摘要：分析了配电系统接地故障零序电流与零序电压的信号特征，依据信号特征提出了区分接地故障发生于电源侧与负荷侧的方向性接地故障保护方案及其保护相位夹角的选取范围，设计了方向性接地故障保护开关及检测控制系统，试验验证了该方案能对故障发生于电源侧与负荷侧具备方向性保护功能，可缩小非故障区域的停电范围，提高供电可靠性。
关键词：方向性检测；接地故障；零序电压；小电流接地系统
0 引言
我国绝大多数配电网均属于小电流接地系统，单相接地故障时信号微弱，容易受到各种条件的干扰，故障信号特征还受故障条件和运行方式的影响，其检测保护一直都是一大难点[1-2]。仅以零序电流大小作为故障判据的接地故障检测方法称为非方向性接地保护，目前国内大多采用的是基于零序电流检测的非方向性接地故障检测方案，其缺点是用户内部线路长度长时，不能检测出微接地故障并易发生误判定[3]。根据界内接地零序电流和界外零序电流相对零序电压方向相反的原理，以零序电流大小、零序电压大小判断接地故障是否发生，以两者相位夹角判断接地故障发生在界内还是界外，这种方法称为方向性接地保护，方向性接地保护可缩小非故障区域的停电范围，提高供电可靠性[4]。
1方向性接地故障保护方案
1.1小电流系统接地故障特征分析
如图1，当配电系统发生A相K点接地故障时的，A相的对地电压为[5]：
由以上分析可知，配网系统中发生单相接地故障时，在各线路中都会流通不平衡的零序接地电流，对于中性点不接地和经消弧线圈或小电阻接地的非有效接地系统，零序电流具有以下特点：
（1）全系统的零序电流都流向故障点。故障线路的零序电流是从母线流向线路，而非故障线路的零序电流是从线路流向母线的，两者方向相反。
中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈的作用，接地故障点流通的电流与非接地方式相比，又增加了流经消弧线圈的电流IL，故障点流通的电流为Ig’，由于消弧线圈的感性电流相位滞后电压，因此合成后的Ig’的相位将比原来非接地中的Ig会稍有滞后，概括起来如下图3中的三种方式。
鉴于以上分析并结合实际运行经验，U0和I0保护相位夹角选取在120°～-35°（I0超前U0的角度）之间（如图4），可同时适用于中性点非接地和中性点经消弧线圈接地的配电系统中。
2方向性接地故障保护系统设计
2.1保护开关设计
方向性接地保护功能的实现需要硬软件两大方面的支持。硬件实现部分主要是保护开关的设计，方向性接地保护开关其核心是高精度的零序电流和零序电压互感器的设计，为方向性接地故障逻辑判断提供精确的检测信号。
（1）ZCT的设计：采用赛道形结构，零序电流检出精度高，输出特性稳定，线性误差在±5%以内。一次残留特性小，一次电流600A时二次输出不大于6mV，即在一次平衡负荷电流下零序输出极小。
（2）ZPD零序电压互感器的设计：采用电容分压原理检测零序电压，一次电容使用高压陶瓷电容，可耐110kV的雷电冲击电压，对于完全金属接地到间歇性高阻接地（一次零序电压5800V～290V），二次线性输出1.5V~75mV，精度±10%，内置于开关SF6气体中，保证长期可靠运行。
2.2 检测控制系统设计
通过检测控制器系统对零序电流与零序电压信号的检测与程序逻辑算法，即可准确判断接地故障发生在电源侧还是负荷侧。检测控制系统如图7所示，检测系统采集ZCT和ZPD的I0和U0信号，首先通过隔离滤波电路，去除干扰和高频成分，检出其中稳态信号，然后与整定值进行比较，超过整定值即启动接地保护功能，经过增幅放大波形整理后，送入相位比较器，检测I0超前U0相位角在保护范围内（120°～-35°）后，经过延时后输出驱动出口继电器作用开关跳闸，同时给出指示报警和故障记录。
3 接地故障保护的“方向性”试验测试
试验概况：试验线路为一县供电公司35kV变电站，35kV进线一条，10kV出线两条，在两条馈线出口分别安装一台本方案设计的方向性接地保护功能的智能开关。
试验步骤：如图8所示，10kV母线带电，两出线开关（1#和2#）均处于分闸，在故障设置点设置B相高阻接地，将两台出线断路器的动作值按表1数值进行设置，首先合上1#断路器，然后合上2#断路器，观察断路器的动作情况。
试验结果：
当2#断路器的负荷侧发生单相接地故障时（金属性接地和非金属性接地），合上2#号断路器后，1#与2#断路器都显示有零序电流和零序电压，其中1#上观察到最高达0.35A的零序电流值，因故障点不在其负荷侧，所以虽然其动作值设定得比2#断路器低，1#断路器没有保护动作，2#断路器的零序保护经延时后正确动作跳闸，验证了该断路器的零序保护对配电系统接地故障的保护具有“方向性”。
表1 方向性接地故障保护测试结果
4 结论
通过对配电系统接地故障信号特征的分析，依据配电系统接地故障零序电流互感器与零序电压互感器相位差的关系，设计了方向性接地故障保护系统，未发生故障的线路中所产生的零序电流的相位超前其所产生的零序电压的相位为 ，而发生故障的线路中所产生的零序电流的相位却滞后其所产生的零序电压的相位为 ，保护相位夹角范围选取在120°～-35°，试验测试验证了该方案设计的断路器零序保护对配电系统接地故障具有“方向性”。
参考文献：
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[4] 王智，汪芳宗.配电系统接地故障检测的一种新算法[J].电力系统保护与控制，2011，39（20）：48-51.
[5] 黄滇生.配网接地保护问题探讨[J]. 云南电力技术，2011，39（5）：34-36.
论文作者:何周
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/24
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