小電流接地選線裝置技術規(guī)范有關規(guī)定的探討

◎張振旗 劉長利 柴玲芳 胡紅垓

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小電流接地選線裝置技術規(guī)范有關規(guī)定的探討

◎張振旗 劉長利 柴玲芳 胡紅垓

本篇分析了電壓互感器鐵磁諧振、消弧線圈串聯(lián)諧振以及斷線時接地選線裝置的動作行為，認為后兩種情況不能列入虛幻接地范疇。對電壓信號發(fā)生器的容量、諧波含量、間歇接地的導通、關斷角，以及接地持續(xù)時間進行了探討。建議測試項目應標注量化指標，并規(guī)定試驗方法。

我國第一部小電流接地系統(tǒng)接地選線行業(yè)標準DL/T872-2004[1]于2004年3月發(fā)布，使接地選線裝置（以下簡稱裝置）的設計、制造、檢驗和應用有了依據(jù)，結束了無法可依的混亂時局面。國網(wǎng)和南網(wǎng)分別于2009 年11月、2012年9月又相繼發(fā)布了企業(yè)標準[2][3]，目前這3個文件均是有效文件。文[1][2]的內容大體相近，文[3]變動較大。

文[1]第5.2.2條規(guī)定，中性點不接地系統(tǒng)疊加鐵磁諧振不得誤動。該規(guī)定明確是針對中性點不接地系統(tǒng)，也沒有涉及消弧線圈接地系統(tǒng)在接近全補償狀態(tài)由于系統(tǒng)不對稱度上升而引起的電壓諧振。文[2]第3.7條以及文[3]第3.8條對鐵磁諧振的定義一樣：在小電流接地系統(tǒng)中，由于電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起的持續(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象，僅指電壓互感器。文[1]對小電流接地系統(tǒng)的定義中還包括了中性點經(jīng)消弧線圈接地及高阻接地系統(tǒng)，文[2]、[3]將鐵磁諧振從文[1]的中性點不接地方式擴展到小電流接地方式，用“電壓互感器等”不指名增加了電壓互感器之外的鐵磁諧振，延伸了文[1]的內容。文[2]第5.2.1條中規(guī)定了三種接地方式均疊加鐵磁諧振，裝置不應誤報、誤動。文[3]第5.15條a)中規(guī)定了測試系統(tǒng)諧振過電壓下的動作行為（估計表述的內容是在系統(tǒng)諧振過電壓下不應誤動——筆者注）。因為“系統(tǒng)諧振過電壓”涉及的內容不只是鐵磁諧振，還包括系統(tǒng)不平衡電壓引起的位移電壓越限。技術標準出現(xiàn)概念性條款，執(zhí)行起來就比較麻煩。眾所周知，中性點經(jīng)消弧線圈接地及高阻接地方式不可能會出現(xiàn)鐵磁諧振，文[1][2][3]均沒有給出如何模擬疊加鐵磁諧振的檢測電路。本篇對鐵磁諧振、消弧線圈諧振及斷線作了初步分析，提出應規(guī)定檢測電源的容量、擴展模擬間歇性弧光接地電壓導通角以及簡化電壓諧波規(guī)定的理由。

