淺析小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的接地選線及判據(jù)

陳喆

（珠海供電局調(diào)度中心，廣東 珠海 519000）

1 前言

在我國配電網(wǎng)中，采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式居多，都屬于小電流接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有發(fā)生單相接地時(shí)故障電流小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)線電壓基本不變，不影響對負(fù)荷連續(xù)供電，仍可繼續(xù)運(yùn)行2個(gè)小時(shí)。但實(shí)際運(yùn)行中可能由于過電壓引發(fā)電力電纜爆炸、PT保險(xiǎn)熔斷甚至燒壞、母線短路等事故，因此，迅速確定系統(tǒng)接地點(diǎn)消除單相接地故障對系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。傳統(tǒng)方法是逐條出線拉路法，但隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，對一些供電要求很高的用電客戶來說，這種方法的弊病是顯而易見的，尤其是對那些負(fù)荷較重的配網(wǎng)線路，這種方法已不滿足安全穩(wěn)定供電的要求。傳統(tǒng)選線裝置利用故障時(shí)電氣量為判別依據(jù)，選出一條或幾條線路供調(diào)度參考，但準(zhǔn)確率低。微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)較傳統(tǒng)拉路法和基于單片機(jī)原理的傳統(tǒng)選線裝置有著不可比擬的硬件優(yōu)勢和對復(fù)雜軟件程序的處理能力，如何利用現(xiàn)有的微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)資源來進(jìn)行準(zhǔn)確的選線是一個(gè)亟待解決的問題。

2 電路模型

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)如圖1，故障點(diǎn)的零序電壓為Ud0=(Uad+Ubd+Ucd)/3=-Ua，故障零序電流為全系統(tǒng)的容性電流。

其向量圖如圖2所示:由于架空線路對地有相同的等值電容，根據(jù)向量圖，零序電壓及零序電流的特點(diǎn)歸納起來有以下四點(diǎn):

①發(fā)生單相接地故障時(shí)（例如A相），故障相的對地電容C0被短接；②非故障線路3I01的大小等于本線路的接地電容電流，其電容性無功功率的方向?yàn)橛赡妇€流向線路；③故障線路3I02的大小等于所有非故障線路的3I01之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和；其電容性無功功率的方向?yàn)橛删€路流向母線；④若零序電流互感器的極性是以變電所母線流向線路為正方向，那么非故障線路的零序電流超前零序電壓90°，故障線路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流在相位上相差180°。

3 傳統(tǒng)的選線原理及其局限

3.1 判據(jù)

3.1.1 緣監(jiān)察裝置

絕緣監(jiān)察裝置利用接于公用母線的三相五柱式電壓互感器，其一次線圈均接成星形，附加二次線圈接成開口三角形。接成星形的二次線圈供給絕緣監(jiān)察用的電壓表、保護(hù)及測量儀表。接成開口三角形的二次線圈供給絕緣監(jiān)察繼電器。系統(tǒng)正常時(shí)，三相電壓正常，三相電壓之和為零，開口三角形的二次線圈電壓為零，絕緣監(jiān)察繼電器不動作。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，開口三角形的二次端出現(xiàn)零序電壓，電壓繼電器動作，發(fā)出系統(tǒng)接地故障的預(yù)告信號。

3.1.2 零序電流

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路零序電流的大小等于本線路的接地電容電流。故障線路零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。通常故障線路的零序電流比非故障線路零序電流大得多，利用這一原則，可以采用電流元件區(qū)分出接地故障線路

3.1.3 零序功率

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路的零序電流超前零序電壓90°，故障線路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流相位相差180°。根據(jù)這一原則，可以利用零序方向元件區(qū)分出接地故障線路。

3.2 傳統(tǒng)方法的局限

3.2.1 長線路對地電容大，電容電流大;短線路對地電容小，電容電流小，有時(shí)保護(hù)易誤判，例如短線路發(fā)生接地故障，其零序電流是非故障長線路電容電流之和，二者的零序電流數(shù)值相差不大，保護(hù)裝置很難區(qū)分。另外系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作，運(yùn)行狀況變化，電容電流分布也變化，故動作值難以整定。

3.2.2 利用故障線路零序電流滯后零序電壓90°，非故障線路零序電流超前零序電壓90°作為判據(jù)，但是當(dāng)測得的零序電流較小（如故障線路是長線路，而非故障線路是短線路），零序電流復(fù)相量模值較小，相角差就較大，就象時(shí)鐘太短，難以看清位置（相角）一樣，易造成誤動。此類保護(hù)只適用于穩(wěn)定金屬接地，而接地故障大多是間歇性或瞬時(shí)性弧光接地，難以準(zhǔn)確判斷。

3.2.3 對所有的線路的零序電流大小和方向進(jìn)行綜合比較，判別出故障線路。基于單片機(jī)原理的傳統(tǒng)選線裝置CPU采樣一個(gè)點(diǎn)約需100μs，以一條線路在一個(gè)工頻同期（20ms）內(nèi)最少得采集16個(gè)點(diǎn)計(jì)算，單CPU采集多條線路時(shí)，一個(gè)周波內(nèi)最多只能采集12條線路的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集后，CPU進(jìn)入數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、判別，在此期間CPU無法繼續(xù)采樣工作，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟失。對于不穩(wěn)定弧光接地，不同周波內(nèi)數(shù)據(jù)變化較大，用它們進(jìn)行比較必然造成判線錯(cuò)誤，故每條線路至少采集2～3個(gè)周波的數(shù)據(jù)，才能正確判別出故障線路。

