２０１６年第３８卷 第１期第５１页 电气传动自动化 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＡＵＴｏＭＡＴＩｏＮ Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．１ ２０１６，３８（１）：５１￣５４ 文章编号：１ｏ０５—７２７７（２０１６）０１—００５１—０４ 基于零序分量的配电网单相接地故障检测系统 王卓然，李强，周飞航 （西安理工大学，陕西西安７１００４８） 摘要：基于对配电网络输电线路发生的单相接地故障时的零序电压、零序电流进行实时分析，提出基于零序 电流的故障定位方法适用于中性点不接地系统发生配电网单相接地故障。期间详细介绍了零序电压、零序电 流的产生原理和相关特性，并提出零序电流采集系统的基本结构、对零序电流的滤波以及放大处理，分析了 零序电流相位的提取和计算，总结了应用零序电流在故障定位中的应用前景。 关键词：配电网；单相接地故障；零序分量；故障检测与定位 中图分类号：ＴＭ８６２ 文献标识码：Ａ Ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ＷＡＮＧＺｈｕｏ－ｒａｎ，ＬＩＱｉａｎｇ，ＺＨＯＵＦｅｉ－ｈａｎｇ （ ＂ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ＂ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｔｏ ｅａｒｔｈ ｆａｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａ ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｅａｒｔｈ ｆａｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｎｅｕｔｒａｌ ｐｏｉｎｔ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ， ａｎｄ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ；ｚｅｒｏ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉ０¨ １引言 电力作为国家生产和人民生活必不可少的基 础性能源，在国民经济快速发展的过程中发挥着 不可替代的重大作用。随着国家经济的高速发展， 电力系统配电网的网络拓扑规模越来越大，铺架 的线路距离越来越远，电力系统配电网的稳定性 的定位方法有很多种，如工人登杆检测法、阻抗 法、信号注入法等，但效果都因为各种原因而不太 理想。本文从零序电流、零序电压的特性出发，提 出了基于零序电流相位的单相接地故障定位方 法。本文提出的定位方法主要是基于零序电流互 感线圈的使用和对零序电流相位的相关计算，下 面将逐一介绍。 与可靠性直接关乎国家生产的稳定与人民生活的 幸福，一旦配电网发生单相接地故障时，需要第一 时间定位故障点，并尽快排除故障 ］。 当下国内外很多专家学者致力于配电网单相 接地故障检测的研究当中，对于配电网故障选线 ２零序电流原理 电力系统中的供电线路是三相对称的，所以发 生接地故障时短路电流分量也是对称的，在配电 网输电系统发生不对称接地故障的时候，对称性 技术取得了一些成果，目前配电网单相接地故障 就发生了相应的改变，配电网中会出现三相不对 电气传动自动化 ２０１６年第１期 称的电压分量和电流分量。此刻需要对三相不对 假设接地的相为ｃ相，则ｕ ＝０。由于Ｐ点三相对 地阻抗不等，则系统中ｉ相电压及电流不对称。对 于ｃ相来说，Ｐ点接地处的零序电压作为激励源。 称的电路进行转换，使其变为三相对称电路来进 行分析，在线性电路里应用叠加原理对电流分量 进行叠加分析。 ２．１接地故障点各分量分析 图２（ａ）、２（ｂ）所示为零序等效图。图中ｕ胡为故障 接地点的零序网络激励，Ｉｐｏ为线路的零序电流，ｚＰｏ 为线路的零序阻抗。 在三相电中，对于任意不对称的三相向量可 分解为三组对称的分量：正序分量、负序分量、零 序分量。假设三相向量分别为 、 、 ，角标０、ｌ、２ 分别代表零序分量、负序分量以及正序分量，即： 『Ｆｏ＝ ＋ １＋ ｛Ｆｂ＝Ｆｂｏ＋ １＋ ２ （１） ｌＦｃ＝Ｆｃ０＋ １＋ ２ 电网正常运行时，三相中只存在正序分量。一 旦配电网发生单相接地故障时，系统中就会同时 存在正序分量、负序分量以及零序分量，其中零序 分量、负序分量会对电力设备造成严重的影响。当 配电网发生单相接地故障时，正序分量表现为三 相对称、大小相等，并且相位顺时针方向相差 １２０。