摘　要：本文根據小電流接地電網單相接地故障時電壓電流的變化特點，利用中性點電壓、故障相電壓和零序電流構造的能量曲線的斜率來進行故障選線。該方法不受電網平衡情況和接地電阻大小的影響，對復雜的間歇性電弧接地故障同樣有效。MATLAB仿真證明了本文的結論是正確的。 　　關鍵詞：小電流接地電網，間歇性電弧接地故障，零序能量，能量變化。 1. 引言 　　我國中低壓電網中，中性點一般采取不接地、經高電阻接地、或經消弧線圈接地的接地方式。這類電網在發生單相接地故障時，短路電流只能通過對地電容或阻抗形成小電流回路，所以又被稱為小電流接地電網[4]。小電流接地電網發生單相接地故障后的選線困難，特別是中性點經消弧線圈接地的電網。目前小電流接地系統故障選線方法按所用電氣量可以分為：利用注入信號和故障信號。其中利用故障信號的方法又可分為利用故障信號的穩態量和暫態量兩種[4]。注入法需要附加信號源且注入信號給電網帶來一定的影響；利用故障信號穩態量的方法存在檢測信號偏小的問題，且不能判斷瞬間接地和間歇性接地故障；故障信號暫態量較大，完整地反映了故障發生的過程和特點，不僅能判斷穩定接地，而且能夠判斷瞬間接地和間歇性接地故障。本文研究了小電流接地電網單相接地故障發生后的電壓和電流的特點，提出了利用能量變化方向的原理選擇接地線路的方法。 2. 電網數學模型的建立 2.1 電網數學模型 　　為了研究電網單相接地故障，僅僅利用實際測量的故障波形和數值是不夠的。不但實際測量波形和數據較少，而且由于測量不準確或者其它的干擾影響了對電網單相接地時電壓電流等物理量特征的歸納研究。所以要建立一個既便于分析又能夠反映實際電網特征的模型。 在中低壓電網中，線路的長度較短，與電壓電流波的波長相比相差幾個數量級的情況下，電路網絡可以用集中參數模型。單相接地故障中，要研究暫態接地和穩定接地的過渡過程中各個物理量的變化規律，就不能忽略線路的電感，相間電容，線路電阻和線路對地導納，對地電容可以是不平衡的。本文中所建立的電網模型如圖1。模型中忽略了線路并聯電導和線路互感。忽略線路并聯電導是因為在三相線路中用并聯電導來表示線路電壓引起的有功功率損耗，而電壓為110kV以下的架空線路，與電壓有關的有功功率損耗主要是由絕緣子表面泄露電流所引起的，一般可以忽略不計。忽略線路線間互感是因為相對于相間電容來講，線路相間互感很小，可以忽略不計。模型的建立也是希望用軟件模擬實際電網正常運行或者故障狀態的情況，忽略了影響小的過分細節的因素，抓住問題的主要部分。 　　以暫態量作為研究對象，所以此時定義的零序電流不再是傳統意義上的三序電流中的零序分量，而是三相電流瞬時值之和的1/3。同樣零序電壓也為三相電壓之和的1/3，即： 根據圖1電網數學模型列寫出電壓、電流狀態方程，接地采用開關串聯電阻的模型進行數值計算。 2.2 模型驗證 　　為檢驗所建模型是否正確，作者查閱大量資料。由于間歇性電弧接地是單相接地中過程最為復雜的，若在模型上做的間歇性電弧接地仿真符合實際測得各個物理量的波形特征，那么可驗證所建立的模型是正確的。 　　文獻[6]根據對20kV電網測量的將近500次的單相接地故障的實際數據發現，小電流接地電網中單相間歇性電弧接地的接地電阻主要在200到400歐姆和2000到4000歐姆這兩個區間。所以我們就接地故障電阻在上述兩個區間的間歇性電弧接地故障運用MATLAB仿真軟件做了大量的仿真計算。