原文题目： New Principle for Grounding Fault Feeder Detection
In MV Distributions with Neutral Ineffectively Earthed
译文题目： 中性点非有效接地配电网故障选线新原理 专业： 电气工程及其自动化 班级： 电气N082 姓名： 黄玲玲 译文题目 中性点非有效接地配电网故障选线新原理
曾祥君 尹项根 陈德树 张 哲 (华中理工大学电力系, 武汉430074)
摘要：提出采用负序电流及故障点损耗能量进行故障选线的新原理,该原理不受中性点接地方式的影响,适用于中性点不接地配电网、经消弧线圈接地配电网,甚至全补偿运行的配电网,该原理适合就地安装,便于在馈线就地控制终端单元(FTU) 上实现. 原理已经仿真分析及模拟实验论证.
关键词：继电保护, 故障选线, 配电网
大多数的分布式网络是孤立的系统或共振中性接地系统。这些中性点非有效接地的分布，有利于实现可观的经济效益，提高安全性和供电质量。但是，在这些分布网络里很难探测到接地故障馈线。
在孤立的系统中, 接地故障馈线零序电流的大小是其它声音馈线的和，而接地故障馈线零序电流的方向和声音馈线的方向相反。在孤立系统，可以通过比较基本零序电流的幅值和相位来探测接地故障馈线。然而,在谐振接地系统中，接地故障电流很小。基本零序电流的方向受彼得森线圈补偿电流的干扰。所以，通过比较基本零序电流的幅值和相位来检测故障馈线是不可能的。
另一方面，彼得森线圈有高阻抗到中高次谐波，所以它的高阶谐波电流的影响很小。在谐振接地系统中，接地故障馈线可以通过比较所有馈线的零序电流的谐波振幅或相位测得。在高阶谐波电流中，第五序谐波电流是检测接地故障馈线最好的一个方法。许多结论已经印证了这点。但是第五序谐波电流很小，在不同的系统中有不同的变化，所以在实践中，它的灵敏性很差。
在欧洲，通过增加一个电阻并联补偿的设备来提高故障电流。因此，当一个单相直接接地故障或低电阻接地故障时，用零序电压乘以剩余电流作为输入的保护系统具有很好的效果。然而，当高阻接地故障发生时这种情形已不复存在。为了检测高阻馈线接地故障，提出了一种新的方法，就是通过比较零序电流正向成
分。但在许多配电系统中，正向电流很小。该继电器也很难应用到实践中去。
这篇文章，提出了一个新的基于负序电流变化和故障点消能的接地故障检测原理。这个原则不受系统中性点接地方法的影响。而且也可用于检测弧接地故障和高阻接地故障。
1、负序电流故障检测的原理和方法
在这部分，提出了一种基于负序电流的接地故障检测方法。一个有n个馈线的谐振接地系统，第k个馈线接地故障（见图1）。这个系统是对称的。通过故障点可以推导出正序、负序电流和零序电流。
图1、MV网络的故障接地
其中，Z0是网络的零序阻抗；Z1是正序阻抗；Z2是负序阻抗。
其中，Z2i是馈线i的负序阻抗（包括线路的负序阻抗）；Z2s是系统的负序阻抗（电源）；
接地故障的负序电压
声音馈线i的负序电流
故障馈线k的负序电流
大多数分布网络是径向系统，其馈线不与其他电源相连接。所以任何一个馈线的线路负序阻抗很高，比电源的负序阻抗还高。因此：
Z2≈Z2S，Z2<< Z2i
从式（1）（4）（5）和（6），我们可以得出
接地故障馈线的负序电流等于故障电流的三分之一，远远大于声音馈线的负序电流。所以接地故障馈线可以通过馈线负序电流幅值比较来选择。
电源的负序电流和线路的负序电流呈现感性特征，其电流滞后于电压。感性元件的的负序电流是电阻性元件的负序电流的好几倍。图1中的负序电流的向量图如图2所示。
图2、负序电流向量图
故障点的负序电流向量的方向和故障相的电压向量方向相同。故障馈线的负序电流向量的方向和故障相电压向量方向也相同。声音馈线的负序电流和故障相电压之间的相位差为90°。所以接地故障馈线也可以通过和负序电流向量方向比较来进行选择。
如果考虑线路的不平衡因素，健全的网络中存在一些负序电流，为了消除线路不平衡影响，负序电流的变化量Δi2被用来检测馈线接地故障。有四种方法来计算采样时间n内负序电流变化量ΔI2（n），假设基础频率周期内的采样时间是T：
（a）Δi2(n)=i2(n)-i2(n-T) （b）Δi2(n)=i2(n)+i2(n-2/T)
（c）Δi2(n)=i2(n)-2i2(n-T)+i2(n-2T)
