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user: 3. 电流采样值接地保护方法原理 配电线路的电流差动保护已经从模拟式保护发展到利用微处理器和数字通信的全数字式保护，而电流瞬时采样值的电流差动保护近年来已经成为数字式电流差动保护的理想方案。 3.1. 采样值电流差动保护与常规电流差动保护的关系 常规的电流差动保护中差动量和制动量的求取一般是反应电流的有效值或平均值等，通过滤波等办法消除非周期分量和谐波分量的影响。在计算机继电保护的有效值计算方法中，故障时引起的非周期分量和谐波分量尽管衰减很快，但可能在较长时间内影响计算的准确性，即采用时间窗为一个周期的算法，若开始几个采样值中含较高的非基波分量，则将影响与这些采样值相关的各个周期的计算结果。如果要保证保护动作的可靠性，势必影响保护的动作速度。若电流差动保护的动作判据按每一个采样值分别判断，则可以在原理上完全消除这种影响，有效地提高电流差动保护的动作速度与可靠性 [ 5 ] 。 常规相量差动通过计算动作量和制动量的有效值或平均值构成差动保护判据，因而在稳态过程中，保护制动特性不会因为采样数据窗的移动而发生改变。但这种基于相量的差动保护也存在着如下不足： 1) 在遇到很大的干扰脉冲而出现个别坏数据时，其有效值或平均值会很大，易造成保护的误动； 2) CT饱和也是造成常规相量差动保护不正确的动作原因之一，当引入差动回路的CT出现严重饱和时，将产生较大的差流有效值，在一定条件下就可能引起差动保护误动； 3) 基于相量的差动保护，其计算相量需要一定的数据窗，导致在一个周波后才能发出跳闸指令，这对于严重内部故障，动作时间略显不够快。 采样值差动保护对每一个时刻的采样值进行差动判别，在连续R次判别中如有S次满足判据，则输出动作信号。在遇到一个甚至几个坏数据时，只要坏数据的个数小于S，保护均不会误判。从CT特性看，即使CT饱和比较严重，在过零点附近也会有一段线性传变区，只要合理地选择S、R值，就可保证外部故障时满足动作判据的点数不足S点。因此，采样值差动保护动作的可靠性将高于有效值差动保护。此外，采样值差动保护最快动作时间为故障后的S个采样点发跳闸指令，S的取值小于一个周波采样点数，所以其动作速度一般快于常规相量差动保护。 目前采样值差动保护正逐步引起广泛重视，并开始将其应用于短配电线和变压器保护的实际工程，为此有必要对其动作特性作系统的研究。本文对影响采样值差动保护动作特性的几个关键问题进行深入的理论研究。 3.2. 瞬时采样值电流差动保护制动方程 瞬时采样值电流差动保护的制动方程和相量电流差动保护的制动方程类似，例如两端线路的制动方程 [ 6 ] 可以如下： i d > I 0 (3) i d > K × i T (4) 其中： i 1 ， i 2 为线路两端的电流采样瞬时值。 i d = | i 1 + i 2 | 为动作电流， i T = | i 1 − i 2 | 为制动电流。 K为制动系数， i 0 为整定值(是一常数)。 瞬时采样值是随时间的变化而呈现周期性变化的，因此差动电流、不平衡电流、制动电流也都是随时间的变化而周期性变化的，瞬时采样值电流差动保护的制动方程对不同的采样点制动效果是不一样的，有一些采用点的制动效果比较好，而有一些采样点的制动效果比较差。 采样值差动保护对每一个时刻的采样值进行差动判别，在采用连续的R个采样点中，若有S个采样点满足就动作的判据(R一般比S大2)，则输出动作信号。在遇到一个甚至几个坏数据时，只要坏数据的个数小于S，保护均不会误判。此外，采样值差动保护最快动作时间为故障后的S个采样点发跳闸指令，S的取值小于一个周波采样点数，故其动作速度一般快于常规相量差动保护。 3.3. R和S的选取 为保证动作判据的正确性，通常采用重复多次判别方法，即连续R次采样判别中有S次及以上符合动作判据，则输出动作信号。基于这种考虑，有必要分析R，S值的选取。 从确保采样值差动保护的制动性能不低于常规相量差动保护的角度分析得出，判别数据窗对应的角度θ必须满足θ ≥ 90˚，即采样值差动S的选取必须满足： S = 90 360 × N + 1 = 0.25 N + 1 (5) 式中：N——每周波采样点数。 对应于采样率12点/周期，需满足S ≥ 4。