基于柔性接地的配網故障選線及類型判別

劉小江，廖文龍，范松海，龔奕宇

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都 610072)

我國配電網普遍采用小電流接地方式。小電流接地系統的優點是供電可靠性高，在單相接地故障情況下仍可帶負荷運行，缺點是故障相選相/線不準[1-2]、故障類型難以判斷，對于大容量配網系統，小電流接地系統還存在電容電流過大而難以熄弧的問題[3]。國內外普遍采用中性點加裝消弧線圈的方式熄滅電弧[4]，但隨著電纜長度的不斷增大，系統對地電容電流不斷增加，消弧線圈容量和采購成本不斷增加，甚至出現選型困難。此外，隨著城市電纜的大規模使用，配網系統電容越來越大，以及系統中諧波電流的增大和接地點過渡電阻的影響，通過單相接地故障的電流除容性電流外還存在諧波電流和阻性電流，而消弧線圈無法補償通過故障點的諧波電流和阻性電流，使得消弧線圈在有效處理臨時性單相接地故障方面能力不足，而對永久性單相接地故障消弧線圈則完全無能為力，這些問題嚴重威脅到了配電網的安全運行。因此，急需開展對新型單相接地故障處理技術的研究。

近年來，配網故障選線一直是國內學者的研究熱點，主要有信號注入法[5-6]和故障信號分析法[7-9]，前者需要在站內安裝相應設備，并且易受線路參數影響，后者信號分析方法復雜，實用性較差。針對小電流接地系統故障選線不準、電容電流過大導致不能熄弧、故障類型難以判斷等關鍵問題[10-11]，提出配網柔性接地技術。該技術在小電流接地系統的中性點與地之間串接一套核心部件為可控硅的裝置，單相接地故障發生后，系統檢測到母線電壓變化，判斷配電網發生單接地故障，隨即中性點可控硅接通與地的連接，小電流接地系統在短時間內切換為大電流接地模式，安裝在各10 kV出線的電壓和電流監測裝置檢測到故障線路大電流信號，準確完成故障選線。選線成功后，位于母線上的可控硅裝置接通故障相與地之間的連接，故障點對地電容電流轉移至站內，通過母線實現可靠接地，徹底消除故障點弧光接地帶來的系統過電壓威脅。最后通過控制母線上轉移接地開關，區分單相接地故障類型。

1 配網柔性接地基本原理

1.1 脈沖電流選線

中性點非有效接地系統單相接地故障線路難以識別的原因是因為接地電流太小，而接地電流太小是由于中性點非有效接地。如果能夠在一段時間間隔內讓中性點有效接地，則在該時間間隔內將有大的接地電流出現，這樣故障支路會因此大電流而容易被識別出來。由于可以控制時間間隔的大小，這樣就可以產生一個大到易于識別但又不引起系統不良反應的故障電流，稱這種方案為脈沖電流選線。當中性點非有效接地系統發生單相接地后，接于系統中性點與地之間的可控硅在其兩端電壓過零點附近使中性點與地之間瞬時短路，以產生一短路脈沖電流。該脈沖電流絕大部分流經接地線路接地相后于接地點入地，脈沖電流識別器通過對各出線識別該脈沖電流以實現接地線路的判定。脈沖選線系統示意圖見圖1。

圖1 脈沖選線系統示意圖

1.2 容性電流轉移消弧

容性電流轉移技術原理見圖2。當發生單相接地故障，系統完成脈沖選線后，發出閉合軟開關觸點消弧裝置上對應相開關(K1或K2或K3)的信號，故障相系統對地電容通過金屬電阻R接地放電。由于R的限流作用，可以有效抑制弧光過電壓峰值合閘產生的放電電流的峰值和頻率。另外，通過對R電流的檢測可以判斷出K1，K2，K3的動作是否正確：如若通過R的電流大于系統電容電流，可判定K1，K2，K3的動作有誤，令其分開后重新判定；如若R的電流小于系統電容電流，則K4閉合，通過單相接地故障點的容性電流轉移至消弧裝置的開關上，完成對故障點和弧光過電壓的保護。配網柔性接地技術流程圖見圖3。

