng)。

3.4 電壓制動(dòng)式零序電流保護(hù)的適應(yīng)性分析

電壓制動(dòng)式零序電流保護(hù)［7］根據(jù)小電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，零序電流與零序電壓成正比的特征，引入零序電壓作為制動(dòng)量，自適應(yīng)調(diào)整動(dòng)作定值Iset，即：

根據(jù)式（4）和式（5），靈活接地系統(tǒng)接地故障的各個(gè)階段，零序電流均仍與零序電壓成正比。因此，電壓制動(dòng)式零序電流保護(hù)在靈活接地方式下仍適用。

根據(jù)2.1 節(jié)分析，靈活接地方式下，保護(hù)最小動(dòng)作電流Iset，min應(yīng)躲過(guò)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡零序電流（7.5 A），耐過(guò)渡電阻能力約為760 Ω，相比于小電阻接地方式有所下降。

根據(jù)2.2 節(jié)分析，保護(hù)動(dòng)作電流Iset應(yīng)滿足：1）大于故障第1 階段單相接地時(shí)所有出線的零序電流；2）大于故障第2 階段健全出線零序電流；3）小于故障第2 階段故障出線零序電流。因此，對(duì)于故障出線，制動(dòng)系數(shù)K應(yīng)滿足：

式中：I?0i，1和I?0i，2分別為健全出線i在故障第1、2 階段的零序電流。

可以看出K的邊界取值范圍與線路零序測(cè)量導(dǎo)納相關(guān)，結(jié)合3.3 節(jié)分析，K的下限值應(yīng)取3.65 mS，上限值應(yīng)取33.3 mS，考慮動(dòng)作可靠系數(shù)Krel=1.3，靈活接地方式下，可取4.7 mS＜K＜25.6 mS。可見(jiàn)，相比于小電阻接地方式，其制動(dòng)系數(shù)的上限不變，下限略有上升。

3.5 電流比較式保護(hù)的適應(yīng)性分析

根據(jù)所利用的零序電流特征量的不同，零序電流比較式保護(hù)可分為零序電流群體比幅比相式保護(hù)［9］和出線零序電流與中性點(diǎn)零序電流比較式保護(hù)［10］。

3.5.1 零序電流群體比幅比相式保護(hù)

零序電流群體比幅比相法［9］的故障判據(jù)為：在零序電流幅值最大的若干條出線中，若某條出線零序電流相位超前其他任意出線零序電流相位均在85°～110°內(nèi)，則該出線為故障線路；若各出線零序電流相位差均在30°以內(nèi)，則判為母線接地故障。

根據(jù)2.1 節(jié)分析，保護(hù)最小動(dòng)作電流應(yīng)躲過(guò)靈活接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電流，耐過(guò)渡電阻能力約為760 Ω。

故障第1 階段時(shí)，故障出線零序電流相位超前健全出線零序電流0°～73.1°。可見(jiàn)，零序電流群體比幅比相法在故障第1 階段時(shí)可能將出線接地故障誤判為母線接地故障。因此，靈活接地方式下，零序電流群體比幅比相法的母線接地故障判據(jù)失效。

故障第2 階段時(shí)，故障出線零序電流相位超前健全出線零序電流85.8°～95.7°?？紤]一定裕度，靈活接地方式下，出線接地故障判據(jù)應(yīng)修正為：若某條出線零序電流相位超前其他任意出線零序電流相位在75°～105°內(nèi)，該出線為故障出線?？梢?jiàn)，其相對(duì)于小電阻接地方式下的范圍減小。

由于該方法需要測(cè)量所有出線的零序電流，僅能通過(guò)在變電站內(nèi)配置獨(dú)立的集中式保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)，不適用于通道較少的出線保護(hù)裝置。

3.5.2 出線零序電流與中性點(diǎn)零序電流比較式保護(hù)