（d）Δi2(n)= i2(n)+2i2(n-T/2)-i2(n-T)-i2(n-3T/2)
为了减少线路波动的影响，我们经常选用（d）。
因此，当一个零序电压超过一个阀值时就会发生接地故障。有两个方法可以探测故障馈线。其中一个方法是每一路馈线的负序电流变化量与阀值进行比较。如果一些馈线的负序电流变化量比较大，那么这个馈线就是故障馈线。另外一个方法是将每一路馈线的负序电流变化量与故障相电压进行比较。如果它们方向相同，这个馈线就是故障馈线。如果没有一个故障馈线被探测到，就可能是母线接地故障。
在配电自动化系统中，接地故障点要求是自动的孤立。领域终端设备是最好的安装故障检测器的地方（FTU）。分布系统中的所有故障检测器在时间设置上要求互相匹配。
2、故障点能源耗散的故障检测原理 在图2中，故障点能量耗散
能源设置功能
其中，m是图1MV网络中的任意一个馈线。由（8）式可知，故障馈线的能量函数约等于故障点能量耗散。如上所述，故障馈线的负序电流向量的方向和故障相电压向量的方向相同。所以故障馈线的能量函数是递增的，随着时间的推移而上升。但是声音馈线的负序电流和故障相电压之间的相位差超过90°。如式（7）所示，声音馈线的负序电流远远小于故障馈线，几乎为零。所以声音馈线的能量函数接近于零，随着时间的推移而下降。因此，任意馈线能量函数值与阀值（递减函数）相比较，如果馈线能量函数值大于阀值，那么这个馈线就是故障馈线。
在高阻抗接地故障中，负序电流的变化量很小。所以很难用负序电流变化量去探测故障馈线。但是故障相的电压很高，故障点耗能量随着时间推移，其变化量还是很明显。所以在高阻抗故障（甚至是10KΩ）中，基于能量函数的故障点探测具有良好的性能。
为了消除负荷不平衡影响，负序电流变化量被用来检测接地故障馈线。如果是基于计算机的故障检测继电器，式（9）可以定义为
其中，u是故障相采样值；3△i2m是馈线m的负序电流。
因此，当零序电压查过阀值时，就开始故障检测。通过（9）计算出馈线能量函数与其阀值进行比较。如果没有检测到故障馈线，可能是母线接地故障。
一些接地故障可能是通过电弧接地。当电弧断电后就没有负序电流。电弧对基于负序电流的故障检测没有很大的影响。从另一方面而言，在电弧接地故障中，接地点，故障相，声音相中的能量强烈振动。在一刹那，故障点能量大量耗散。所以在电弧接地故障中吗，基于故障点能量耗散的故障检测原理有良好的性能。 3、模拟故障检测
以一个典型的35KV的径向配电系统（见图3）为例，其参数如表1所示。系统的负序阻抗：Zs=3.1225+j9.5Ω，电容无功功率补偿为1.65μF。通过EMTP
的仿真结果如表2所示。
图3、一个MV网络和接地故障仿真
表1 模拟参数
表2 模拟结果
在表2中，△3I21表示L1（架空馈线）负序电流变化量的三倍，△3I23表示L3（电缆馈线）负序电流变化量的三倍，△3I24表示L4（架空馈线与故障接地）负序电流变化量的三倍。串联电阻是指彼得森线圈中性接地点与电阻线圈串联。
由表2可知，在独立系统中，故障馈线的负序电流变化量是声音馈线的100倍，中性接地系统共振或彼得森线圈串联中性接地系统的电阻。所以声音馈线的负序电流变化量和故障馈线的负序电流变化量不受中性接地系统的影响。也就是说，在各种各样的中性接地中，基于负序电流变化量的保护可以检测接地故障馈线，并且精确度很高。
在图4中，第一幅图是电弧接地故障，第三、第四幅图是高阻抗接地故障（Rf=20KΩ）。故障馈线（图4）的能量函数值随着时间的推移而增大，但是声音馈线（图1）几乎为零。因此，能量函数可以检测高阻抗故障和电弧接地故障。
在实验室进行接地故障检测实验，结果和EMTP的结论相似。
图4 馈线1和馈线4的能量函数波形图
4、结论
本文提出了一个新的基于负序电流变化量和故障点能量耗散的检测接地故障馈线原理。这个原理有很多优点，例如：
1）负序电流变化量不受中性接地系统的影响。不管是在独立系统，共振系统，甚至是充分补偿系统，这个都有很高的精确度。
2）用能量函数去计算故障点能量耗散这个方法可以被用来检测高阻抗接地故障和电弧接地故障。
3）故障检测器可以安装在本地馈线控制单元，例如FTU。这很容易满足配电自动化的要求。
EMTP模拟器验证了基于负序电流变化量的故障检测原理。故障检测装置的研究有了很大的发展和进步。
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