小電流接地選線綜述

劉仕萍 劉前進 石穎

摘要：我國中低壓（3～66kV）配電網多采用中性點不接地和經消弧線圈接地的兩種小電流接地系統。文章首先分析小電流接地故障選線檢測與保護的難點，然后從小電流接地選線方法、小電流接地選線裝置、測試方法及檢測技術標準這4個方面對小電流接地選線的研究發展做出介紹，最后對小電流選線技術進行展望。

Abstract： In China， medium and low voltage （3～66kV） distribution network mostly adopts two small current grounding methods in which the neutral point is not grounded and the arc suppression coil is grounded. This paper first analyses the difficulties of detection and protection of fault line selection for small current grounding， then introduces the research and development of fault line selection for small current grounding from four aspects： the method of fault line selection， the small current grounded fault line selection device， the method of simulation and the technical standard for testing. At last， the technology of fault line selection for small current grounding is prospected.

關鍵詞：配電網;小電流接地系統;故障選線;小電流接地選線裝置

Key words： distribution network;small current grounding system;fault line selection;the small current grounded fault line selection device

中圖分類號：TM862 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0190-03

0 ?引言

電力系統中性點接地方式的研究，具有綜合性與技術性，并與繼電保護、過電壓保護、供電可靠性、人身和設備安全及絕緣水平等多個方面存在著密切聯系[1-2]。在我國中低壓（3～66kV）配電網中，常采用中性點不接地、中性點經消弧線圈接地和中性點經高阻接地這3種小電流接地方式[3]。小電流系統發生單相接地故障時，由于線電壓依然三相對稱，可帶電供應1～2小時，保證了供電可靠性。在故障多發的配電網中，單相接地故障占80%[4]，若未能及時處理單相故障，對地相電壓升高，并且電弧現象會導致非故障相的最高暫態電壓提升了2倍，這樣易造成相間短路，導致電網事故擴大，對供電可靠性產生影響。近年來，在10kV配電網中由于故障接地或線路斷線造成人員傷亡事故發生。中低壓配電網控制保護目標有2方面要求：提高供電可靠性和保護人身安全。因此，小電流選線裝置的規范設計和入網穩定運行對提高電力系統運行自動化水平、消除人身安全隱患和避免接地過電壓造成事故擴大有著十分重要的意義。

1 ?小電流接地故障選線檢測與保護的難點

①故障電流小：在這類電網發生單相接地故障時，流經故障點的電容電流其數值一般不超過20～30A（故該類電網也被稱小接地電流電網）。尤其在諧振接地系統中，因為消弧線圈對故障點電容電流的補償作用，故障線路的電流變化甚至小于非故障線路的變化。經過電流互感器將零序電流變換至二次側，故障信號相比負荷電流是很小的。

②故障信號提取不易：考慮到配網接地方式、過渡電阻及電弧故障的影響，目前小電流接地選線裝置多采用暫態量比較法選線，但由于暫態信號衰減速度較快，則要求選線裝置的采樣率精度較高。

③故障電弧不穩定：在單相接地中弧光接地發生的概率較高，故障點電流不穩定，并且弧光接地持續時間過長容易導致故障點燒熔發展成金屬性接地，影響了一些選線方法的正確選線。

④配網結構的影響：配電網的運行方式不斷變化，結構復雜，配網變電站線路的長度和數目是隨著電網需求變化的。并且配網電壓等級不同及接地電阻的大小都會影響電流不穩定。

2 ?小電流單相接地故障電網特征

小電流系統單相接地故障基本特征有：中性點不接地系統中發生單相接地故障時線電壓依舊保持對稱，零序電壓與故障相的系統中性點電壓等值反向，非故障線路的零序電流的大小和方向與系統正常運行情況下對地電容電流值一致，故障線路的零序電流其數值等于全系統非故障線路對地電容電流之和，電容性無功功率方向是由線路流向母線，極性與非故障線路相反。中性點不接地系統具有結構簡單，經濟運行，供電可靠性高等優點;也存在絕緣性要求高，設備在惡劣環境中易被擊穿等缺點。該種接地方式適用于35kV以下的中低壓配網。在諧振接地系統中，由于消弧線圈的過補償作用，故障饋線零序電流的幅值和相位均發生改變，使得系統的工頻量失去了基本的故障特征。由于暫態電流不受消弧線圈的影響，在故障發生初級階段經消弧線圈接地系統和中性點不接地系統的暫態過程可近似認為一致，并且弧光接地和間歇性接地暫態分量更豐富，暫態法選線成為小電流接地故障選線技術中發展的新方向。小電流接地系統中電流分布方向如圖1所示。

