小電流接地系統單相接地故障選線方法研究

丁愛佳，鮑炫羽，季玲玲，江浩

（國網浙江義烏市供電公司，浙江義烏322000）

小電流接地系統單相接地故障選線方法研究

丁愛佳，鮑炫羽，季玲玲，江浩

（國網浙江義烏市供電公司，浙江義烏322000）

對于小電流接地系統單相接地故障，現有選線裝置在實際應用中效果并不理想，建議利用10 kV變電站現有保護裝置中的零序過流保護解決此問題。通過在10 kV中性點消弧線圈的基礎上并聯中電阻柜、對傳統選線邏輯加以修改、對整定值進行修正，從而實現單相接地故障時，通過線路零序過流保護發信的先后順序可靠選線，并給出驗證實例。

小電流接地；零序過流保護；選線邏輯

0 引言

據統計，中性點不接地系統中線路單相接地故障占總故障的80%，由于單相接地后線電壓依然對稱，因此規程規定允許繼續運行2 h，但需快速排除故障，以防接地點因電弧燒灼發展成相間故障。變電站雖然配置了接地選線裝置，但根據運行經驗，選線準確性都不高，最終多采用人工試拉選判。據小范圍統計，每次試拉線路在5條左右，因此增加了數量眾多用戶的短時停電。隨著10 kV出線電纜的增多，單相接地故障電流明顯增大，極易發展成相間接地短路故障，影響電網安全；同時，若處置不及時，甚至可能引發人員傷亡事件。因此，迅速、準確地判定故障線路，及時排除單相接地故障是電網運行監控的重要一環。

1 國內在研的幾種選線方法

1.1 有源法選線

該方法不采集系統中發生單相接地時的各個電氣量，而是利用單相接地時電壓下降的接地相，在故障相上施加高頻信號流，檢測出線故障相，通過信號流的通路來確定故障線路。該方法動作可靠靈敏，但是所施加的信號流的強度和頻率很難綜合考量，既要有足夠的強度可以被探測到，又要防止各出線間的相互感應；頻率既要避開工頻和諧波的干擾，又要防止高頻接地耦合時的較大衰減和竄入別的支路，同時該信號也可能干擾變電站其他通信設備的運行[1]。

1.2 首半波法選線

該方法通過記錄單相接地故障瞬間的暫態過程，利用故障相與非故障相首半波反向的特點來判別。由于消弧線圈是感性元件，在暫態過程中，其暫態電流可以忽略不計，故不受影響。首半波法靈敏度高，對任何單相接地故障反應迅速。但是對于暫態量的測量，需要互感器有良好的暫態特性，有高速A/D轉換和CPU性能。當只有2條線路運行時，需要其他判據來輔助選線，且較難捕捉首半波[2]。

2 利用零序過流告警選線

2.1 零序過流告警選線原理

10 kV出線正常運行時電容電流很小。當線路發生單相接地故障且無消弧線圈補償時，非故障線路上零序電流等于正常運行時線路對地電容電流，方向從母線指向線路；而故障線路的零序電流為所有線路正常運行時電容電流之和，大于任一條非故障線路的零序電流。因此，依據零序電流分量就可以準確判斷出故障線路。圖1所示為不接地系統零序電流分布情況。

圖1 不接地系統故障零序電流

規程規定，當零序電流超過30 A時必須投入消弧線圈，以抑制故障點的電弧發展，防止故障擴大，因此10 kV中性點的運行方式一般采用過補償。圖2所示為經消弧線圈接地系統零序電流分布情況。

圖2 經消弧線圈接地系統故障零序電流

另外，也可以根據電壓、電流向量對單相接地故障進行選線，接地故障發生時的故障出線電容電流流入，即零序電流滯后零序電壓90°；非故障線路零序電流流出，即零序電流超前零序電壓90°。以此作為判據，故障線路電壓、電流向量如圖3所示。該圖描述的是最簡單的單條線路在故障點k發生A相接地的情況，Uk0為故障點處的零序電壓，其值為[3]：

故障點處零序電流值為：

圖3 單相接地故障電壓、電流向量

2.2 零序過流整定計算

以往線路一般由架空線路構成，城區配電網由電力電纜構成，因此零序電流的計算公式較簡單。傳統的架空線路和電纜故障點處零序電流分別采用經驗公式（3）和（4）[4]進行計算：

式中：l為架空線路或電纜的長度；U為線電壓。

由于現在線路情況越來越復雜，單回線的分支線越來越多，所以準確確定單條出線的電容電流比較困難。但總系統電容電流應遠大于任意一條10 kV線路的電容電流，任何一條線路故障的電流均接近此數據。分析發現，各線路（含下屬分支）的長度基本上不超過同一段母線上主線路長度之和，故以主線路長度總和為系統電容電流整定測算基準值，可以躲過本線路本身電容電流，避免誤選，也可以確保動作的靈敏性。