圖2為文獻[6] 中芬蘭工程師在20kV電網采樣率為3500HZ時錄入的故障線路零序電流和中性點電壓波形。圖3為作者在仿真20kV電網采樣率為3500HZ時發生間歇性電弧接地故障（電弧重燃五次）計算得到故障線路零序電流和中性點電壓波形。從仿真波形圖3和實測波形圖2看，兩者特征十分相近，說明所建立的仿真模型能夠反映實際電網情況。在此電網模型上做的仿真研究得到的規律和結果是正確的。 3. 對接地現象的分析研究 　　電網線路與大地之間存在對地電容，三相存在相間電容。一般情況下，各相對地電容。所以電網正常運行時中性點呈現一定數值的對地電位差，即“不對稱電壓”，此時的電網為不對稱電網或不平衡電網[1]。如果線路經過良好的換位，使得三相對地電容與相間電容分別相等，中性點電壓在電網正常運行時應該為零，此時的電網為對稱電網或平衡電網[2]。不管平衡電網還是不平衡電網，發生單相接地故障后，都表現為中性點電壓和相電壓以及各條線路零序電流發生變化。而且能夠直接測量的物理量也只有這些，如何利用這些量來進行故障選線值得深入研究。 　　電網發生單相接地故障后，故障相電壓降低，非故障相電壓和中性點電壓升高，零序電流增大。故障相電壓，中性點電壓和各線路的零序電流這三個物理量完全可以反映故障情況。對于小電流接地電網，各條線路的零序電流值都比較小，以往單單以零序電流的特點作為選線判據勢必分辨率低。而以零序電流乘以中性點電壓所得的零序功率以及零序功率積分得到的零序能量[3][5]沒有反映到故障相電壓的變化情況。當金屬性接地故障時故障相電壓降到零，中性點電壓上升到相電壓，此時零序能量有較高的分辨率；但當接地電阻很大時，故障相電壓下降不多，中性點電壓幅值較小，線路零序電流也很小，此時零序能量法不能很好地判別故障線路。所以擬定以中性點電壓與故障相電壓的差作為電壓量，再與零序電流做積分求得的能量來研究接地故障。即： 式中采用（u0-ua）代替零序能量中的，保證在高阻接地故障時能量的數值較大，可以提高了分辨率。根據電網模型列寫電壓和電流狀態方程，接地采用開關串聯電阻的模型進行數值計算，求得中性點電壓，各相電壓和各條線路的零序電流。電網模型參數的不同，計算出不同情況下的各條線路的能量，并繪制能量曲線來研究該能量的特點。 　　圖4 為平衡電網在不同接地電阻和不同的故障發生時刻下各條線路的能量，其中（a）為故障發生在故障相電壓較大時刻且接地電阻較大的情況，（b）為故障發生在故障相電壓接近過零點時刻且接地電阻較小的情況。從圖4中可以看出當發生小電阻接地故障時故障線路的能量瞬間變化很快，接地電阻大時變化相對較慢。而對于所有線路，不同的接地電阻和不同的接地時刻影響能量幅值，能量曲線的形狀基本不變：未發生故障時能量為零，發生故障后，故障線路能量為負而非故障線路能量為正；且從能量大小上，故障線路能量大而非故障線路能量小。這與文獻[3]中的方法具有相同的規律。 　　圖5為不平衡電網在不同接地電阻和不同的故障時刻下各條線路的能量。（a）中B相對地電容最小，A相和C相對地電容相同，故障發生時故障相電壓大，接地電阻小；（b）中A相對地電容最小，B相和C相對地電容相同，故障發生時故障相電壓小，接地電阻大。從圖中可以看出，不平衡電網在正常運行時中性點有一定的對地電位，零序電流不為零，所以未發生故障時各條線路的能量不為零。雖然三相對地電容不相同的情況不同，使得正常情況下的能量方向不同，但只要是沒有故障發生，各條線路的能量符號是相同的（都是正的或者都是負的）。