3 ?小電流接地選線的研究發展

3.1 小電流接地選線方法

不同國家因為環境和歷史的差異有著不同的配電網中性點接地方式。目前，各國有以下這幾種接地方式作為主流：英國、美國主要采用有效接地方式;俄羅斯與日本主要采用非有效接地方式;法國接地方式實現了從有效接地到經消弧線圈接地的有效方式的過渡;德國主要采用中性點經消弧線圈接地方式;芬蘭采用中性點不接地方式和經消弧線圈接地方式所占比例為80%和20%;中國主要采用中性點不接地及經消弧線圈方式。針對不同的中性點接地方式，在處理小電流系統單相接地故障的過程，國內外會采取相似的處理方式進行選線來隔離故障。因此，為了隔離小電流接地系統單相故障，不同國家在小電流接地選線算法的發展也是相同的。其中，選線方法可根據信號方式的不同分類為被動式和主動式選線方法，被動式的選線方法又可分類為基于穩態信號的選線方法和基于暫態信號的選線方法。主動式選線方法有中電阻法、S注入法和殘留增量法等[5-6]，可根據交變的電信號來確定故障線路。

穩態選線法的選線依據是：當發生接地故障后系統進入穩態狀態，根據故障和非故障支路中零序電流電壓的幅值、方向的不同進行選線。面對的核心問題是需要綜合考慮并分析配網中各條故障與非故障支路的不同特征，以此準確的判別出二者。穩態選線法的主要選線方法有群體比幅比相法、諧波法分析法、零序導納法及零序功率方向法等。然而，暫態選線法的主要思想：通過信號處理工具分析配網發生單相接地故障后系統流經的暫態零序電流量，根據制定的相應判據方法選擇故障支路，并且選線結果的正確與否關鍵點在于相應故障特征判據的制定。暫態選線法的主要選線方法有首半波法、能量法、有功功率法及小波法等[7-8]。

目前，使用單一的選線方法無法適應復雜的配網情況，融合選線方法的提出可解決這一難題。融合選線方法有模糊集理論、D-S證據理論、神經網絡及粗糙集理論等方法。此類方法可為每類選線判據界定有效域，即每類選線算法在界定的有效域區間選線正確率為100%，在非有效域區間得出的選線結果則需要乘以一定的權重系數，通過利用信息融合的思想結合多種選線判據，可在選線準確度方面有一定的提升。

3.2 小電流接地選線裝置

小電流接地選線裝置適用于小電流接地系統，當發生故障時應能及時選擇故障線路，還應具備跳閘功能，能在給定時限內迅速隔離故障，節約人力。長期以來，人們致力于研發出多種檢測方法及選線裝置，但選線裝置運用于實際工程的效果不夠理想，有原理上的缺陷、硬件平臺設計上的不足，甚至是因為沒有將其作為繼電保護裝置來對待，產品的設計、生產工藝和售后服務等都未引起足夠的重視。這些因素都直接或間接的導致了該類產品的質量不佳。因此，需要為小電流接地選線裝置制定統一的運行管理和檢測技術標準，選線裝置從生產到投入電網運行時都需要進行全面檢測，保證裝置的實際工程效果。

近15年來，隨著電力電子技術的發展，選線理論及硬件處理器都得到了較大的改進。目前，大多數小電流選線裝置都選取微控制處理器作為核心，具有集成度高并且經濟性的優點，在國內外市場得到了廣泛應用。考慮到單CPU綜合性能較差，當前許多廠家都采用“DSP +單片機”或“DSP+ARM”的雙CPU配置，在控制和高速處理復雜選線算法方面都得到了較大的提升，也是現在選線裝置的一種發展趨勢。考慮到不同國家的接地方式不同，并且電氣裝置的技術規范和使用標準不同，設備的引進和使用需明確配網的環境。

根據相關數據統計可知，2017年前南方電網投入現場運行的小電流選線裝置，其裝置選線準確率不超過70%。通過現場運行發現選線裝置存在如下問題：①選線裝置應與重合閘配合使用，但當小電流系統發生永久性接地故障時，裝置選線跳閘成功后重合閘于永久性故障，選線裝置仍舊需要根據選線算法再次進行故障選線運算，并經過設定延時才能切除故障，不能夠及時切除故障;②當配網系統發生高阻接地故障時，由于故障特征量微弱選線裝置一般未能啟動選線切除故障，此時仍舊采用獨立輪切裝置配合或人工拉路法處理，大大增加了故障切除時間和運行人員工作量。因此，根據上述配電網的實際運行需求，針對小電流接地選線裝置選線準確率較低、功能不完善等問題，選線裝置的選線功能有待進一步優化與完善。為此，南方電網設計了一種新型小電流接地選線裝置設計方案，方案中新增設輪切和后加速功能，確保選線裝置在各種類型接地故障工況下都應該快速選出并切除故障線路，保證供電可靠性和人身安全。其中：后加速功能可使選線裝置在線路重合閘于永久性故障情況下加速跳閘，迅速切除故障，大大縮短了故障線路切除時間;輪切功能適用于跳閘選線失敗或高阻接地故障工況，當故障發生接地選線裝置未能正確選線跳閘時應啟動輪切功能輪流切線直至切除故障線路，具有智能化、快速性及節省人力等優點。