另外，為了利用消弧線圈補償前的故障電流，必須確保在故障發生的瞬間盡快動作，因此一般考慮保護動作時間取0～0.5 s。

以某變電所為例，10 kVⅠ段母線上各出線主線電纜總長度為L1，架空線總長為L2，總電容電流為：

式中：S為電纜的截面積；Ue為線路額定線電壓。

零序保護電流整定計算：

考慮動作的靈敏度：k取1.5～3。

2.3 中性點對于零序過流選判影響分析

由于10 kV系統實際運行時，不存在中性點不接地運行方式，而只存在中性點經消弧線圈的運行方式，為了提高零序過流告警的靈敏度，對中性點經消弧線圈的運行方式作適當改進。圖4所示為改進后的中性點運行方式，其中L為消弧線圈，R為中電阻（一般設置在中電阻柜中），r為阻尼電阻。

圖4 中性點運行方式

當線路發生單相接地時，等效為線路對地電容C與中電阻柜和消弧線圈（及其串聯阻尼）并聯，等效電路圖如圖5所示。從電源UN看進去的等效電納為：

圖5 發生單相接地時的等效電路

進而得到RLC并聯諧振時的諧振頻率：

可見，諧振頻率ω與消弧線圈L、阻尼電阻r和線路對地電容有關，而與中電阻R無關。調節消弧線圈L和阻尼電阻r可以改變諧振頻率ω，從而有效避免接地諧振。設置中電阻R，在線路發生單相接地時可以向接地點提供有功功率，使接地點的電弧增益，提高零序過流告警的靈敏度。

2.4 零序過流告警選線邏輯

傳統接地故障選線選判邏輯見圖6，由于監測到的零序電流是經消弧線圈補償后的零序電流，判不動作選線失敗。對零序過流告警的選判邏輯進行修改（見圖7），并將零序電流告警時間整定為保護裝置的最小時間，該保護通過各出線間隔的外接電流互感器實時監測各出線的零序電流，一旦達到整定值以上，無延時發出告警。

圖6 傳統接地選線選判邏輯

圖7 零序過流告警選線邏輯

3 效果驗證

在改進前，發生單相接地時，只有10 kV母線和接地變的接地信號，只能通過逐條試拉的方法查找接地線路，如圖8（a）所示，可以看出，在實際工作中很費時。

改進之后，發生單相接地時零序過流保護能準確快速選出故障線路，只有故障線路零序告警信號上傳調度臺（如圖8（b）所示），調控員可快速試拉找出接地線路。

圖8 監控臺信號上傳情況

4 結語

通過對小電流接地系統零序過流選線邏輯和整定計算的修改實現了單相接地故障的快速選線功能，為調度運行人員提供了迅速有效的參考。由于不同廠家的保護邏輯修改難易程度不同，因此還需對零序過流告警功能制定標準化，以便于該方法的進步推廣。

[1]齊鄭，楊以涵.中性點非有效接地系統單相接地選線技術分析[J].電力系統自動化，2004，28（14）∶1-5.

[2]吳青軍，黃駕駕，劉東紅.零序過流保護在單相接地故障選線中的應用探討[J].浙江電力，2016，35（5）∶47-49.

[3]曹國臣，高宏慧.小電流接地系統兩點異相接地故障計算的新方法[J].電網技術，2005，29（5）∶72-75.

[4]單淵達.電能系統基礎[M].北京：機械工業出版社，2001.

[5]周戴明，王志亮，李康毅.小電流接地系統4TV接線極性判別方法[J].浙江電力，2016，35（1）∶27-30.

[6]張婷娟，王濤，黃鷹.智能變電站小電流接地選線裝置測試儀的研究與設計[J].東北電力大學學報，2016，36（1）∶13-17.

[7]張耘川，蘇宏升.小電流接地系統故障定位新方法[J].電力系統及其自動化學報，2015，27（2）∶32-38.

（本文編輯：方明霞）

Research on Single Phase-to-ground Fault Line Selection Methods in Small Current Grounding System

DING Aijia，BAO Xuanyu，JI Lingling，JIANG Hao
（State Grid Yiwu Power Supply Company，Yiwu Zhejiang 322000，China）

The application of existing line selection device is not ideal for single phase-to-ground fault in small current grounding system.Therefore，the paper suggests using zero-sequence overcurrent protection in protective device of 10 kV substations to solve the problem.By parallel connection of neutral resistance cabinet with 10 kV neutral arc suppression coil,correction of traditional line selection logic and settings modification，the fault line can be selected correctly in accordance to the messaging order of zero-sequence overcurrent protection of lines；in addition，the paper presents some verification cases.

small current grounding；zero-sequence overcurrent protection；line selection logic

10.19585/j.zjdl.201705003

1007-1881（2017）05-0008-04

TM77

A

2017-01-18

丁愛佳（1990），男，助理工程師，從事調控運行工作。