調容式消弧系統的故障選線分析

白永明，付周興

（1.陜西煤業澄合礦業公司機電動力部，陜西西安715200；2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054）

1 引言

小電流接地系統發生單相接地故障時，由于短路電流小，三相線電壓依然對稱，不影響負載的正常工作，可以繼續運行一定時間，所以，在中壓配電網及礦井供電系統中得到了廣泛的應用。但是小電流系統的接線方式，在發生單相接地后，非接地相對地的電壓會升高，如果通過接地點的殘流大于10A，所產生的電弧就不能自行熄滅，間隙性電弧接地時還會產生弧光過電壓，長期運行可能會損壞其絕緣，引發嚴重的相間故障。所以，在系統出現單相接地故障后，應立即找出故障線路，設法使接地設備從系統中切除。

電網對地分布電容的存在是接地點產生故障電流的主要原因，在電網的中性點與大地之間加裝消弧線圈，可使容性電流得到補償，從而使接地點的電流減小。特別是消弧線圈跟蹤補償，根據實際電網電容電流的大小，自動調節消弧線圈產生的感性電流，使兩者處于平衡狀態，從而使接地電流減小為量值很小的有功電流，電弧將不能維持，會自行熄滅。跟蹤補償能使瞬時性接地故障自動消除，也能使永久性接地故障的危害程度大為降低，是減小故障損失的主要技術措施。

接地故障自動選線，快速地找出故障線路，有利于減小系統帶故障運行的時間，也是減小接地故障損失的重要技術措施。為實現配電網電容電流的自動補償，本文以調容式自動跟蹤補償系統為研究對象，提出系統發生單相接地時，消弧線圈和小電流接地選線一體化的新方法。

2 消弧裝置對小電流接地選線的影響分析

系統安裝消弧線圈補償裝置使得接地故障零序電流變小、電弧自行熄滅，這是小電流接地系統的優點。但是微弱的零序電流往往混雜在各式各樣的干擾信號中間，為判斷故障進行準確選線增加了難度。長期以來，人們針對這個問題做了大量的研究，基于不同的原理，提出了許多解決方案，開發出選線裝置并在實際工作中得到了一定的應用。從現場使用情況來看，這些方法的選線效果并不十分理想，普遍存在誤選、漏選的情況。其主要原因在于：

（1）消弧線圈接地系統的零序阻抗大，并受接地故障過渡阻抗以及各種干擾因素的影響，故障電流比較微弱，故障線路與非故障線路的區別不明顯。

（2）接地形態復雜多變，例如有金屬接地、雷擊放電接地、樹枝接地、電阻接地、絕緣不良接地、電弧接地等，就電弧接地又包括短間隙放電電弧、長間隙放電電弧、間歇性電弧等，所以，故障選線裝置測量到的故障特征量（如零序電流、零序功率方向等）具有很大的不確定性。目前，沒有一種選線方法能夠保證對所有故障類型都有效。

3 小電流接地系統各種選線方法

目前，在小電流選線裝置中，采用的方法有：比幅比相方法、無功功率方法、小波方法、暫態能量方法、能量方法、負序電流法、注入方法等。

3.1 零序電流比幅算法

這種方法是基于早期的繼電保護原理，適用于中性點不接地系統。當中性點不接地系統發生單相接地故障時，流過故障元件的零序電流在數值上等于所有非故障元件對地電容電流之和，即故障線路上的零序電流最大。因此，只要通過零序電流幅值大小比較就可以找出故障線路。從理論上看，這種方法不夠完備，因為系統中可能存在某條線路的電容電流大于其它線路電容電流之和。在這種情況下，當這條線路發生接地故障時，就會出現拒動的情況。這種方式的單一判據方式，不能排除電流互感器不平衡的影響，它受系統運行方式、線路長短、過渡電阻大小等許多情況的影響，從而導致誤選、多選、漏選。

3. 2群體比幅比相算法

群體比幅比相算法適用于中性點不接地系統。其基本原理是先進行各饋線回路的零序電流比較，選出幾個幅值較大的作為候選，然后再進行相位比較，選出零序電流方向與其它零序電流方向不同的，即為故障線路。該方法還引入零序電壓作為參考正方向。實踐和理論分析證明，零序電壓幅值大，波形穩定，以其作為參考正方向，可保證參考正方向的穩定性。群體比幅比相算法利用故障信息之間的相對關系，克服了采用“絕對整定值”原理上的缺陷，通過選取幅值較大的線路作為候選線路的方法，在一定程度上克服了電流互感器等不平衡帶來的影響。但是當系統的中性點經消弧線圈接地時，因為消弧線圈對故障線路電流的補償作用，此時群體比幅比相算法就不適用了。