發生故障后線路能量的正負不能確定：（a）中線路3和線路1能量由負變正，線路2 保持負值；（b）中線路3 和線路1 能量保持正值，而線路2 由正變負。所以此時不能以能量的方向來判斷故障線路。同時線路2 的能量大小也不再是最大的，所以能量的大小也不能作為選線依據。 　　經過大量的計算，發現不管是平衡電網還是不平衡電網，不管故障發生在何時，故障后故障線路的能量曲線的斜率為負數而非故障線路能量曲線的斜率為正數。所以得出結論：以能量曲線的斜率來判斷故障線路。如果各條線路的能量曲線斜率符號相同則未有故障發生，或者發生母線接地故障，此時需要中性點電壓幅值的進一步判斷（如果中性點電壓超過相電壓的15%則發生故障）；如果有線路能量曲線斜率與其他線路的能量曲線斜率不同，那么該線路即為故障線路。 4 能量變化方向選線原理 4.1 能量變化的定義 　　將能量曲線斜率定義為能量變化。根據上面的分析總結，能量變化方向選線原理闡述為故障線路的能量變化與非故障線路的能量變化方向是不相同的，以此判斷出故障線路。 　　線路j的能量變化算式為： 即： 4.2仿真驗證 　　用MATLAB軟件仿真了各種電網條件下的情況證明上述選線原理均正確。以下是電網不平衡度較大時，比較極端條件下的仿真結果。 　　仿真條件：線路1的對地電容為1，線路2的對地電容為4，線路3的對地電容為15，A相對地電容最小，B相和C相對地電容相等。電網的電壓等級為6kV，正常運行時中性點電壓為相電壓的13%，阻尼率為5%，脫諧度為0。在t=0.155s時線路2 發生第一次燃弧接地，熄弧后又重燃5次，弧道電阻為5歐姆。 　　圖6為不平衡電網發生間歇性電弧接地故障時各條線路的能量曲線。從圖上可以看出，未發生故障時3條線路的能量曲線斜率符號相同，而發生故障后非故障線路的能量曲線斜率是正的，故障線路的能量曲線斜率是負的，即故障發生后線路能量變化方向是可以判斷出故障線路的。圖7為不平衡電網發生間歇性電弧接地故障時各條線路的工頻周期內能量變化曲線。從該圖中更容易看出故障線路與非故障線路能量變化方向相反的特點，因為不斷的燃弧和熄弧，所以曲線呈現鋸齒狀。特別值得注意的是，在圖6 中每次燃弧時能量曲線都有一個突變：非故障線路能量曲線突然快速上升，故障線路能量曲線突然快速下降。這樣甚至可以判斷燃弧次數和時刻。可見，能量變化方向是可以在比較復雜的故障情況下有效地判斷出故障線路的。傳統的能量原理認為發生故障線路能量小于零，而圖5顯示故障線路與非故障線路能量的符號是不定的。其他大量的仿真分析也證明了證明傳統的能量原理在電網不平衡度較大時存在死區。能量變化方向選線原理無死區，且比能量原理的分辨率高（圖6中能量變化方向十分明顯）。 4.3可行性分析 　　在實際應用中，由于受到硬件條件和制造成本的限制，為了降低采樣率，中性點電壓、故障相電壓和各條線路的零序電流量須經過低通濾波器濾波調理后再采樣，用濾波后的電氣量計算是否還滿足上述原理呢？圖7是對仿真得到的電氣量經過2階截止頻率為100Hz采樣率為1000Hz低通濾波器后的能量曲線圖，從圖上可以看出濾波后能量變化方向原理仍然可以準確判斷故障線路。這意味著采用低成本的單片機系統有可能實現上述選線原理。 5.結論 　　利用中性點電壓，故障相電壓和零序電流求得的能量在故障前后變化的特點可以準確區別故障線路。該方法在電網不平衡度較大情況和暫態接地故障情況都有效。在實際應用中對硬件條件要求不高，選線分辨效果明顯。