S值根据式(5)来取，而R取值要比S值大，其选取需重点考虑以下两个因素： 内部故障时，采样值差动数据窗可能遇上过零点，导致采样值差动判据不满足。考虑极端情况，当过零点位于两采样值中点时，有可能使连续两采样点不满足差动判据，故一般需取R ≥ S + 2，但R值也不能取过大，不能大于N/2，取值过大会影响保护的动作速度。 为保证采样值差动判据的可靠性，即内部故障时正确动作，外部故障时不误动，R-S值不宜过大，同时当S确定后，R值过大也减小了动作速度。 以上仅从保证可靠性的角度来考虑R值的选取。实际应用中，可根据不同的用途调整R、S的取值。需要强调的是，尽管R、S的选取对不同使用目的有不同方法，但在具体应用中发现，R-S值取为2在可靠性和灵敏度的综合评估中要优于其它取法(对12点/周期而言)。采样值差动保护中R的选取应满足R-S ≥ 2。 3.4. 采样值电流差动保护的动作模糊区 由于电流数据的采样值是离散化的，即使电流处于稳态，在不同时刻电流的采样值也是不同的，而且采样初始时刻不同，即采样点位置的不同，也会产生不同的采样序列，不同采样序列的采样值大小也是不同的，从而使得刚好有S个点满足动作判据的动作电流幅值也可能会不同，即刚好满足动作判据的动作电流幅值不确定，这就是采样值电流差动保护动作值模糊区产生的原因。 与常规相量差动保护不同，采样值差动的动作需靠重复性判别来实现，又由于采样值的离散性，使得采样值差动在动作电流大小的确定上存在一个模糊区。具体来说就是存在一个区间 [ α ， β ] ，当工频电流有效值满足 I > β 时，采样值差动能可靠动作，当 I < α 时，采样值差动能保证不误动，但当 α ≤ I ≤ β 时，采样值差动却处于临界状态，可能动作也可能不动作，具体要根据工频电流的相位而定 [ 7 ] 。 3.5. 采样值电流差动保护的动作速度 使用采样值电流差动保护的重要原因之一是试图提高电流差动保护的动作速度。从上面的分析知道，保护在一个与半个周期左右动作出口，对采样值电流差动保护来说，性能没有多少区别，而由于动作边界存在不确定部分，过分提高采样值电流差动保护的动作速度则是不现实的。同时，在分析中采样值电流差动保护与传统电流差动保护制动效果相当的假设条件是，必须在半个周期中有 > 90˚的角度范围满足动作判别方程 [ 8 ] 。因此，尽管通过提高电流差动保护的采样速度，可大大减少采样值电流差动保护动作边界的变化范围，但是，采样值电流差动保护出口动作速度无论如何必须 > 5 ms(对于频率为50 Hz的电网来说即对应于90˚)，才能保证采样值电流差动保护的可靠性。 4. 仿真结果 本文的仿真将采用EMTP建模并产生一些较原始的数据导入MATLAB程序中进行数据的进一步计算和图形的生成。以一个35 kV配电网为例进行仿真分析，如图2。 其母线上带有L1，L2，L3，L4四条馈线：L1为架空线路，L2为多回馈线集中等效线路，L3为电缆线路，L4为架空线路。整个系统的对地分布分布电容为418。考虑馈线的分支、非线性负荷和单相负荷的影响，分析馈线4发生单相(C相)接地故障的情况 [ 9 ] [ 10 ] 。 根据中性点接地方式、补偿度、故障接地方式以及故障电阻等的不同情况，分别进行实验测试。其中中性点接地方式包括不接地、谐振接地(v = 0)、经消弧线圈过补偿接地(v = −10%)、经消弧线圈欠补偿接地(v = 10%)、高阻接地(R0 = 400 Ω)四种方式。故障接地类型包括金属性接地(Rf = 5 Ω)和高阻接地(Rf = 2000 Ω)两种类型。 4.1. 中性点不接地方式结果 由图3(a)可见，非故障线路L1的电流采样值变化量相间差最大值小于0.04 A，即id0 = 0.04 A，该数值是因为装置的测量误差和故障干扰信号所致。由图3(b)可见，非故障线路L3的电流采样值变化量相间差最大值较线路L1稍大一些，但小于2A，即id0 = 2A。由图3(c)可见，非故障线路L1的电流采样值变化量相间差最大值较线路L1、L2也稍大一些，但小于5A，即id0 = 5A。这是因为线路L3比在三条非故障线路中离故障线路L4最近，受故障影响也最大。由图3(d)可见，故障线路4大部分采样点(11点)的电流采样值变化量相间差大于10 A。