3.3 有功分量法

有功分量法基本原理是：當中性點經消弧線圈接地系統發生單相接地故障時，提取各條線路的零序有功分量。非故障線路的零序有功分量方向由母線流向線路，大小等于線路本身的有功損耗電流值：而故障線路的零序有功分量方向由線路流向母線，其大小等于非故障線路的零序有功分量和消弧線圈的零序有功分量之和。利用各線路零序有功分量的幅值大小和相位關系就可以確定故障線路。有功分量方法克服了消弧線圈補償帶來的影響，在諧振接地系統中，故障線路的零序有功分量的大小比中性點不接地時更大，故障特征更明顯，更有利于選線。但是，線路的有功損耗相對較小，有功分量算法的故障信息同樣不夠突出。受電流互感器不平衡、線路長短、過渡電阻大小的影響也較大。并且，由于三相電容不平衡引起的“虛假有功電流分量”對有功分量算法的影響也較大。

3.4 無功功率方法

無功功率方法是比較傳統的方法，在歐洲應用的較為廣泛。這種方法是通過計算各條線路的容性無功功率來判斷是哪條線路發生了故障。這種方法也是利用了容性電流的幅值與方向，從本質上講，無功功率法和比幅比相方法一致。

3.5 次諧波分量算法

次諧波分量算法原理是：諧振接地系統中的消弧線圈其參數是按照基波整定的，即有：ωL≈1／ωC，則：5ωL≈1／5ωC，可以忽略消弧線圈對 5 次諧波產生的補償效果，因此零序電流5次諧波分量在中性點經消弧線圈接地系統中有著與中性點不接地系統中零序電流基波無功分量相同的特點，即可解決中性點經消弧線圈接地系統的選線問題。但是五次諧波的含量占基波的比例很小，且負荷中的五次諧波源、電流互感器的不平衡電流和過渡電阻的大小，都會一定程度上影響選線結果。并且，由于系統本身可能存在諧波源，以及在負荷不對稱，特別是當系統發生相間短路或三相短路時，由于測量回路的元件飽和而產生大量的5次諧波，將導致基于諧波分量比較法的選線判據失敗。所以，實際中應用5次諧波分量進行故障選線的裝置效果很不理想。

3.6 小波算法

由于穩態時故障信息比較微弱，人們發明了小波算法。小波分析是一門現代信號處理理論與方法，它能有效地分析變化規律不確定和不穩定的隨機信號，能夠從信號中提取到局部化的有用成分。而小電流接地電網單相接地故障等值電路是一個容性回路，故障突然作用在電路中產生的暫態電流通常很大，特別在發生弧光接地故障或間歇性電弧接地情況下，暫態電流含量更豐富，持續時間更長。可利用暫態電流滿足在故障線路上的數值等于在非故障線路上數值之和，并且方向相反來選線。小波選線方法的優點是：該方法對中性點不接地和中性點經消弧線圈接地的電網都適用，特別適應于故障狀況復雜、故障波形雜亂的情況，這與穩態量選線方法形成優勢互補。但是小波算法采用的暫態信號受過渡電阻、故障時刻等多種因素的影響，暫態信號呈隨機性、局部性和非平穩性特點，有可能出現暫態過程不明顯的情況，在這種情況下小波算法就漏選、誤選的情況。

3.7 注入信號尋蹤法

該原理通過運行中的電壓互感器向接地線注入信號，利用信號尋蹤原理，實現故障探測。該裝置由主機和信號電流探測器兩部分構成，主機發出的信號通過電壓互感器二次側端子接入，并由故障線路接地點流回。信號探測器插在主機內部或安裝在各條出線絕緣距離以外探測選線。由于故障選線通過注入信號實現，所以無需使用零序電流互感器，也與電流互感器的接線方式無關。但注入信號強度受TV容量限制，過渡電阻較大或接地點存在間歇性電弧現象時檢測效果欠佳；系統分布電容較大時，也會降低選線準確率；在電磁干擾及噪聲嚴重的現場環境下容易出現誤判。對注入信號的有效檢測有待改進。

