小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置原理及發(fā)展

引言

21ic智能電網(wǎng)：在我國(guó)35kV及10kV電力系統(tǒng)大多采用小電流接地系統(tǒng)，包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，發(fā)生單相接地時(shí)當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流的數(shù)值往往較負(fù)荷電流小的多，故障相電壓降為零，非故障相電壓升高為相電壓的√3倍，但三相之間的線電壓仍然保持對(duì)稱，對(duì)供電負(fù)荷沒(méi)有影響，因此規(guī)程允許繼續(xù)運(yùn)行1～2h。多數(shù)情況下故障能夠自動(dòng)消失并恢復(fù)絕緣，極大地提高了供電可靠性。但是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的變化和大量電纜的應(yīng)用，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相電壓升高對(duì)電網(wǎng)設(shè)備絕緣破壞情的況不斷增加：發(fā)生間歇性電弧接地，由于過(guò)電壓較高破壞作用相當(dāng)大;發(fā)生恒定阻抗接地，工頻過(guò)電壓也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損傷，這種損傷積累到一定程度會(huì)破壞設(shè)備絕緣性能。很多變電站在單相接地持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間后發(fā)生了引發(fā)電力電纜爆炸、避雷器、PT爆炸或絕緣子閃絡(luò)情況，易擴(kuò)大為相間短路，因此，迅速確定系統(tǒng)接地點(diǎn)消除單相接地故障對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。

為了確定故障線路，傳統(tǒng)的方法是用人工逐條線路拉閘判斷哪條線路出現(xiàn)故障，由于各種原因有時(shí)尋找故障需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，降低了供電可靠性，影響了供電部門和用戶的經(jīng)濟(jì)效益。而人工拉路法選線每一次開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合都會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，容易產(chǎn)生操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓，頻繁的開(kāi)關(guān)操作也會(huì)減少開(kāi)關(guān)使用壽命?！⊥瑫r(shí)，隨著對(duì)于綜自和無(wú)人值班變電站的增加，一是有時(shí)集控站值班人員發(fā)現(xiàn)和處理接地信號(hào)時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是夜晚發(fā)出的接地信號(hào)，容易造成帶故障長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行;二是逐條拉路尋找需要遠(yuǎn)方遙控操作，增加了設(shè)備的負(fù)擔(dān)。所以快速準(zhǔn)確的故障選線和定時(shí)跳閘有利于提高設(shè)備的使用壽命，提高供電可靠性;有利于減少維護(hù)檢修負(fù)擔(dān)和用戶的停電概率，提高供電部門和用戶的經(jīng)濟(jì)效益。

2 單相接地時(shí)小電流接地系統(tǒng)的主要特征

現(xiàn)對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障前后的特征歸納如下:

2.1零序電壓互感器開(kāi)口電壓通常為零。(實(shí)際上由于不平衡電壓的影響小于5V)。接地后接近100V(金屬性接地:經(jīng)電阻接地Uo2∈(30,100))。(此段Uo2∈是表示什么?)

2.2非接地線路的零序電流Io為該線路對(duì)地等效電容電流，相位超前零序電壓

Uo90°。

2.3 接地線路的零序電流Io和非接地線路的零序電流方向相反，即相位滯后零序電壓Uo90°，且等于所有非接地線路中電容電流與變壓器中性點(diǎn)電流之和。

2.4對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，零序電流5次諧波對(duì)以上結(jié)論成立。

以上結(jié)論，與故障點(diǎn)接地電阻，系統(tǒng)運(yùn)行方式，電壓水平和負(fù)荷無(wú)關(guān)。

3 常用的幾種選線裝置原理與存在的問(wèn)題

目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的主要有穩(wěn)態(tài)分量法、諧波分量法、暫態(tài)法、接地選線和消弧線圈一體化發(fā)等四種原理的接地選線裝置。

3.1穩(wěn)態(tài)分量法。

穩(wěn)態(tài)分量法又分為零序電流比幅法，零序電流相對(duì)相位法，以及群體比幅比相法。

3.1.1零序電流比幅法利用的是流過(guò)故障元件的零序電流在數(shù)值上等于所有非故障元件的對(duì)地電容電流之和，即故障線路上的零序電流最大，所以只要通過(guò)比較零序電流幅值大小就可以找出故障線路。但這種方法不能排除TA不平衡的影響，受線路長(zhǎng)短、系統(tǒng)運(yùn)行方式及過(guò)渡電阻大小的影響，且系統(tǒng)中可能存在某條線路的電容電流大于其它所有線路電容電流之和的情況，裝置易發(fā)生誤動(dòng)，不適用于經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)。

3.1.2零序電流相對(duì)相位法是利用故障線路零序電流與非故障線路零序電流流動(dòng)方向相反的特點(diǎn)，分別從線路流向母線或由母線流向線路，就可以找出故障線路。但這種方法在線路較短，零序電壓、零序電流值較小時(shí)，相位判斷困難，不能適用于諧振接地時(shí)完全補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償運(yùn)行方式。

