基于零序电流的单相接地故障定位系统设计

随着经济的快速发展，配电网的规模越来越大，铺架的距离越来越远，电力系统安全、可靠、稳定的运行就变得至关重要。所以当配电网发生故障时需要第一时间定位故障点并排除故障。

目前，国内对于配电网故障选线技术的研究虽取得了一定的成就，但效果不甚理想。本文从零序电流的特点出发，提出了基于零序电流的相位信息的故障定位方法。该定位方法的主要部分是零序电流互感线圈的使用和零序电流相位的计算，下面将详细介绍。

零序电流原理
电力系统中的供电线路是三相对称的，所以接地短路电流分量也是对称的，在电力输电系统发生不对称接地故障的时候，系统的对称性改变了，那么配电网络中就出现了不对称的电压和电流分量。这样会给接地故障中的电压和电流分量的计算带来麻烦，所以将不对称电路转换为对称电路进行分析，在线性电路里应用叠加原理对电流分量进行独自分析，然后进行叠加。

1 接地故障点各分量分析
在三相电力系统中，对于任意不对称的三相相量可分解为三组对称分量，分别为正序分量、负序分量、零序分量。设三相相量分量别为Fa、Fb、Fc，角标2、1、0分别代表正序分量、负序分量、零序分量，即：
Fa= Fa1+ Fa2+ Fa0 (1)
Fb= Fb1+ Fb2+ Fb0 (2)
Fc= Fc1+ Fc2+ Fc0 (3)

在电网正常运行时，系统中只存在正序分量，但是当电网发生接地故障时，系统中则存在正序分量、负序分量、零序分量。其中，负序分量和零序分量会对电力系统和电力设备产生不良影响。当配电网发生接地故障时，正序分量表现为三相对称、大小相等、相位顺时针方向相差120°；负序分量则呈现三相对称、大小相等、相位逆时针方向相差120°；而零序分量三相对称、大小相等、相位相同且只有发生接地故障时才存在。图1为三相相量分解图。

图1 三相相量分解图

由于在配电网发生接地故障的时候，系统中才存在零序电流，另外分析零序电流的相位特性，特提出基于零序分量的相位法故障定位法，在文中重点对零序电流的特性尤其是发生故障接地点前后的零序电流的特性做出分析。

2 接地故障点零序电流分量的等效电路
配电网输电系统在D点发生单相接地故障，假设接地相为A相，则UDa=0。由于D点三相对地阻抗不等，则系统中三相电压及电流不对称。对于A相来说，D点接地处的零序电压作为激励源。图2(a)、(b)为零序网络等效图。图2中，UD0为接地点零序网络激励，ID0为线路零序电流，ZD0为线路零序阻抗。

3 接地故障点零序电流分量的计算
A相的D点发生接地故障时，很显然有如下关系：
UDa=0；IDb=0；IDc=0 (4)

根据图2所示电路短路点零序网等效电路可得电压方程：
UDa=-ZD0ID0 (5)

由图2(a)、(b)可知，在输电线路发生单相接地故障时，接地点前后的零序电流相位是相反的。那么当输电线路发生单相接地故障时，只要分别采集故障点前后的零序电流的相位并加以比较得出相位相反的结果，即可判断故障点的线路区间。