電壓互感器飽和出現(xiàn)的鐵磁諧振

眾所周知，鐵磁諧振是指鐵磁元件電感的非線性特征與系統(tǒng)相～地電容匹配后出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象，開口三角輸出類似單相接地的零序電壓，主要針對電磁式電壓互感器，教科書早有詳細論述，這里不再重復。因為系統(tǒng)沒有真正發(fā)生單相接地，所以也稱之為“虛幻接地”。當裝置利用零序電壓作為啟動量時會出現(xiàn)誤啟動，這就要求接地選線避開“虛幻接地”的誤區(qū)。對于中性點不接地系統(tǒng)，諧振時的三相電流不能通過大地（電壓互感器的接地點）返回到電源，或者說，零序電壓的起始點只能位于三角形之外的相電壓的延長線上[4]，滿足，沒有零序電流通過線路電流互感器，只有母線電壓互感器開口三角出線零序電壓，這就是電壓互感器鐵磁諧振的特征。由于接地選線判據(jù)不能缺少零序電流的參與，所以，裝置沒有接收到超過閾值的零序電流時不滿足選線條件，不會選出接地線路。當僅出現(xiàn)零序電壓、沒有零序電流時發(fā)出“虛幻接地”更直接了當?shù)臈l件文[5][6][7]認為需要另加防止措施，實際上沒有必要。文[1][2][3]規(guī)定了系統(tǒng)出現(xiàn)鐵磁諧振時不能誤動，如何模擬鐵磁諧振？又如何疊加在電壓回路？沒有檢測電路，顯然是一缺失。

消弧線圈接地系統(tǒng)中，消弧線圈的感抗XL只有數(shù)十到上百歐姆，電壓互感器的勵磁電抗XTV一般為數(shù)百千歐（系統(tǒng)用戶一般使用V-V接法，不會與變電站YO接法產(chǎn)生并聯(lián)效果，使總體等值電感下降），零序回路被消弧線圈短接，XTV的變化不會引起鐵磁諧振，即使隨調式消弧線圈，補償任務完成之后只是快速偏離諧振點，并不是徹底脫離母線，恢復到V=1。因此，規(guī)定在消弧線圈接地系統(tǒng)疊加鐵磁諧振試驗沒有必要。同樣道理，中性點經(jīng)高阻接地也不可能產(chǎn)生鐵磁諧振。

圖1，消弧線圈諧振過電壓等值電路

消弧線圈串聯(lián)諧振不屬于鐵磁諧振及虛幻接地范疇

文[5]第8.1.6條對消弧線圈的感抗作出規(guī)定：“電壓—電流特性曲線由零至設備最高電壓（）應為線性。”所以消弧線圈在工作的范圍內不存在飽和，不能列入文[2][3]所定義“鐵磁電感飽和作用”的范疇內。分析消弧線圈串聯(lián)諧振的等值電路如圖1所示，

線路斷線時裝置的動作行為

饋線斷線與消弧線圈諧振沒有本質區(qū)別。前者的特征是不平衡電壓集中在饋線的斷線處，后者是不平衡電壓集中在消弧線圈與母線之間。為突出斷線特征，假定母線上所有線路三相對地電容相等，各饋線沒有不平衡電流，設母線上有n回饋線，某饋線A相斷線（或開關缺相合閘），斷線饋線Fdc相～地電容C0及相間電容C12占系統(tǒng)對地電容的1/n，即、。其余饋線相～地及相間電容歸并于三相電容絕對平衡的饋線，各相相～地及相間電容為、，健全相B～C相間電容不起作，省略，如圖2（a)所示。

圖2， 線路斷線（或開關缺相）等值電路1

依據(jù)戴維南定理，p～q之間的開路電壓等于A相電勢，p點等于A相電位，p點左側等于消弧線圈電感L與的并聯(lián)，消弧線圈在過補位置，并聯(lián)后等值感抗點右側等于斷線區(qū)段相～地電容，通過地與消弧線圈串聯(lián)，將(a)簡化為(b)。取、，圖（b)化簡為圖(c)。計算出斷線饋線的零序電流：

再把圖2還原到圖3，與單相接地等值電路比較十分相似。除健全線路的等值電容與消弧線圈電感并聯(lián)外，還有斷線線路其它未斷線的兩相相～地電容。等值電勢串接在斷線回路中，經(jīng)斷線相～地電容接地。不難看出，斷線產(chǎn)生的零序電流特征與單相接地無本質區(qū)別，只是“接地”程度較輕，斷線線路越長，接地特征越明顯。接地選線應該發(fā)出接地信號，不宜歸屬“虛幻接地”范疇。

