基于零序电流特征差异的柔性接地系统故障选线方法

《Electronics》：Faulty Line Selection Method Based on Differentiation of Zero-Sequence Current Characteristics for Flexible Grounding Systems Yafeng Huang, Junhang Ye and Jiaqing Sun

　　

针对配电网柔性接地系统中高阻接地故障选线困难的问题，研究人员提出了一种融合零序电流幅值与相位特征的新型故障选线方法。该方法深入分析了柔性接地系统单相接地故障时各馈线与中性点零序电流的幅值差异及相位关系。在并联低电阻装置投入后，故障线路零序电流幅值近似等于中性点零序电流幅值且相位相反，而非故障线路零序电流幅值显著小于中性点零序电流且相位近似正交。为量化这一特征差异，研究人员采用各线路零序电流在中性点零序电流方向上的投影，构建了投影系数判据以提升选线可靠性。此外，该方法利用中性点零序电流有效提取非故障线路的微弱零序电流，解决了因零序电流互感器（CT）无法精确获取微弱信号而导致的选线装置误判风险。PSCAD仿真结果表明，即使在零序CT极性接反或强噪声干扰等极端工况下，该方法对过渡电阻高达3000 Ω的单相接地故障仍能保持有效性。

研究背景与意义

在中低压配电网领域，中性点接地方式的选择及其伴随的高阻接地故障保护难题是当前的研究热点。当前国内配电网主要采用不接地系统和经消弧线圈接地系统，部分地区正由消弧线圈接地向低电阻接地过渡。谐振接地（消弧线圈接地）虽熄弧能力强、供电可靠性高，但故障后易产生过电压且故障选线困难；低电阻接地虽能降低故障过电压并对低阻故障选线能力强，却难以区分瞬时与永久性故障，且供电可靠性较低。柔性接地系统作为一种新兴方案，结合了两者的优点，但在实际应用中，某区域电网采用该方式的变电站零序过电流保护正确动作率仅为26%，表明其在高阻接地故障保护方面存在严重不足。因此，开展柔性接地系统高阻接地故障选线研究对提升配电网供电可靠性至关重要。本研究成果发表于《Electronics》。

关键技术方法

研究人员首先建立了10 kV柔性接地系统单相接地故障的零序等效网络模型，从理论层面推导了并联低电阻装置投入后各线路与中性点零序电流的幅值比和相位差特征。其次，提出了基于零序电流投影系数的故障选线判据，通过计算各线路零序电流在中性点零序电流方向的投影系数来区分故障与非故障线路。针对高阻故障时非故障线路零序电流微弱、常规CT难以精确测量的问题，研究人员提出了一种间接计算方法，利用中性点零序电流结合线路对地电容来获取微弱电流值。最后，利用PSCAD v4.6仿真软件搭建了包含电缆与架空线的混合线路模型，验证了所提方法的有效性。

研究结果

2. 相关工作

研究人员分析了柔性接地系统单相接地故障的特征。理论推导表明，并联低电阻投入后，故障线路零序电流幅值与中性点接近且相位差约180°，呈阻性反相特征；非故障线路零序电流幅值远小于中性点且相位差约90°，呈容性正交特征。这些显著的幅值与相位差异为构建可靠的故障选线方法提供了直接依据。

3. 材料与方法

基于上述特征，研究人员构建了故障选线方案。首先实时监测中性点零序电压，当其有效值超过设定阈值（20%相电压）时启动选线装置，由消弧线圈补偿电容电流并计算各线路对地电容。若故障为瞬时性则终止流程；若为永久性故障则投入并联低电阻。随后，对于零序电流大于1 A的线路直接由CT测量，对于小于1 A的非故障线路，则利用已求得的对地电容和中性点电流间接计算其零序电流。最后，计算各线路零序电流在中性点零序电流上的投影系数，若某线路投影系数大于阈值（0.303），则判定其为故障线路。

4. 结果与分析

4.1 仿真验证

在PSCAD中搭建的10 kV四馈线系统模型仿真显示，并联电阻投入后，故障线路投影系数接近1，非故障线路投影系数接近0，能准确识别故障线路L₃。该方法在不同故障距离和过渡电阻（最高3000 Ω）下均表现稳定，投影系数变化范围有限，不影响选线结果。

4.2 适应性分析

4.2.1 零序CT极性接反条件：极性接反仅改变相位差极性，投影系数绝对值不变，不影响判据准确性。

4.2.2 抗噪性能分析：在信噪比（SNR）低至30 dB的强噪声干扰下，故障线路投影系数仍保持在0.63以上，非故障线路低于0.01，具备足够的工程裕度。

4.2.3 不同失谐度下的接地故障：在过补偿模式下，失谐度变化对投影系数影响甚微，方法可靠。

4.2.4 母线单相接地情况：母线故障时所有线路投影系数均远低于阈值，不会发生误判。

4.2.5 与现有选线方法的比较：相较于基于零序导纳模量比的方法，本方法不依赖电压互感器（TV）精度，耐受过渡电阻能力提升至3000 Ω；相较于基于零序电流与电压相位差变化的方法，本方法不受CT极性接反的影响，避免了保护拒动或误动。

结论与讨论

研究人员提出的基于零序电流幅相特征差异的柔性接地系统故障选线方法，通过在并联电阻投入后利用故障线路与非故障线路在中性点零序电流方向上投影系数的显著差异（故障线≈1，非故障线≈0），实现了高阻故障的可靠识别。引入的中性点电流间接计算法有效解决了高阻故障时非故障线路电流微弱导致的CT测量不准问题。该方法对故障距离、母线故障、CT极性接反、强噪声及失谐度变化均表现出强适应性，耐受过渡电阻可达3000 Ω，具有重要的工程实用价值。未来的研究将聚焦于在不对称配电网动态负载条件下的适应性验证，并可结合阻尼率变化、导纳相角轨迹等辅助判据，进一步提升选线可靠性。