配電線路單相接地行波保護方案研究

賈智勇

中鋼集團天澄環保科技股份有限公司，湖北 武漢 430000

0 引言

當配電網或輸電過程中的相關線路發生單相接地異常時，電流只能采用流經電容的方式進行電力傳輸，此種供配電行為不僅無法滿足社會群體對電力資源的需求，也無法保障供配電過程中的服務質量。為了解決接地線路的故障問題，有必要及時對發生故障的配電線路進行定位，根據定位得到的線路，進行故障的針對性處理。在此過程中，由于接地線路異常，導致故障電流較微弱，為后期處理工作帶來困難。盡管出現接地異常后，前端無須采用斷電的方式進行線路檢修，但考慮到此種異常屬于一種故障狀態，因此，應當及時采取有效的行為與措施對故障位置進行識別與處理。倘若忽視了由于接地線路異常造成的電流故障，后續的配電工作極易受到電壓持續升高的影響，出現設備絕緣擊穿的現象，嚴重情況下甚至會出現線路相間異常等衍生故障。

1 配電線路單相接地行波保護方案

1.1 判斷配電線路單相接地行波異常

引進極性比較原理，對配電線路單相接地行波異常進行判斷，在此過程，需要比較突發故障時的初始化行波電流與電壓行波兩者之間的極性關系。當兩者的極性關系呈現一種反向狀態時，可以判定此時電路存在正方向故障；當兩者的極性關系相同時，可以判定此時電路存在反方向故障。將該理論引入配電網線路中，為了簡化極性關系的計算過程，可假定在電網中的所有輸電線路抗阻相同。在此情況下，無論線路中任何一根饋線發生異常，均可得到如下計算表達式：

式中：iF為配電線路突發故障時的初始化行波電流；iN為無故障現象配電線路的初始化行波電流；uM為母線位置的電壓行波；n為母線饋線數量；ur為配電線路突發故障時的電壓入射值；Z為阻抗。

由此可知，當配電線路單相接地出現故障時，可以直接通過獲取故障行波的方式進行故障識別與判斷。

1.2 設計保護插件結構

在識別到配電線路的行波異常后，可采用在電路中集成保護插件的方式，進行線路中供電設備的保護，避免由于電路或短路造成的供電異常與電力設備損壞。其中，保護插件的結構由高速A/D開關、雙口RAM配置、濾波調控器、模擬開關、繼電芯片等構成。當前端識別到線路行波異常時，零序電流與阻抗對應的電壓信號將通過截止頻率的傳輸信道，進入濾波電路調控通道中，此時模擬開關將根據信號的采樣頻率，進行導入信息的調控[1]。通常情況下，信號的采樣頻率為500～800 kHz，為了滿足實際保護需求，可設定A/D轉換的頻率為1 MHz，采樣后的行波數據將被存儲到RAM配置空間內，雙口結構進行數據信息的循環處理，并實時更新最新獲取的8 ms數據，上述過程均是在CPLD芯片控制下實施的。

為了進一步滿足高效保護需求，行波信號處理回路采用一個DSP芯片進行控制，此時芯片將從RAM存儲空間內進行采樣數據的錄入。假定錄入的結果判定行波滿足配電線路保護需求，行波模塊將通過總線線路，進行前端通信程序的驅動，以此便可以實現對配電線路中電氣設備的運行保護。

1.3 基于小波轉換理論的保護動作邏輯規劃

在完成上述相關工作的基礎上，引進小波轉換理論，對保護動作進行邏輯規劃。在此過程中，將CPLD芯片與終端控制設備進行對接，使用VHDL語言進行邏輯時序的調控。當前端啟動邏輯算法后，控制端將自動獲取配電線路的三相電壓值和電流值，將獲取的數據進行小波項模轉換，轉換過程中，可將前端獲取的初始化零序電流表示為I0，將行波對應的零序電壓表示為U0。對比I0與U0，提取變換過程中模量的極大值[2-3]。將極大值作為極性關系分析的依據，判斷極性是否為相反狀態。當識別到I0與U0的極性相序相反時，繼續判斷工頻電壓是否在運行過程中超過閾值。當判斷結果顯示電壓超過閾值后，繼續按照此步驟進行任意相電流是否超過閾值的判斷。當確定配電線路單相接地行波存在故障現象或運行中的異常狀態時，啟動保護插件裝置，并觸發前端異常報警，以此種方式，實現對行波的保護。

2 保護方案的應用效果

文章設計了一種針對配電線路單相接地的行波保護方案，為了判斷設計的方案在實際應用中可以及時根據異常行為發出預警，設計了如下應用試驗。

試驗前，選擇一個配電結構中輻射供電形態的配電網，配電網內的中性點供電方式為單相接地運行方式，線路運行時，短路異常的最高容量為125.5 MVA，其中母線的短路運行電流為5.780 kA，選擇的配電網中共含有5個母線出線，對應的線路型號及其在配電網中的長度描述如表1所示。

根據表1，繪制試驗過程中配電網的線路結構圖，如圖1所示。

圖1 配電線路單相接地線路結構圖

在圖1接地線路結構的基礎上，為了驗證所提保護方案能夠實現對接電線路的行波保護，人為設置多個線路故障節點。其中，故障節點Ⅰ為L2線路上，距離母線長度約2.455 km位置上出現了120 Ω電阻接地故障；故障節點Ⅱ為在L3線路上，距離母線長度為0.583 km位置上出現了單相接地故障問題；故障節點Ⅲ為在L5限流上，距離母線長度為2.241 km位置上出現了單相接地故障問題。已知該線路的大地電阻率為120 Ω/km，設置試驗過程中的運行時長為25 ms，最大弧垂長度為1.25 m。在上述應用條件下，配電線路單相接地線路開始運行，并引入所提保護方案。將3種故障問題發生時保護方案的具體操作情況進行記錄，如表2所示。

表2 保護方案應用情況記錄

從表2可以看出，所提保護方案能夠實現對線路故障問題的跳閘及報警，并且跳閘的響應時間用于報警信號的傳輸速率均能夠滿足配電線路的安全、穩定運行需要。因此，結合上述保護方案的應用效果分析得出，將該保護方案應用到真實的配電站中，通過對線路零序電壓的判據，可實現對其配電線路的全方位保護，并在發生故障問題時，第一時間給出正確的判斷及解決策略。

3 結論

電力產業是支撐我國市場經濟可持續建設的支柱型產業，在產業發展的數十年內，相關線路接地的保護問題一直是困擾技術研究學者的重點問題。為了解決接地保護工作中存在的問題，文章開展了配電線路單相接地行波保護方案的設計研究，并在完成設計后，對保護方案的應用效果進行分析，得出如下結論：所提保護方案應用到真實的配電站中，通過對線路零序電壓的判斷，可實現對其配電線路的全方位保護，從而提高配電線路運行的安全性與穩定性。