3.1.3群體比幅比相法是綜合利用零序電流比幅法和零序電流相對(duì)相位法，先進(jìn)行零序電流比較，選出幾個(gè)較大的作為侯選，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相位比較，選出方向與其它不同的，即為故障線路。該方法在一定程度上解決了前兩種方法存在的問(wèn)題，但同樣不能排除CT不平衡及過(guò)渡電阻大小的影響，以及相位判斷的死區(qū)，仍不適用于經(jīng)消弧線圈接地的小電流系統(tǒng)。

3.2諧波分量法。

諧波分量法分為5次諧波大小和方向，各次諧波平方和等方法。

3.2.1 5次諧波大小和方向法，當(dāng)單相接地故障時(shí)，由于故障點(diǎn)、線路設(shè)備的非線性影響，在故障電流中存在著諧波信號(hào)，其中以5 次諧波為主。經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的消弧線圈是按照基波計(jì)算的，消弧線圈相當(dāng)于處于開(kāi)路狀態(tài)。可忽略消弧線圈對(duì)5次諧波產(chǎn)生的補(bǔ)償效果。再利用5次諧波電容電流的群體比幅比相法，就可以解決經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的選線問(wèn)題。但故障電流中5次諧波含量較小(小于故障電流10%)，且受TA不平衡電流和過(guò)渡電阻的影響，選線的準(zhǔn)確度也不是很穩(wěn)定。

3.2.2各次諧波平方和方法是將3、5、7等諧波分量求和，再根據(jù)諧波理論進(jìn)行選線。雖然能在一定程度上克服單次諧波信號(hào)小的缺點(diǎn)，但不能從根本上解決問(wèn)題。

3.3利用接地故障暫態(tài)過(guò)程的選線法(即暫態(tài)分量法)。

暫態(tài)分量法可分為首半波法和基于小波分析法。

3.3.1首半波法是基于接地發(fā)生在相電壓接近最大瞬間這一假設(shè)，此時(shí)故障相電容電荷通過(guò)故障相線路向故障點(diǎn)放電，故障線路分布電容和分布電感具有衰減特性，該電流不經(jīng)過(guò)消弧線圈，所以暫態(tài)電感電流的最大值相應(yīng)于接地故障發(fā)生在相電壓經(jīng)過(guò)零瞬間，而故障發(fā)生在相電壓接近于最大值瞬間時(shí)，暫態(tài)電感電流為零。此時(shí)的暫態(tài)電容電流比電感電流大得多。利用故障線路暫態(tài)零序電流和電壓首半波的幅值和方向均與正常情況不同的特點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)選線。但這種方法存在前提條件是故障需發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間，不利于在具體工程中實(shí)施。

3.3.2 基于小波分析法是利用小波分析可對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確分析，特別是對(duì)暫態(tài)突變信號(hào)和微弱信號(hào)的變化比較敏感，能可靠地提取出故障特征。小波變換是把一個(gè)信號(hào)分析成不同尺度和位置的小波之和，利用合適的小波和小波基對(duì)暫態(tài)零序電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，易看出故障線路上暫態(tài)零序電流特征分量的幅值包絡(luò)線高于非故障線路，且其特征分量的相位也與非故障線路相反，這樣就構(gòu)造出利用暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行接地選線的判據(jù)。但電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行是復(fù)雜多變的，需綜合分析母線零序電壓和各出線零序電流的小波變換參數(shù)，才有助于對(duì)故障線路的準(zhǔn)確選線判斷。

3.4接地選線和消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)償一體化的選線方法。

為降低單相接地電容電流過(guò)大造成的各種危害，在配電網(wǎng)的中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈，消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了單相接地電容電流，卻使以群體比幅比相法的接地選線裝置喪失了選線作用。近幾年，雖然有針對(duì)中性點(diǎn)消弧線圈接地而發(fā)展的選線裝置，但由于采集單相接地信號(hào)很困難，在實(shí)用中誤判率較高。采用微機(jī)控制和動(dòng)態(tài)改變接地電感，可解決補(bǔ)償和選線的矛盾。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，微機(jī)控制器先根據(jù)檢測(cè)到的零序電壓和零序電流的大小及方向，確認(rèn)為單相接地時(shí)，使消弧線圈感抗很大遠(yuǎn)離全補(bǔ)償，感性電流很小，對(duì)單相接地電容電流影響很小，對(duì)選線沒(méi)有影響，待裝置確認(rèn)了單相接地故障線路并記憶保存后，裝置再進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使脫諧度不超過(guò)±5%。