4 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的接地選線

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，配網(wǎng)規(guī)模日漸擴(kuò)大，電纜出線日漸增多，系統(tǒng)對地電容電流急劇增加，接地弧光不易自動熄滅，輕易產(chǎn)生間隙弧光過電壓，進(jìn)而造成相間短路，使事故擴(kuò)大。為了防止這種事故，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定；3～10kV架空線路構(gòu)成的系統(tǒng)和所有35kV、66kV電網(wǎng)，當(dāng)單相接地故障電流大于10A時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈，3～10kV電纜線路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電流大于30A時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。根據(jù)這一規(guī)定，珠海供電局對系統(tǒng)進(jìn)行改造，很多變電站的10kV系統(tǒng)采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，但是造成了采用零序電流原理、零序功率方向原理的接地選線裝置的選線正確率急劇下降。其原因是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，電容電流分布的情況與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不一樣了。

4.1 原理分析

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)

如圖3，當(dāng)K2合上時(shí)表示系統(tǒng)的第i條出線C相經(jīng)過大小為Rd的電阻接地 (Rd=0表示金屬接地)，K1合上表示系統(tǒng)經(jīng)過消弧線圈補(bǔ)償。其等值零序電路如圖4

其中Uc為K2合上(即接地)前接地點(diǎn)的電壓，Uo為接地后系統(tǒng)的零序電壓，Ir為接地點(diǎn)殘流，ΣIc為系統(tǒng)總電容電流，IL為消弧線圈補(bǔ)償電流。他們存在如下關(guān)系:Ir=IL-ΣIc

如圖5所示，出線m為故障線路，CT1～CTn為各線路出口的零序互感器。I01～I(xiàn)0n為對應(yīng)出線的零序電流。故障線路的零序電流I0m=ICm+Ir，由以上兩公式可得 I0m=IL-ΣIci(i=0～n 且 i≠m)，即故障線路的零序電流等于消弧線圈補(bǔ)償電流再減去所有非故障線路電容電流的和。假設(shè)系統(tǒng)沒有消弧線圈補(bǔ)償即IL=0時(shí)，故障線路零序電流為所有非故障線路電容電流之和，其幅值較大，相位與非故障線路相反，故障特征很明顯，對選線而言有積極作用，缺點(diǎn)是殘流較大。假設(shè)消弧線圈完全補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，即Ir=0，此時(shí)各出線零序電流即為線路本身電容電流，故障線路零序電流的幅值和相位與非故障線路沒有明顯區(qū)別，即故障特征不明顯。對于消弧線圈過補(bǔ)償5%～10%，與完全補(bǔ)償相比故障線路零序電流僅僅幅值有所增加，但各出線長短不一，架空線路和電纜也造成各出線大小不一，單憑幅值作為判據(jù)在電容電流較小的線路發(fā)生故障時(shí)容易誤判。加上互感器采樣誤差等原因，使補(bǔ)償后的小電流接地系統(tǒng)選線更加困難。

圖4

圖5 各出線零序電流

4.2 針對消弧線圈接地系統(tǒng)的選線判據(jù)

4.2.1 暫態(tài)零序功率法

a）發(fā)生單相接地瞬間（除了 u（t）＝0之外），暫態(tài)電容電流很大，而經(jīng)消弧線圈的暫態(tài)電感電流很小，可認(rèn)為消弧線圈處于開路狀態(tài)，所以在同一電網(wǎng)中，不論中性點(diǎn)絕緣或是經(jīng)消弧線圈接地，在相電壓接近于最大值時(shí)發(fā)生故障的瞬間，其過渡過程是近似相同的。b）非故障線路暫態(tài)零序電流和電壓首半波方向相同，即暫態(tài)零序功率由母線流向線路。c）故障線路暫態(tài)零序電流和電壓首半波方向相反，即暫態(tài)零序功率由線路流向母線。d）它既適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，也適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

由上述特點(diǎn)可知，對短線路而言，其穩(wěn)態(tài)電容電流小，暫態(tài)電容電流大，該原理比其它各類反映接地穩(wěn)態(tài)量的原理靈敏度高，對單相接地反應(yīng)迅速。

4.2.2 五次諧波零序功率法

在經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，由于消弧線圈對五次諧波分量呈現(xiàn)的阻抗較基波分量時(shí)增大5倍（XL＝5ωL，而線路容抗則減少 5 倍 XCΣ＝1/5ωCΣ，因此，消弧線圈已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能補(bǔ)償五次諧波的電容電流。當(dāng)單相接地時(shí)，故障線路上五次諧波的零序電流基本上等于非故障線路五次諧波電流之和，而非故障線路上五次諧波的零序電流就是本身的五次諧波電容電流，兩者的相位相反，在出線較多情況下，數(shù)值也相差很大。總之五次諧波電容電流的分配規(guī)律，與基波電容電流在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)類似，消弧線圈可認(rèn)為處于開路狀態(tài)。零序電流及電壓，先通過五次諧波濾過器，然后再接入功率方向判別元件，籍此可進(jìn)行故障選線。除此以外，還有首半波原理法、注入信號尋蹤法等方法來確定故障線路的方法。

5 結(jié)束語

中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地選線，是一個(gè)老問題，至今還不能做到選線完全準(zhǔn)確。變電站無人值班以后，對選線的要求就更高了。經(jīng)過技術(shù)改造，珠海電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地故障選線準(zhǔn)確率已顯著提高。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，新的選線方法將會得到進(jìn)一步的充實(shí)和提高。

[1]杜永忠，李紅霞。基于零序電流有功分量選擇接地線路的方法-實(shí)用技術(shù) 第10卷第4期

[2]肖白，束洪春，高峰。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法綜述-繼電器 2001.4.16-20