出線零序電流與中性點(diǎn)電流比較法［10］利用流經(jīng)中性點(diǎn)電阻的電流與零序電壓同相位，引入中性點(diǎn)電阻電流作為零序電壓的極化相量，其原理在本質(zhì)上與零序功率方向保護(hù)相同，動(dòng)作定值為：

式中：I?R為中性點(diǎn)電阻電流；I?t為出線零序電流在中性點(diǎn)電阻電流上的投影；Id為投影量和中性點(diǎn)電阻電流的差動(dòng)電流，對(duì)于故障出線，差動(dòng)電流值較小，接近于0，對(duì)于健全出線，差動(dòng)電流值較大，接近于中性點(diǎn)電流值；Iz為差動(dòng)電流定值。

該方法以中性點(diǎn)電阻電流作為啟動(dòng)量，應(yīng)用于靈活接地方式時(shí)，其耐過(guò)渡電阻能力僅受限于并聯(lián)小電阻投切裝置的啟動(dòng)，且從根本上避免了故障第1 階段保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題。

根據(jù)該原理，對(duì)于不同原理的出線保護(hù)，均可通過(guò)引入中性點(diǎn)電阻電流或并聯(lián)小電阻投切裝置的開(kāi)關(guān)量作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)。但實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮零序電流互感器的帶負(fù)載能力或開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)數(shù)量，以及母線分列、并聯(lián)運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電阻電流如何獲取的問(wèn)題。

3.6 波形畸變式保護(hù)適應(yīng)性分析

波形畸變式保護(hù)［11-12］是利用接地電弧的熱效應(yīng)，導(dǎo)致接地電阻在接地電流過(guò)零點(diǎn)附近急劇增大，之后迅速衰減，使故障電流表現(xiàn)為“零休”現(xiàn)象的特征以檢測(cè)故障。小電阻接地系統(tǒng)接地故障時(shí)，故障出線零序電流主要為阻性分量，波形的非線性畸變集中分布于過(guò)零點(diǎn)附近，即存在“零休”現(xiàn)象；而健全出線零序電流主要為容性分量，同故障出線零序電流相位相差90°，波形非線性畸變集中分布于峰值附近，如圖4 所示。

圖4 小電阻接地系統(tǒng)高阻接地故障零序電流波形Fig.4 Zero-sequence current waveforms of highimpedance grounding fault in low-resistance grounded system

根據(jù)2.2 節(jié)分析，靈活接地系統(tǒng)接地故障第1 階段時(shí)，故障出線、健全出線零序電流均主要為容性分量，電流波形的非線性畸變均分布于過(guò)零點(diǎn)附近，引起“零休”現(xiàn)象，如圖5 所示。因此，故障第1 階段的故障出線、健全出線零序電流的波形畸變特征均與小電阻接地系統(tǒng)高阻接地時(shí)故障出線零序電流相同。因此，波形畸變式保護(hù)在靈活接地系統(tǒng)故障第1階段存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)使故障出線保護(hù)提前動(dòng)作，也會(huì)導(dǎo)致健全出線保護(hù)誤動(dòng)作，從而引發(fā)非故障區(qū)域供電中斷。

圖5 諧振接地系統(tǒng)高阻接地故障零序電流波形Fig.5 Zero-sequence current waveform of highimpedance grounding fault in resonance grounded system

3.7 電流突變式保護(hù)的適應(yīng)性分析

諧振接地系統(tǒng)中，消弧線圈并聯(lián)中電阻法［13］利用中電阻（約140 Ω）投入前后零序電流突變的特征實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)，也稱零序電流突變式保護(hù)，與3.5.2節(jié)所述出線零序電流與中性點(diǎn)零序電流比較式保護(hù)相同，電流突變式保護(hù)也需要引入并聯(lián)小電阻投切裝置的開(kāi)關(guān)量。

