配电网接地选线中零序电流法的应用

针对中性点非有效接地配电系统的单相接地选线方法很多，有拉线法、变频信号注入法、零序电流法等，这些方法有各自的特点，分别在一定范围内或者一定领域得到应用。其中零序电流法在我国配网接地选线的应用最为广泛，目前的微机型小电流接地选线装置多数是采用该方法。它的基本原理是：认为系统正常时零序电流很小或者等于零，在系统单相接地时产生接地零序电流，根据接地线路和非接地线路接地零序电流幅值和方向的差异，来选择接地线路。但在我国的配电系统中，受网络结构复杂和运行方式的多变，配电线路一般不经过交叉换位，负荷时常是不对称的等各种因素的影响，导致配电系统在正常运行状态下存在零序电流；尤其是当系统不对称程度较大时，正常的零序电流增大，甚至大于由于接地所引起的零序电流，影响接地信息的提取，增加了利用零序电流来选择接地线路的难度。
但是零序电流的故障分量是由于系统接地而产生的零序电流，它既不受正常零序电流的影响。具有一定的独立性，又可以较为全面地反映故障特性，可以作为小电流接地选线的特征量，为小电流接地选线提供了新的思路和出发点。本文针对放射状配电网络，考虑到系统参数和负荷的不对称等因素，依据故障附加网络和零序电流故障分量的理论，分析了系统正常零序电流和接地零序电流、零序电流故障分量的关系，提出了利用零序电流故障分量进行接地选线的新方法。
1.零序电流故障分量的计算
由于配电网线路不经过交叉换位，负荷也可能是不对称的，这样的不对称系统在对称的电源作用下会产生不平衡的零序电流，我们称之为正常运行零序电流，简称正常零序电流。利用对称分量法对系统正常运行的三相电流进行变换可以得到系统正常零序电流。
假定系统正常运行的三相电流分别为i_A、i_B和i_C，正常运行的三序电流分别为i₁、i₂和i₀，据对称分量法有：

当系统发生单相接地时，三相电流表示为i_fABC，与式(1)类似的形式，得到系统接地三序电流i_f012

根据叠加原理，接地网络可以看作系统正常运行网络和接地附加网络二者的叠加，因此接地电流由正常运行网络的电流和接地附加网络电流叠加获得，前者就是系统结构参数和负荷不对称所产生的，后者是因为接地所产生的，就是通常所说的电流故障分量，所以接地电流也就是负荷电流和电流的故障分量的叠加，通过对称分量法分解后，三序电流的故障分量，简称故障分量i_ff012表示为：
i_ff012=i_f012－i₀₁₂ (3)
从式(3)可以看出，接地电流中包含了系统正常运行电流和电流的故障分量，那么在接地零序电流中也就包含了正常零序电流和零序电流故障分量两部分。因此，当正常零序电流很小或者可以忽略时，接地零序电流的主要成分是零序电流的故障分量，直接用接地零序电流进行接地选线时，其具有独立性，可以保证接地选线的准确性；但是当网络的不对称程序或者负荷的不对称程度较大时，系统内包含较大的正常零序电流，此时接地零序电流中就由正常运行零序电流和零序电流故障分量两个部分构成，在不对称比较严重的情况下，甚至造成接地零序电流的主要成分是正常零序电流，而不是零序电流的故障分量，这样就必然掩盖系统的接地特性，给准确地实现接地选线增加了难度，容易造成误选的现象。这就是利用接地零序电流的方法进行接地选线，不能保证较高的正确选线率的主要原因之一。
从式(3)还可以看出，零序电流的故障分量是用接地零序电流减去正常零序电流获得的，它就仅仅包含了因为接地所引起的零序电流变化信息，无论系统参数和负荷对称与否，都可以排除正常零序电流的影响，充分反映了系统的故障特性，从而保证选线的可靠性和准确性。
2.零序电流的选线方法
图1是一个典型的放射状配电网络结构示意图，电源采用无穷大电源模拟，在母线B₁上有L₁~L₄四回出线，母线B₂~B₅上接有三相负荷，它们可能是平衡的，也可能是不平衡的。传统利用零序电流选线方法一般是先根据零序电流的幅值找到零序电流较大的几条支路，然后通过比较所选定线路的零序电流方向，方向和其它线路相反的支路即为接地线路。根据(3)式的分析可以看出，无论是从幅值还是方向的角度来考虑，这个方法都要在一定程度上受到正常零序电流的影响，因为正常零序电流的幅值和方向都是不可确定的。

图1 简单配电网络结构图
另外，对于中性点不接地系统，当发生单相接地时，由于零序电流是通过线路对地电容形成通路的，因此接地线路和非接地线路零序电流具有方向相反的特性，也就可以利用方向来进行接地选线；但当线路的中性点通过电阻接地时，由于电阻改变了电流的相位关系，不能保证接地线路和非接地线路的零序电流极性相反，无法利用其方向进行接地选线。
根据式(3)知道，零序电流的故障分量是接地零序电流减去正常零序电流，根据基尔霍夫定律知道，在接地线路的零序电流故障分量是其他所有线路的故障分量的总和，是由于接地所引起的零序电流的汇总，其零序电流的幅值是比较大的；而在非接地线路上，零序电流的故障分量是接地线路故障分量在非接地线路上的分流，相对于接地线路其数值是比较小的。因此，在所有线路中，接地线路的零序电流故障分量是最大的，非接地线路的故障分量要小于接地线路。
基于以上分析，利用零序电流故障分量进行选线，具体方法是：对所有出线的零序电流故障分量的幅值进行比较，找出一个最大值，然后利用最大零序电流和其他零序电流幅值求比值，当所有比值都大于某个定值，则幅值最大的支路就是接地线路。
结合图1，当线路L₁发生单相接地，分别计算每条线路的零序电流分量I_ff0(i)，找到幅值最大的一个I_ff0(max)，计算与其它线路电流的比值：
S_i=I_ff0(max)/I_ff0(i) (4)
当所有线路的S_i都大于整定值S，即
S_i＞S (5)
则幅值最大的线路就是接地线路。
利用零序电流故障分量选线，避免了正常零序电流的影响，也就避免了线路参数和负荷的不对称对接地选线的影响，可以有效增加选线的可靠性和准确性；利用零序电流故障分量选线，主要采用的是故障分量的幅度，不必考虑相位的因素，所以中性点通过电阻接地的情况，也完全可以满足接地选线的要求，不会造成选线错误。
3.结论
配网参数的不对称，给配网的接地选线造成困难，这是一个长期困扰现场运行的技术难题。利用零序电流的故障分量进行接地选线，可以有效排除系统参数不对称和负荷不对称的影响，保证接地选线的准确性和可靠性。