3.3 小電流接地選線裝置測試方法

目前，檢測可靠性最高的是現場試驗，將小電流接地選線裝置接入配網運行，人為設置接地故障，但現場試驗故障模擬規模會受到限制，并且可能引發人身安全隱患。配網靜態模擬系統也可用來搭建配網模型模擬故障環境，可對選線裝置硬件及軟件進行驗證，但該種測試方式系統結構難以二次調整，運行效率低，且構造的配網模擬不夠精確。此外，設備出廠時也會通過專用的信號發生器或繼電保護儀器等進行一系列測試，信號發生器等設備可按設定輸出模擬的故障電壓電流信號，對選線裝置進行功能設置，但該類檢測手段只能對故障穩態過程進行模擬，無法模擬暫態信號，不利于根據暫態法進行選線的裝置檢測。以上這幾類測試在配網故障環境模擬準確性、安全性等方面都不能得到滿足。

為解決上述問題，可通過MATLAB、EMTP/ATP、PSCAD、RTDS等電磁暫態仿真進行模擬配網結構及發生單相接地故障的實際運行工況。相比于動模測試及入網試驗，使用仿真軟件能夠更為靈活的進行各類參數設置，較為全面地模擬配網故障場景。其中，MATLAB、EMTP/ATP、PSCAD等仿真軟件僅可通過模擬故障信號對各類選線算法進行驗證，無法和選線裝置直接連接構成閉環仿真測試系統，不能實時顯示仿真運行狀態。然而，RTDS（Real Time Digital Simulation）仿真系統具有實時、閉環、連續及數字仿真的優勢，取代了傳統動模測試，可與控制保護裝置進行閉環連接進行功能性測試，并且能夠詳細地記錄測試仿真波形。利用RTDS系統測試小電流接地選線裝置性能是一種比較靈活、經濟、可靠性較高的測試方法[9-10]。

3.4 小電流接地選線裝置檢測技術標準

從上世紀80年代小電流接地選線裝置的研發成功，投入運行后因為設備選線成功率不高、選線方法單一、設備運維檢修不當、零序CT精度不夠等缺點導致其紛紛退出市場。存在問題的根本原因主要在于小電流選線裝置缺乏統一的運行管理和檢測技術標準規范，因此小電流接地選線的檢測標準統一規范是十分重要的。目前，國家電網與南方電網針對采購的小電流接地選線裝置相繼提出相應的檢測技術標準，選線裝置需要通過檢測測試才能入網運行。

接地選線裝置入網前必須經過統一全面的入網檢測，測試方式可包含動態模擬測試、靜態模擬性能檢驗、電磁兼容性檢驗及通信項目檢測這4個方面，應用相關規范性引用文件。一方面確保了小電流接地選線裝置的產品質量滿足入網要求，另一方面能夠逐步提高選線成功率，能夠保證接地選線裝置準確快速地切除故障，減輕運行人員的工作壓力。

4 ?總結與展望

文章從小電流接地選線方法、小電流接地選線裝置、測試方法及檢測技術標準這4個方面對小電流接地選線的研究發展做出介紹。然而要實現小電流選線裝置能夠做到100%正確切除故障，依然存在許多地方需要進一步研究和完善，比如有：

①小電流選線裝置零序電壓定值整定：選線裝置主要通過零序電壓定值設定來判斷是否發生故障接地。目前零序電壓門檻較多設置為30V，但實際情況證明該值難以滿足新的運行需求。有文獻提及零序電壓最小可按5%的額定電壓，系統上設計即難以滿足，實際運行數據也證明：不接地或經消弧線圈接地系統正常運行情況下，超10V情況不少;消弧線圈接地運行方式下，極端情況出現零序電壓為15.38V的情況。因此，零序電壓定值的設定如何能在靈敏與可靠之間取得平衡，或者采用其他靈敏可靠的判據來判定故障啟動裝置。

②更靈敏、可靠的故障檢測技術研究：關于小電流系統發生高阻接地故障的理論研究有待進一步深入。并且隨著電力系統的發展，分布式電源的引入、各種電力電子負載的影響及配網的復雜化也會影響選線裝置的準確率，研究出更為靈敏、可靠的故障檢測技術是十分需要的。

③特殊故障處理方案的提出和實現：雖然仿真模擬可以模擬配網的實際運行工況，但實際電網發生的故障是無規律和不可預測的，故障現場的實際環境也更為惡劣。針對特殊故障，需要有特殊處理方案。比如說間歇性故障，可采用啟動返回延時展寬法、定間隔統計法及等效熱模型累計法等方法。各種處理方法都存在一定的優點與缺點，還需進一步積累運行經驗，深入研究。因間歇性故障特殊，與重合閘配合關系復雜。如存在間歇時間大于重合閘充電時間的情形，則需特殊考慮。

小電流接地選線裝置的投入運行是為了保證電網可靠運行和人身安全，因此，隨著配網的發展，選線裝置的研究需要進一步深入，選線保護檢測也更應該從人身安全方面考慮。

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