我国中压配电网普遍采用小电流接地方式, 即中性点不接地和中性点经消弧线圈接地^[1-2]。这种接地方式的优点是在配电网发生单相接地故障时, 线电压保持不变, 依规程可继续运行1~2 h, 供电可靠性较高。在此期间, 电网健全相承受较高电压(最大为1.732倍的正常电压), 线路绝缘薄弱处可能发生绝缘击穿, 从而发生第二次单相接地故障, 形成两点接地故障。根据故障点位置、相别的不同, 两点接地故障可以分为同一线路同一相别(同线同相)、同一线路不同相别(同线异相)、不同线路同一相别(异线同相)、不同线路不同相别(异线异相)等4种类型。与其他3种类型相比, 异线同相最为复杂。

目前, 故障选线装置对单相接地故障选线的准确率较高^[3-4], 但大多数故障选线装置并不具备两点接地故障的判断能力。其主要原因是两点接地故障属于复杂故障, 受到中性点接地方式、故障点电阻、故障点距离、不平衡电压等复杂因素的影响, 理论分析计算难度较大^[5-9]。文献[6]利用线性电路的基本定理和相序参数变换技术, 提出了一种/>小电流接地系统两点异相接地故障计算的方法。文献[7-8]分别分析了单电源和环网输电线路两点异地发生的接地故障。文献[9]采用小波分析工具研究了两点接地故障的保护原理。这些分析比较复杂, 一方面在课堂教学时学生难以理解, 另一方面在实际中应用难度也较大。因此, 本文通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型进行仿真分析, 得到两点接地故障时电压和电流特点, 最后提出一种判断两点接地故障的方法。

由于两相短路电流远大于负荷电流, 因此为简化计算, 突出两点接地故障的特点, 下面的分析中均不考虑负荷电流的影响。另外, 假设系统各元件正负序阻抗相等。

同线同相故障如图 1所示。

图 1中, 线路L₁的A相先后发生K和F两点接地故障。这种情况称为同线同相两点接地故障。由于两个故障点都在同一条线路的同一相上, 因此这种故障引起系统电压、电流的变化与单相接地故障类似^[10]。相关分析和结论比较简单, 本文不再赘述。

同线异相故障如图 2所示。

图 2中, 线路L₁的A相在K点发生接地故障。一段时间后, 绝缘薄弱线路L₁的B相在F点也发生接地故障。由于故障点K和F处于同一条线路但不同相别, 因此这种情况称为同线异相两点接地故障。为简化计算, 忽略故障电阻, A相和B相电流直接流入大地。根据电路分析理论^[10], 有下列关系式

$ {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{A}}}{\rm{ + }}{\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{B}}}{\rm{ = }}0 $

(1)

$ {\mathit{\boldsymbol{E}}_{\rm{A}}} + {\mathit{\boldsymbol{U}}_{\rm{N}}} = {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{A}}}{\mathit{\boldsymbol{Z}}_1}{d_K} $

(2)

$ \begin{array}{l} {\mathit{\boldsymbol{E}}_{\rm{B}}} + {\mathit{\boldsymbol{U}}_{\rm{N}}} = \frac{1}{3}{\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{B}}}(2{Z_1} + {Z_0})({d_F} - {d_K}) + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{B}}}{Z_1}{d_K} \end{array} $

(3)

式中:I_A, I_B——A相和B相电流;

E_A, E_B——A相和B相电压;

U_N——中性点电压;

Z₁, Z₀——线路单位长度的正序和零序阻抗;

d_K, d_F——故障点K和F至母线的距离。

联立式(1)~式(3), 可得

$ {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{A}}} = - {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{B}}} = \frac{{{\mathit{\boldsymbol{E}}_{\rm{A}}} - {\mathit{\boldsymbol{E}}_{\rm{B}}}}}{{2{Z_1}{d_K} + \frac{1}{3}(2{Z_1} + {Z_0})({d_F} - {d_K})}} $

(4)

这种故障与两相短路接地故障不同, 文献[10]是指同一点两相同时发生接地故障, 故障相电压为零, 非故障相电压升高至额定电压的1.5倍。在本文所研究的同线异相两点接地故障中, 两个故障点之间存在距离, 母线上故障相电压降低, 零序电压增大, 仅在故障点之间存在零序电流。

异线同相故障如图 3所示。

图 3中, 线路L₁的A相在K点发生单相接地故障, 若干时间后, 线路L₂的A相在F点也发生了接地故障。这种情况称为异线同相两点接地故障。从系统电压角度上看, 故障相电压降低, 非故障相电压升高。这与单相接地故障类似, 本文不再赘述。需要注意的是, 各线路零序电流与单相接地故障不同(因为两条线路都发生了故障)。