按照所利用的特征量的不同，中電阻法可分為零序電流幅值增量法、零序電流有功增量法和零序功率方向法，其中，零序功率方向法的原理和適應(yīng)性與3.3 節(jié)相同，不再贅述。

3.7.1 零序電流幅值增量法

零序電流幅值增量法的原理是利用單相接地故障并聯(lián)小電阻投入后流過(guò)并聯(lián)小電阻上的電流使故障出線零序電流幅值增大來(lái)檢測(cè)故障線路。根據(jù)1.1 節(jié)分析，當(dāng)過(guò)渡電阻大于臨界過(guò)渡電阻時(shí)，并聯(lián)電阻投入后，故障出線零序電流幅值非但不增大，反而減小，此時(shí)零序電流幅值增量法將失效。由式（9）得，使故障第1、2 階段故障出線零序電流幅值保持不變（TM=1）的臨界過(guò)渡電阻約為：

根據(jù)式（9），設(shè)v=?8%，可得TM在不同條件下隨過(guò)渡電阻的變化情況，如圖6 所示。可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電納、故障出線本身對(duì)地電納相同時(shí)，靈活接地方式下的零序電流幅值增量法的耐過(guò)渡電阻能力略高于消弧線圈并聯(lián)中電阻法。

圖6 故障第1、2 階段故障線路零序電流幅值之比的變化Fig.6 Changes of ratio of zero-sequence current amplitude of fault line in the first and second stages

3.7.2 零序電流有功增量法

零序電流有功增量法的原理是利用并聯(lián)小電阻上產(chǎn)生的電流為有功分量來(lái)檢測(cè)故障線路。根據(jù)式（2）、式（13）和式（14），故障第1、2 階段，故障出線零序電流有功分量的幅值之比為：

由式（22）可得，對(duì)于一個(gè)確定的靈活接地系統(tǒng)，即當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電納、失諧度、阻尼率、并聯(lián)小電阻阻值一定時(shí)，TP的大小僅與過(guò)渡電阻有關(guān)，與故障出線本身的對(duì)地電納無(wú)關(guān)：當(dāng)d≤?v時(shí)，無(wú)論過(guò)渡電阻多大，故障第2階段的零序有功電流幅值相比第1階段總是增大；當(dāng)d＞?v時(shí)，故障第2 階段的零序有功電流幅值相比第1 階段可能增大，也可能減小，TP=1 時(shí)的臨界過(guò)渡電阻R′f0為：

可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)絕緣良好（d≤?v）的靈活接地系統(tǒng)，零序電流有功分量法的適應(yīng)性高于零序電流幅值增量法；對(duì)于絕緣劣化的靈活接地系統(tǒng)，零序電流有功分量法將失效。但無(wú)論線路絕緣情況如何，故障第2 階段故障出線零序電流中有功分量的占比始終大于故障第1 階段。

然而，零序電流有功增量法的可靠性同樣受零序電壓測(cè)量精度的影響。根據(jù)式（2）可知，當(dāng)Rn=140 Ω 時(shí)，保護(hù)的最小精確工作電壓（120 V）對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻達(dá)3 kΩ 以上；而根據(jù)3.3 節(jié)分析，當(dāng)Rn=10 Ω 時(shí)，保護(hù)的最小精確工作電壓（120 V）對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻不足500 Ω。因此，靈活接地方式下零序電流有功增量法耐過(guò)渡電阻能力低于消弧線圈并聯(lián)中電阻法。

4 靈活接地系統(tǒng)中接地保護(hù)的適應(yīng)性結(jié)論

根據(jù)上述分析，得到已有配電網(wǎng)接地保護(hù)方法在靈活接地系統(tǒng)的適應(yīng)性結(jié)論。

1）定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作定值應(yīng)在確保消弧線圈合理補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，在原有定值基礎(chǔ)上提高至少10 A，耐過(guò)渡電阻能力不足110 Ω。

