在線監控軟件實現小電流接地選線功能

常文煥，呂彥召，王 佳，王曉東

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州450011;2.國家電網許繼集團，河南 許昌461000)

1 問題提出

在我國3～66 kV 配電網中，都采用了中性點不接地、經消弧線圈接地或經電阻接地的小電流接地系統，此系統發生單相接地的幾率較高［1］。在小電流接地系統中發生單相接地時，由于故障點的電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電沒有影響，因此，一般情況下都允許系統再繼續運行1～2 h，而不必立即跳閘，但是接地相電壓降低，非接地相電壓將升高至線電壓，為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，應及時發出信號，以便運行人員采取措施予以消除［3］。

河南某工程項目要求小電流接地選線功能在監控后臺上實現。CBZ-8000 變電站綜合自動化系統是國家電網許繼電氣股份有限公司充分利用計算機軟件硬件等技術，基于網絡的適應范圍廣泛的新一代變電站綜合自動化系統［4］。由于該功能屬于CBZ -8000 系統的一個輔助功能，基于工程應用的需求，所以專門立項組織人負責資料搜集并做相關實驗，做出可行性分析報告，滿足工程需要。

2 選線原理

中性點不接地系統中單相接地故障的特點歸納起來有以下幾點:

1)在發生單相接地(如C 相)接地時，接地相的對地電容Co 被短路。零序電流Io和零序電壓Uo滿足公式:3Io=IA+IB+IC，3Uo=UA+UB+UC，故障相對地電壓為0，非故障相電壓升至正常時相電壓的倍，如圖1。

圖1 中性點不接地系統單相接地故障圖

2)在非故障線路3Io 的大小等于本線路的接地電容電流;故障線路的3Io 的大小等于所有非故障線路的3Io 之和。如圖2。

3)接地故障處的電流大小等于所有線路的電容電流的總和，并滯后零序電壓。如圖3。

4)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差180°。

圖3 故障線路電流與電壓相量圖

3 測試過程

3.1 試驗設備

軟件:CBZ-8000 后臺軟件、試驗用數據庫一份。

硬件:調試工具一套、試驗儀一臺、微機保護裝置3 臺用以模擬三條線路。

3.2 組態方法［4］

首先，在工程師站的參數設置中將“使用軟件實現小電流接地選線功能”用“√”選中，如圖4 所示。

完成以上步驟后，工程師站主界面彈出如圖5 的畫面。小電流接地選線的界面包括三個部分:狀態監視、參數設置和報告查詢。

圖4

圖5

3.2.1 線路模擬通道設置

在參數設置畫面中，首先選中相應的母線，彈出的畫面如圖6、圖7 的畫面，選擇對應項即可。每個裝置均需要選擇。

圖6

圖7

“狀態監視”頁面用來實時監視母線上的線路及線路3UO、3IO 等相關參數，了解判斷小電流接地選線相關的變化情況。如圖8 由數據查看知H106 至8#箱變XJGW-611 發生小電流接地故障。

圖8

3.2.2 定值設置

“定值設置”建議由用戶決定。

零序電壓啟動值:10～100 V;零序電流定值:50 mA 左右;零序差流定值:50 mA，這個值應小于零序電流定值相角差值:一般為5～10°。

3.2.3 小電流接地的判據

假設一段母線M，母線上有n條線路，對線路L

1)線路L 的3UO 大于零序電壓啟動值。

2)線路L 的3IO 應大于零序電流定值。

3)故障線路L 的零序電流與非故障線路3IO 的總和的差小于零序差流定值。

4)故障線路3UO 超前3IO 的角度在90° + / -α 范圍內。α 為相角差值。

如果以上四個條件都成立，并保持了5 秒以上則判定線路L 接地。

3.2.4 報告查詢

當系統依據接地算法檢測出有線路接地時，系統會自動彈出“報告查詢”頁面通知值班人員接地情況，如圖9 所示。

圖9 故障定位監控中心報告查詢畫面

根據反復測試，可以通過CBZ -8000 后臺監控系統實現“小電流接地選線”功能。選線精確度可以鎖定在母線的任意一條出線。

4 仿真實驗

根據圖1，運用MATLAB 建立了中性點不接地的仿真模型［5］，仿真電路中各元件及參數分別為:電源10.5 kV、內部接線Y 形聯結、頻率50 Hz。仿真中選擇Line3 的A 相發生金屬性單相接地故障，發生時間為0.04 s 結束為0.1 s。仿真開始時間為0，終止時間為0.2 s，選擇算法為ode23tb，relative tolerance 為1e-3，其它參數為默認值［2］。在示波器中出現圖10、圖11 所示波形。

圖10 輸電線路零序電流波形

圖10 中依次為線路1、2、3 的零序電流(I10、I20、I30)波形。在0～0.04 s，線路正常運行，三相電流對稱，零序電流為0;0.04s 時3 條線路出現零序電流，三相電流不再對稱，線路3的零序電流幅值較大。在同一時刻對3 個零序電流經過采樣分析可知，線路3 與線路1、2 零序電流的極性相反，即I30 = -(I10 +I20)。通過比較零序電流的幅值，幅值最大的線路為故障線路，由此可判斷出，線路3 發生了故障。

圖11 故障線路零序電電流和零序電壓波形圖

圖11 中依次為線路3 的零序電電流和零序電壓波形圖，可以看出當發生A 相單相接地故障時，故障線路UO 超前IO的角度在90° + / -α 范圍內。判斷線路3 發生了故障。

圖12

由圖12 看出，故障發生后，A 相電流(Ia)急劇升高，A 相電壓(ua)減小，由此可判斷出是A 相發生故障。

5 結語

經過理論分析和MATLAB 仿真驗證提供依據，搭建通過CBZ-8000 后臺監控系統實驗，實現“小電流接地選線”功能，應用到實際工程中不僅能節省電纜敷設、設備配置等硬件設施成本，具有便于操作和監控等優點，同時，它的發展和推廣也順應了我國電力系統、尤其是變電站綜合自動化水平的發展潮流。

［1］ 華智明，楊期余. 電力系統［M］. 重慶:重慶大學出版社，2005.

［2］ 于群，曹娜. MATLAB/Simulink 電力系統建模與仿真［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［3］ 陳衍. 電力系統穩態分析［M］. 北京:中國電力出版社2007.04

［4］ CBZ8000 監控調試現場服務調試手冊［S］.

［5］ 李維波.MATLAB 在電氣工程中的應用實例［M］.北京:中國電力出版社，2009.