异线异相故障如图 4所示。

图 4中, 线路L₁的A相在K点发生单相接地故障, 若干时间之后, 线路L₂的B相在F点也发生了接地故障。这种情况称为异线异相两点接地故障。线路L₁和L₂相当于单相接地, 对于电源侧而言相当于两相短路。母线上故障相电压降低, 零序电压增大, 仅故障点K和F之间存在零序电流。可以得到

$ {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{A}}} = - {\mathit{\boldsymbol{I}}_{\rm{B}}} = \frac{{{\mathit{\boldsymbol{E}}_{\rm{A}}} - {\mathit{\boldsymbol{E}}_{\rm{B}}}}}{{\frac{1}{3}(2{Z_1} + {Z_0})({d_K} + {d_F})}} $

(5)

利用PSACD/EMTDC软件搭建10 kV的配电系统进行仿真, 如图 5所示。图 5中, G为交流电源; T为变压器, 变比为35 kV/10 kV。线路参数^[11-12]如下:正序参数与负序参数相同, 分别为R₁=0.075 Ω, L₁=0.254 mH, C₁=0.318 μF; 零序参数为R₀=0.102 Ω, L₀=0.892 mH, C₀=0.210 μF。

仿真时故障设置为同线同相接地故障。这种类型的两点接地故障属于单相接地故障, 电压和电流的特征分析较多, 本文不再赘述。

仿真时故障设置为同线异相接地故障, 即线路L₁的A相在0.1~0.3 s时间段距母线10 km处发生接地故障, 当t=0.2 s时线路L₁的B相在距母线25 km处发生接地故障。三相电压(U_a, U_b, U_c)、零序电压(U₀)和3条线路上的零序电流(I₁₀, I₂₀, I₃₀)分别如图 6和图 7所示。为突出故障期间电压或电流的变化规律, 本文没有截取故障恢复阶段的波形。

由图 6和图 7可以看出:在第1次故障发生后, 三相电压和零序电压均符合教材中单相接地故障的特征, 即故障相电压降低, 非故障相电压和零序电压升高, 线路中出现零序电流; 当第2次故障发生后, A相电压升高, B相和C相电压降低, 零序电压降低, 故障和非故障线路的零序电流都降低。

仿真时故障设置为异线同相接地故障, 即线路L₁的A相在0.1~0.3 s时间段距母线1 km处发生接地故障, 当t=0.2 s时线路L₂的A相在距母线10 km处发生接地故障。三相电压、零序电压和零序电流分别如图 8和图 9所示。

由图 8和图 9可以看出:第1次故障发生后, 三相电压、零序电压和零序电流的变化特征符合理论分析; 当第2次故障发生后, 三相电压和零序电压都稍有降低, 故障线路L₁的零序电流下降, 而故障线路L₂的零序电流大幅升高, 非故障线路L₃的零序电流降低。

仿真时故障设置为异线异相接地故障, 即线路L₁的A相在0.1~0.3 s时间段距母线1 km处发生接地故障, 当t=0.2s时线路L₂的B相在距母线10 km处发生接地故障。三相电压、零序电压和零序电流分别如图 10和图 11所示。

由图 10和图 11可以看出:第1次故障发生后, 三相电压、零序电压和零序电流的变化特征符合理论分析; 第2次故障后A相电压继续升高, 而B相电压降低, 非故障相C相电压先升高后降低, 零序电压降低; 故障线路L₁和L₂的零序电流大幅升高, 非故障线路L₃的零序电流降低。

通过上述理论与仿真分析, 可以归纳出两点接地故障时电压和电流的特征如表 1所示。

同线同相故障与单相接地故障相同, 故可以按照传统的方法确定故障线路。同线异相故障类似于两相短路故障, 故也可以按照两相短路故障的措施处理。因此, 本文提出一种针对异线同相和异线异相两点接地故障的判断方法, 具体如下。

(1) 第1次接地故障可以按照传统方法判断出故障线路和故障相。监测零序电压变化。当零序电压降低时, 可认为发生第2次故障。

(2) 发生第2次故障后如果满足以下条件, 则为异线同相故障且零序电流升高者为故障线路:一是相电压和零序电压均有所降低; 二是第1故障线路零序电流降低。

(3) 发生第2次故障后如果满足以下条件, 则为异线异相故障且零序电流升高者为故障线路:一是第1故障相电压升高, 零序电压降低; 二是第1故障线路零序电流升高。

两点接地故障是一种复杂的接地故障, 理论计算比较困难。本文通过仿真分析得到所有4类两点接地故障的电压和电流特征, 提出了判断两点接地故障的方法。后续可以对中性点经消弧线圈接地系统进行同样的仿真分析, 丰富两点接地故障判断的应用场景。