4 選線原理的不足主要原因

小電流接地系統(tǒng)自動(dòng)選線技術(shù)是一個(gè)難題，它的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：?jiǎn)蜗嘟拥毓收蠒r(shí)故障信號(hào)小，不象其它故障如兩相短路、兩相接地短路等故障類型故障信號(hào)那么大;單相接地故障的類型復(fù)雜而不確定，有全接地故障、有間隙性弧光接地、有經(jīng)不穩(wěn)定電阻接地、經(jīng)樹(shù)枝接地(高阻接地)等等;中性點(diǎn)接地方式不確定，有不接地、有經(jīng)消弧線圈接地等。選線裝置原理使用不理想的主要原因有以下幾點(diǎn)。

4.1 每種原理的局限性

雖然已經(jīng)有多達(dá)十幾種甚至更多的選線方法，但是每種選線方法都只利用了故障某一方面的特征，當(dāng)該方法需要的故障特征不明顯時(shí)，這種方法就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。例如五次諧波選線方法利用了零序電流的五次諧波特征，但是在高阻接地情況下，五次諧波分量很不明顯，這時(shí)五次諧波選線方法就失效了。以往的選線裝置僅僅采用一種方法，因此正確率低。也有的裝置采用了多種選線方法，但只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的迭加，也不能解決實(shí)際的問(wèn)題。

舉例說(shuō)明目前國(guó)內(nèi)流行的二種 (功率方向法、諧波分析法)

(1)功率方向法:采用判斷每條線路的零序電流的功率方向來(lái)確定故障線路,這種方法從原理上講就達(dá)不到 100% 的準(zhǔn)確率,可能出現(xiàn)一條線路接地,判斷多條線路或一條都判斷不出的結(jié)果。

(2)諧波分析法:諧波分析法采用單相接地后零序穩(wěn)態(tài)信號(hào)的群體比幅比相法。比幅比相時(shí)從理論上講不存在死區(qū),不受運(yùn)行方式及接地電阻的影響,對(duì)于 CT 不平衡導(dǎo)致的零序電流,這種方法不能有效解決。

4.2對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

一般采用提取 5 次諧波分量來(lái)選線。由于 5 次諧波分量較小(只占基波的 2%～3%),而且零序電流本身就小,這使得硬件電路上有很高的要求,因此帶消弧線圈的系統(tǒng)選線困難更大些,處理不好,就可能誤判。另外 CT 不平衡,也會(huì)造成誤判。

4.3 硬件電路設(shè)計(jì)上存在著嚴(yán)重的先天不足導(dǎo)致了裝置的運(yùn)行可靠性大部分用戶有這樣的反映:裝置投運(yùn)一年內(nèi),判斷準(zhǔn)確率很高,但以后就不準(zhǔn)確了這往往是由于硬件電路故障導(dǎo)致的。

4.4 小電流選線裝置未作為繼電保護(hù)裝置對(duì)待不論是從設(shè)計(jì)、制造、工藝還是從應(yīng)用上講,小電流選線裝置一直被認(rèn)為是一個(gè)檢測(cè)裝置,由于它的運(yùn)行好壞不直接對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成影響,因此未引起足夠重視。

4.5現(xiàn)場(chǎng)安裝接線問(wèn)題

由于選線裝置須引入零序電壓及零序電流回路,而 66kV 及以下系統(tǒng),以往設(shè)計(jì)時(shí)只安裝了兩相 CT,沒(méi)有零序回路,因此零序回路的接線往往問(wèn)題最多。從現(xiàn)場(chǎng)的情況來(lái)看,往往會(huì)出現(xiàn):零序回路不對(duì)應(yīng)、回路未引入、零序不平衡電流過(guò)大、極性不對(duì)等現(xiàn)象。

5結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的小電流接地系統(tǒng)接地選線保護(hù)原理，皆有一定的局限性。為此，筆者認(rèn)為應(yīng)采用了綜合選線技術(shù)，而并不是各種選線方法簡(jiǎn)單的迭加。采用了多種診斷方法,采用有效域技術(shù)將多種選線分析方法進(jìn)行智能融合,把反映故障穩(wěn)態(tài)分量、暫態(tài)分量的判據(jù)和利用外加診斷信號(hào)的判據(jù)有機(jī)融合。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)眾多數(shù)據(jù)的科學(xué)研究，在空間上為每一種方法界定一個(gè)有效的選線范圍—— 有效域。當(dāng)一個(gè)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的每一種方法都在有效區(qū)域的約束進(jìn)行選線，給出結(jié)果，在進(jìn)行綜合處理后，系統(tǒng)給出一個(gè)綜合的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確性。綜合選線技術(shù)通過(guò)為多種選線算法定義有效域，將多種選線算法有效地融合到一起，發(fā)揮選線算法之間的互補(bǔ)性，以擴(kuò)大了選線范圍。而達(dá)到真正實(shí)現(xiàn)較為正確綜合診斷的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

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