按2 kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求，选择保护整定值为5A，则故障线路L4能灵敏动作，非故障线路L1、L2、L3均能可靠不误动。 由图4(a)可见，非故障线路L1的电流采样值变化量相间差最大值小于0.04 A，即id0 = 0.04 A，该数值是因为装置的测量误差和故障干扰信号所致。由图4(b)可见，非故障线路L1的电流采样值变化量相间差最大值较线路L1稍大一些，但小于0.2A，即id0 = 0.2A。由图4(c)可见，非故障线路L3的电流采 图2. 仿真电路图 图3. 中性点不接地、金属性故障(Rf = 5 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 图4. 中性点不接地、非金属性故障(Rf = 2000 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 样值变化量相间差最大小于0.15A，即id0 = 5A。由图4(d)可见，故障线路4大部分采样点(12点)的电流采样值变化量相间差大于5 A。按2 kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求，选择保护整定值为5A，则故障线路L4能灵敏动作，非故障线路L1、L2、L3均能可靠不误动。 4.2. 中性点经消弧线圈接地方式结果 根据图3及图4相同的分析原理，从图5~图10可以得出，当中性点经消弧线圈直接接地时，按2 kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求，选择保护整定值为5A，则故障线路L4能灵敏动作，非故障线路L1、L2、L3均能可靠不误动。 图5. 中性点经消弧线圈(v = 0%)、金属性接地故障(Rf = 5 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 图6. 中性点经消弧线圈(v = 0%)、非金属性接地故障(Rf = 2000 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 图7. 中性点经消弧线圈(v = −10%)、金属性接地故障(Rf = 5 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 图8. 中性点经消弧线圈(v = −10%)、非金属性接地故障(Rf = 2000 Ω)时采样值变化量的相间差值 4.3. 中性点经高阻接地方式结果 根据图3及图4相同的分析原理，从图11及图12可以得出，当中性点经高阻(R0 = 400 Ω)接地时，按2 kΩ高阻接地故障保护灵敏动作的要求，选择保护整定值为5A，则故障线路L4能灵敏动作，非故障线 图9. 中性点经消弧线圈(v = 10%)、金属性接地故障(Rf = 5 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 图10. 中性点经消弧线圈(v = 10%)、非金属性接地故障(Rf = 2000 Ω)时采样值变化量的相间差值 路L1、L2、L3均能可靠不误动。 本文提出了基于电流采样值相间差的配电网接地保护原理和方法，构建了接地保护判据。该保护方法直接采用微处理器CPU的AD采样数据进行计算，无需滤波处理，采样信号中包括了高频信号，利用 图11. 中性点高阻接地(R0 = 400 Ω)、金属性接地故障(Rf = 5 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 图12. 中性点高阻接地(R0 = 400 Ω)、非金属性接地故障(Rf = 2000 Ω)时电流采样值变化量的相间差值 弧光故障暂态分量，能有效地提高保护的抗弧光故障能力。应用EMTP仿真软件建立了小电流接地系统的仿真模型，通过对中性点消弧线圈、接地电阻等参数设置不同值来对故障选线新方法的选线效果进行分析证明该保护方法可以保护具有2 kΩ故障电阻的高阻故障，具有较高的保护精度和可靠性，且只需测量被保护线路的电压、电流，便于在FTU上安装，实现线路的分段就地保护，满足配电自动化的要求。