，负序分量也呈现出三相对称且大小相等，只 不过相位逆时针方向相差１２０。，零序分量三相对 称、大小相等、相位相同，并且只有在发生单相接 地故障时才出现，如图１所示。 三相对称向量分解 正序分量 负序分量 零序分量 图１三相向量分解图 由于在配电网发生单相接地故障时，系统中 才存在零序电流，在仔细分析零序电流的相位特 性后，特此提出基于零序分量的单相接地故障定 位法，文中将重点对零序电流的一些特性，尤其是 对发生单相接地故障接地点前后变化的零序电流 特性做出分析。 ２．２接地故障点零序电流分量的等效电路 配电网三相电在Ｐ点发生单相接地故障时， （ａ）故障前零序分量 （ｂ）故Ｉ晤胃零序分量 图２故障前后零序分量等效图 一 ２．３故障点零序电流分量的计算 ｃ相的Ｐ点发生单相接地故障时，＋ 很显然有如 ‰～＋ 下关系：ｕＰｃ＝０，Ｉ ０，ＩＰｂ＝０。 根据图２所示的零序网络等效电路可得： ＵＰｃ＝－ＺｐｏＩｐ０ （２） 由图２可知，在配电网发生单相接地故障时， 接地点前后的零序电流的相位相差１ ８０。，即相位 的相反的。那么，当配电网监测到某个区域零序电 流的相位发生１８０。的变化时，即可判断故障点的 线路区间。 ３零序电流采集系统 零序电流的相位采集系统主要组成部分如图３ 所示，主要包括零序电流互感器、ＵＡＦ４２有源带通滤 波电路、ＡＤ８６２８放大电路以及零序电流计算电路。 零序电流互感器 图３零序电流相位采集系统 ３．１零序电流互感器 零序电流互感器的感应原理与普通的电流互 感器的感应原理是一样的，但是在其使用方式上 有别于普通的电流互感器。普通的电流互感器需 要３个感应线圈分别穿过三相线中的每一相，检测 ２０１６年第１期 王卓然，李强，周飞航基于零序分量的配电网单相接地故障检测系统 ·５３－ 到的只有其中一相的电流值，零序电流互感器需 ＲＱ＝ｌｋ时，得出Ｑ＝５１．５。故配置得到中心频率为５０Ｈｚ， 要三相线同时穿过一个线圈，检测到的则是零序 电流。 零序电流互感器的一次绕组是中性线，在三 相正常运行时，三相线路中的电流向量和为零，一 次绕组中无电流通过，互感器的铁心就不会产生 磁通，二次绕组中就不会有感应电流。配电网发生 单相接地故障时，三相线路中的电流向量和不为 零，有电流流过一次绕组，互感器的铁芯将会产生 磁通，二次绕组感应出电流，此电流就是零序电流。 常用的零序电流互感器按照其结构划分，可 以分为开合式和固定穿心式。开合式互感器应用 方便，在不改动电缆的情况下即可进行拆装和更 换，故本系统采用开合式零序电流互感器。 ３．２有源带通滤波器 零序电流互感器中感应到的零序电流存在杂波 信号，为了避免杂波信号对系统正常运行的干扰， 应当滤除杂波信号只保留５０Ｈｚ的基波电流信号。 本次采集系统选用了前后两级带通滤波器对采集来 的零序电流进行滤波处理，前一级滤波主要过滤掉杂 波，因此前一级滤波器为中心频率为５０Ｈｚ，带宽为 １０Ｈｚ的带通滤波器。由于在系统中存在放大器对微 弱的零序电流信号进行放大，因此有可能造成状态 饱和，导致输出的波形出现饱和失真，为此后一级 滤波器的作用就是得到规则的正弦信号 。 本系统采用的是ＵＡＦ４２有源带通滤波器。 配置中心频率为： Ｄ 一 ＝——— 一——＝２积１ 凡Ｒ尼Ｃ１ ５０Ｈｚ （３） 令Ｒｌ＝Ｒ２、Ｒｎ＝尺 ＲＦ、ｃｌ＝ｃ Ｏ．１ｕＦ，计算上式， 得出 ＝３．２ｋ。 配置ｐ值： １＋ Ｑ 苦Ｒ ‘ Ｒ２ＲＩ挖￣ Ｃ１㈩ 令Ｒｌ＝ ２、Ｒｎ＝Ｒ ＝尺Ｆ、Ｃ１＝ｃ２＝０．１ｕＦ，Ｒ＝５０ｋ，由 于滤波器不存在信号放大功能，故取Ｒｃ＝Ｒ４－５０ｋ，当 带宽为１０Ｈｚ。 ３．３放大器 本文采用ＡＤ８６２８放大器为前一级滤波器输 出的零序电流信号进行放大，如图４所示，其中放 大的倍数设置为１００倍，ｎ＝Ｒ。／Ｒ 。 Ｒ 图４放大器ＡＤ８６２８ 零序电流在经过滤波放大后进行相位提取。 本文采用１０位ＡＤ转换器对零序电流采样２Ｏ个 点，设为Ｄ ，采样频率设为ｌｋＨｚ。 把采样得到的２０个点进行比较，当Ｄ 和Ｄ ＋１ 两点符号不同时，停止比较，并记录此时ｎ的值。 ２０： ３６０ （５）膦 △ ｘａＴ＝（ｆ）ｘａ （６） ｌ。 零序 ０ 甲 ０ ＼ ＼／＼０一一 ；图５相位采集图 当Ａｔ＝１ｍｓ，由式（ ）、式（６）推得： ＝ＡＴ￣３６０／２０ｍｓ＝（ｎ＋ｌ／２）１８ 当Ｄ ≤０，Ｄｎ＋ ＞０时，如图５所示，可得： ＡＴ－ ｘＡｔ＝ｎ－（凡＋ ））（△ （７） 二 二 当Ａｔ＝１ｍｓ，ＡＴ代入式（７）中得： ＝ＡＴ￣３６０／２０ｍｓ＝一（ｎ＋ｌ／２）１８ （８） 如果找到相邻的监测点的相位值相反。那么 可以判断单相接地故障就发生在这个区间内。 ４配电网仿真模型实验 利用Ｍａｔｌａｂ仿真软件对该系统搭建仿真模型，然 后通过仿真出的零序电流波形证明该方法的正确性。