4 調容式補償消弧控制器與小電流接地一體化故障選線的分析

雖然消弧線圈使接地零序電流減小，為判斷故障進行準確選線增加了難度，但利用調容式補償消弧控制器的可控性，完全可以使其與小電流選線裝置相配合，以提高選線裝置的性能。調容式消弧控制器與選線裝置的協同工作，當發生單相接地故障后，在5%的脫諧度范圍內調節消弧線圈電感量（由0逐漸調節為－0.5），故障線路零序電流的變化量較大（故障線路零序電流變化量與消弧線圈電感電流變化量之比 ΔI／ΔIL≥0.7），而非故障線路零序電流的改變量很小，故障信息特征十分明顯，并且此特點與接地點位置、接地線路的長短及線路的性質沒有關系。

選線判據的理論分析：

（1）單相接地時各線路零序電流表達式

設線路l1發生單相金屬性接地故障，其等效零序網絡，如圖1所示。設母線中性點電壓為UN，接地點零序電壓為U0。根據節點電壓法對UN節點列出方程如下：

式中

圖1 單相金屬接地等效零序網絡圖

（2）調節消弧線圈電感量時，各條線路零序電流的變化量由式（1）、（2）、（3）可求得：

各回路零序電流的穩態基波分量，它與諧波及暫態過程無關，也與接地故障發生時電源電壓初相角無關，其變化量不受線路結構不對稱的影響。

5 系統框圖及軟件流程圖

根據上述分析，得出了基于DSP2812調容式自動跟蹤消弧補償裝置與小電流接地選線一體化的總體設計框圖，如圖2所示。

圖2 系統總體結構框圖

本方案中，共有8個模塊，電壓形成及采樣前置處理電路、A／D轉換電路、CPU模塊、按鍵模塊、RS485模塊、補償控制裝置模塊及其LCD模塊，RAM模塊、FM31256存儲器模塊。DSP2812由于具有強大的數據處理能力而作為整個系統的核心處理器件；按鍵及LCD作為整個系統的人機交互，觸發裝置是系統的執行環節。RS485是消弧裝置與系統上位機，終端的實時通訊；動態RAM是系統動態數據及程序存儲器；FM31256保存各種整定參數及故障數據。

系統工作流程圖，如圖3所示，系統上電初始化，裝置測量系統對地電容電流，DSP發出測量命令，斷開消弧線圈，A／D采集系統來自PT柜的開口三角形電壓U0，然后接入消弧線圈，調節電容控制柜，改變系統的脫諧度，采集系統的中性點位移電壓UN，位移電流IL，計算出系統的對地電容電流，調整消弧線圈檔位在諧振檔位，然后實時監測系統中性點位移電壓UN，當UN＞0.15Uφ時，采集系統母線電壓Ua、Ub、Uc，判斷是否發生單相接地，如果發生單相接地，DSP發出命令，讓系統工作在諧振補償狀態，使流過接地點的殘流近似為零，采集各饋線回路的零序電流，然后，調節消弧補償系統相過補償的方向調節一個檔位，采集各饋線回路的零序電流，進行小電流選線工作，同時進行故障記錄，存儲在存儲器FM31256中，通過RS485通信，把相應故障及選線數據發送到上位機等。RAM作為系統臨時數據處理的數據及程序存儲器，FM31256存儲系統故障數據、系統給定參數及系統時鐘的產生，并把相應的參數在LCD顯示出來。

6 結論

圖3 系統軟件流程圖

通過對現有選線方法及選線系統面臨問題的分析，提出以DSP2812為系統數據處理核心，調容式消弧控制器與選線裝置的協同工作，當發生單相接地故障后，在5%的脫諧度范圍內調節消弧線圈電感量（由0逐漸調節為－0.5），利用改變系統單相接地時消弧補償系統的脫諧度來計算各饋線回路的零序電流的變化量取出故障線路，理論分析表明，該方法提取的故障信息特征十分明顯，并且與接地點位置、接地線路的長短及線路的性質及其零序電流互感器的接線方向均沒有關系，能夠準確地實現小電流接地系統單相接地故障的選線，并且無需區分暫態和穩態過程。

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