中性點不接地系統(tǒng)可將消弧線圈等值電感去掉，兩相斷線也可得出類似結論，讀者可自行分析。總之，斷線與“虛幻接地”有本質區(qū)別。

圖3，饋線斷線（缺相合閘）等值電路2

圖4，文采用的功能性能試驗電路

關于電壓信號發(fā)生器

電源容量。文[2][3]均采用了文[1]的圖A.1功能性能試驗電路，并規(guī)定了調整工作電壓的方法。見圖4。

當被試裝置額定電流為1A時，試驗電路的額定功耗是100VA，電壓信號發(fā)生器的容量如何配置沒有規(guī)定。計算和實測表明，金屬性接地出現(xiàn)首半波特征，產(chǎn)生300～3000Hz的衰減振蕩電流[9][10][11]，是系統(tǒng)電容與電感（電源+線路）搭配的結果。電容比0%時試驗電路的電容量，推算出產(chǎn)生3000Hz的暫態(tài)電流需要串聯(lián)電感量為

，工頻感抗為0.028Ω。對于固定容量的電壓信號發(fā)生器，其電感值近似取其短路阻抗（即漏抗），若電源變壓器的阻抗電壓按4%估算，推算出電壓信號發(fā)生器的最小容量應大于14.4kVA才行，這里稱作暫態(tài)容量，比電源穩(wěn)態(tài)容量大十數(shù)倍。當容量不夠（即內阻較大）時，振蕩頻率太低，不能產(chǎn)生行業(yè)認同的（或者規(guī)定的）首半波。建議規(guī)程對電壓信號發(fā)生器的容量應有明確規(guī)定，在調節(jié)電阻R0處增加可調電感，改變暫態(tài)電流的頻率，有針對性檢測接地選線的暫態(tài)特性。配合調節(jié)R0，也能將時間常數(shù)控制在合理的范圍，更加接近實際。

順便指出，使用市電升壓到10kV[12] [13]，在相～地接入高壓電容器模擬10kV線路單相接地，受升壓變壓器容量限制，試驗結果與運行情況可能相差較大。因為升壓變壓器在升壓的同時也提升了內阻，且與變比的平方成正比，希望與高壓電容器匹配出現(xiàn)具有接地特征的頻帶，以及實現(xiàn)瞬間擊穿、間歇電弧、過渡電阻接地特征，升壓變壓器的電感很小才行，實驗室用升壓電源變壓器不可能同時滿足穩(wěn)態(tài)容量和暫態(tài)容量。換句話說，不可能將變電站主變壓器移建到實驗室。因此，這種方式只能實現(xiàn)局部模，與實際運行狀態(tài)尚有較大差距。

諧波含量。文[2][3]采用了文[1]的規(guī)定，電壓信號發(fā)生器的諧波含量按表A.2取值，拷貝見圖5。與此同時，又規(guī)定了每半個周期的開通角為64.16°、關斷角為168.5°。文還增加了電壓初相角在90°、75°、60°30°和0°的測試。將導通角用富式級數(shù)展開，見表1.

圖5，文[1][2][3]諧波含量取值規(guī)定

表1，按文[1]、[2]、[3]規(guī)定的導通、關斷角計算出的諧波系數(shù)

表1看出，文[1][2][3]對實驗電壓諧波系數(shù)的規(guī)定（序號6、7）早已經(jīng)被規(guī)定的導通角/關斷角產(chǎn)生的諧波系數(shù)所覆蓋，起不到作用。電壓信號發(fā)生器可否改為單純的電源變壓器，以簡化試驗設備。

模擬間歇電弧接地的導通、關斷角。按照絕緣擊穿的理論，相～地閃絡通常發(fā)生在相電壓接近最大值的瞬間，文[1][2][3]將擊穿時刻限定在0～90°上升段。外力因素與絕緣降低擊穿可能有所區(qū)別。結合配網(wǎng)接地定位，重合閘投入之后，接地時刻與電壓相位角對應的不確定性更為增加。如果將下降段90～180°也包括進去，例如按開通角取0°、45°、135°，關斷角取180°，檢測面更寬，且不需要增加更多的檢測次數(shù)。