圖2 容性電流轉移技術原理圖

圖3 配網柔性接地技術流程圖

1.3 故障類型識別

故障類型識別主要是判斷是臨時性故障還是永久性故障。當配電網系統發生單相接地故障時，系統的零序電壓由于接地阻抗的差別會上升到一定的范圍內，控制系統依據判據判斷是否是單相接地故障。若控制系統確認為單相接地故障，控制器首先發出選線指令，發出脈沖電流，選線完成后立即啟動消弧線圈和軟開關觸點消弧。故障相軟開關接地觸點閉合，對故障點進行保護，同時消除可能發生的弧光過電壓。隨著調式消弧線圈啟動，將電流從接地相接地觸點轉移到了消弧線圈內。打開故障相軟開關接地觸點，判斷是瞬時性接地故障還是臨時性或永久性接地故障，如果接地故障消除，可判定為瞬時性單相接地故障，記錄發生接地故障的支路和故障相，系統恢復正常運行；如果接地故障重現，判定為永久性接地故障。對于臨時性接地故障還是永久性接地故障的區分，還需要通過對瞬態電壓在線監測到的數據的實時分析來加以判定，如果故障相電壓逐步趨于穩定在一個較高的數值可以判定為臨時性接地故障，有可能通過控制流過故障點的電流和時間來安全地清除故障點，恢復系統正常運行；如果故障相電壓穩定，無高頻分量，并且趨穩于一個較低的數值，故障點很可能是固體絕緣的對地絕緣破壞，應盡快閉合故障相接地觸點，防止發生事故擴大化，并可以在單相接地供電模式下繼續安全供電2 h。如果暫態電壓在線監測發現持續性弧光過電壓也必須快速閉合故障相接地觸點。

2 仿真分析

以某供電公司某10 kV配網為例，該配電網共有5條10 kV出線，線路長度2～10 km，10 kV系統采用中性點不接地方式運行，系統電容電流約為94 A。在PSCAD仿真程序中建立仿真模型(見圖4)，分析配網柔性接地技術的有效性。

圖4 柔性接地配網仿真模型

假設線路1在線路末端發生單相金屬性接地，考慮到現場實際情況，設置接地電阻值為5 Ω。仿真得到所有10 kV出線的零序電流如圖5所示。單相接地發生時間為0.06 s，站內10 kV中性點在零電壓為零時刻0.906 s短暫直接接地0.010 s，產生脈沖電流。由圖5可見，故障線路1出線零序電流產生一明顯電流脈沖，其幅值遠大于其他非故障線路，通過零電流波形曲線可準確實現單相故障選線。

圖5 各出線脈沖選線電流波形

在0.205 s，母線故障相A相對地電壓為零時刻，閉合轉移接地開關，A相直接接地，得到故障點和轉移接地點電流如圖6所示。由圖6可見，在轉移接地開關閉合后，故障點電流最大值明顯降低，由此前的0.131 kA減少為0.092 kA，減少30.0%。若故障點更靠近變電站出線，則減少幅度將更加明顯。

圖6 容性電流轉移電流曲線

3 結語

(1)由于脈沖電流特征可控，使脈沖電流在不同接地電阻的情況下都能保持足夠大的強度以被檢測到，這使得短路脈沖電流有別于其他干擾信號而使選線準確度大為提高。

(2)故障點容性電流轉移消弧技術能夠有效地轉移現場故障點的電流，根據故障點位置不同，可使故障點電流幅值出現不程度的降低，避免故障點出現弧光接地過電壓，穩定系統的過電壓水平。

(3)通過合理的控制邏輯和綜合判別方法，實現了單相臨時性接地和永久性接地故障的準確判別，對配網的安全穩定運行有重要參考作用。

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