2）零序功率方向保護(hù)的最小動(dòng)作電流受限于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡零序電流，耐過(guò)渡電阻能力約為500 Ω；功率方向元件應(yīng)采用定值更為嚴(yán)格的電壓電流相位比較法。

3）靈活接地方式下沒(méi)有必要使用反時(shí)限零序電流保護(hù)。

4）電壓制動(dòng)式零序電流保護(hù)的耐過(guò)渡電阻能力受限于最小動(dòng)作電流，約為750 Ω；制動(dòng)系數(shù)K的下限值相比小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)適當(dāng)升高。

5）電流比較式保護(hù)中，零序電流群體比幅比相法在母線接地時(shí)判據(jù)失效，線路接地時(shí)耐過(guò)渡電阻能力約為750 Ω；出線零序電流與中性點(diǎn)電流比較法的耐過(guò)渡電阻能力可達(dá)3 kΩ。

6）波形畸變式保護(hù)由于保護(hù)原理的限制，不僅會(huì)使故障出線保護(hù)提前動(dòng)作，也會(huì)導(dǎo)致健全出線保護(hù)誤動(dòng)作。

7）電流突變式保護(hù)中，零序電流幅值增量法的耐過(guò)渡電阻能力高于并聯(lián)中電阻法；零序電流有功增量法的耐過(guò)渡電阻能力低于并聯(lián)中電阻法。

此外，靈活接地系統(tǒng)中可根據(jù)并聯(lián)小電阻投切前后電氣量的變化特征構(gòu)成判據(jù)，其變化量主要與中性點(diǎn)小電阻有關(guān)，受線路參數(shù)、絕緣情況的影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析目前主流的接地故障保護(hù)方法，發(fā)現(xiàn)大部分方法在靈活接地方式下的保護(hù)性能有所下降。

1）對(duì)于定時(shí)限零序過(guò)電流保護(hù)、零序功率方向保護(hù)、電壓制動(dòng)式零序電流保護(hù)、零序電流群體比幅比相法，其本質(zhì)原因是無(wú)法識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)（并聯(lián)小電阻是否投入），為避免消弧線圈補(bǔ)償階段誤動(dòng)、提高保護(hù)定值從而導(dǎo)致保護(hù)性能下降。

2）波形畸變式保護(hù)無(wú)法通過(guò)改進(jìn)保護(hù)定值來(lái)避免消弧線圈補(bǔ)償階段誤動(dòng)，若無(wú)法獲取小電阻投入信號(hào)則無(wú)法適用于靈活接地系統(tǒng)。電流突變式保護(hù)能否適用于靈活接地系統(tǒng)，系統(tǒng)狀態(tài)能否準(zhǔn)確識(shí)別也是關(guān)鍵條件。

3）相對(duì)的，出線零序電流與中性點(diǎn)零序電流比較式保護(hù)因引入了并聯(lián)電阻電流信號(hào)，可準(zhǔn)確識(shí)別靈活接地系統(tǒng)狀態(tài)，故保護(hù)性能不變。

為此，對(duì)于出線接地保護(hù)，可通過(guò)接入流過(guò)并聯(lián)小電阻上的電流量或并聯(lián)小電阻投切的開(kāi)關(guān)量作為保護(hù)啟動(dòng)量，但應(yīng)注意零序電流互感器的帶負(fù)載能力或開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)的數(shù)量，以及母線分列、并列運(yùn)行時(shí)并聯(lián)小電阻的電流切換問(wèn)題；條件允許時(shí)，宜采用集中式保護(hù)。對(duì)于線路分段保護(hù)或分支線保護(hù)，由于并聯(lián)小電阻電流量或投切開(kāi)關(guān)量信息獲取存在困難，需進(jìn)一步研究?jī)H利用保護(hù)自身的特征量即可識(shí)別并聯(lián)小電阻投入時(shí)刻，或者從原理上不受并聯(lián)小電阻投入前故障特征影響的靈活接地系統(tǒng)接地保護(hù)。