關于接地故障點的位置

非有效接地系統(tǒng)的零序阻抗比正、負序阻抗大2～3個數(shù)量級，接地點的位置只對正、負序阻抗有影響，略去正、負序阻抗也是規(guī)定的計算電容電流的方法[5]。因此，認為指定的配網(wǎng)系統(tǒng)零序阻抗處處相等，即本系統(tǒng)任一線路上任一點的電容電流處處相等。其實，過分精確也沒有用。文[5]中的第3.2、3.3條的定義就表明了這一點。文[3]規(guī)定了檢測接地點線路首端、末端、中端的動作行為，實際上可以省略。

關于線路的類型

文[1]用最大電容比50%等值了長線，最小電容比0%等值短線，既包括了架空線、電纜線也包括了長線、斷線。文[3]規(guī)定檢測“故障在架空線、電纜，長線、短線的動作行為；”沒有用量化指標限定何種檢測方式等值“架空線”、“電纜線”、“長線”以及“短線”？希望在技術規(guī)范中看到清晰的定義表述。

接地持續(xù)時間

文[1][2][3]對動作時間有不同的規(guī)定，摘錄見表2

表2，技術規(guī)范對接地故障持續(xù)時間的規(guī)定

文[1]規(guī)定接地故障最大持續(xù)時間不超過0.2s時，換句話說，持續(xù)時間為0.2s+Δt才能選線準確就是不合格，但沒有給出最小持續(xù)時間。從反面理解就是接地故障持續(xù)時間為0.2s-Δt時，可以選出，也允許選不出來，不作為檢測標準。這樣，試驗的標準就是設定0.2s的故障時間，選線裝置正確動作，試驗通過。文[2]規(guī)定接地故障最小持續(xù)時間0.2s，最大持續(xù)時間沒有限制，也就是說0.2s視為合格，0.2s+Δt就是不合格，檢驗標準與文[1]一樣。文[3]規(guī)定不大于3s，就是說3s必須選出，但允許3s-Δt選不出來。文[3]對速動性要求低于[1][2]，可能會漏掉某些瞬時接地。不管是瞬時性還是永久性接地故障，接地就是反應出線路絕緣失效，自然是越快越好，也是選線的最終目的。另外，沒有定義“瞬時”的時間標定，如果將持續(xù)幾個周波與幾個小時均歸類瞬時性接地，恐怕很難接受，應該有所區(qū)別。

綜上所述，電磁電壓互感器僅在中性點不接地系統(tǒng)可能出現(xiàn)鐵磁諧振，不具備產(chǎn)生零序電流的條件，而在消弧線圈及高阻接地系統(tǒng)不會出現(xiàn)，不需要專門措施閉鎖裝置；技術規(guī)范應規(guī)定疊加鐵磁諧振的檢測電路；消弧線圈串聯(lián)諧振以及線路斷線產(chǎn)生的零序電流，與單相接地無本質的區(qū)別，接地選線均應動作，不宜作為“虛幻接地”處理；技術規(guī)范應規(guī)定電壓信號發(fā)生器的最小容量，模擬間歇電弧的導通角從0～180°范圍抽樣更具有普遍性；接地故障特征與接地故障點的位置沒有關系，建議省略；按電容比檢測裝置的性能比“架空線”“電纜線”“長線”“短線”容易操作；選線所用時間越短越好，因為單相接地故障絕大部分是瞬間接地且能自行清除，永久性接地極少極少，若規(guī)定的接地最大持續(xù)時間太長容易掩蓋瞬間接地故障漏選的缺陷。

（作者單位：珠海威瀚科技發(fā)展有限公司）