X-B9000小電流選線裝置基于10kV中性點不接地系統應用研究

兗州煤業榆林能化有限公司 伊永臣

X-B9000型小電流選線裝置在10kV中性點不接地系統發生單相接地故障時，小電流選線裝置自動捕捉到故障時的零序電壓、零序電流的暫態突變量，利用接地故障發生初期暫態量是穩態量的幾倍到幾十倍的特點，從捕捉暫態量的角度出發，裝置捕捉到暫態量后自動計算和分析，并從中選擇暫態量最集中的特征頻帶，利用特征頻帶內暫態零序分量在故障線路與非故障線路中最明顯的幅值和相位差來實現精準選線[1]。

1 項目實施背景

1.1 選線技術應用現狀

中性點不接地系統，單相接地故障對系統運行、設備安全及人身造成威脅，容易引發事故。但是大部分接地故障信號量小，受互感器和測量誤差、消弧線圈補償、接地電阻和故障類型等影響，接地選線非常困難。基于故障信號穩態分量，信號量小、可靠性差，保護裝置又不能反應單相接地故障，傳統選線裝置正確率較低。

1.2 選線原理比較

X-B9000型小電流選線裝置所采用的“自適應特征頻帶的暫態量選線法”超越了傳統的“穩態量選線法”和“首半波暫態量選線法”，除具有跟“注入法”和“殘流增量法”一樣不受系統運行情況影響的全部優點以外，不再需要增加其它一次設備與之配合、安裝接線和調試簡單、可以快速捕捉到瞬時性故障的優點，同時該選線技術可以應用到集中或分散繼電保護中，廣泛適應中性點不接地配電系統的發展需求。綜上所述，自適應特征頻帶的暫態量選線法技術及經濟優勢明顯，方案最佳。

1.3 10kV電氣系統選線裝置實施背景

廠內10kV供電系統建廠初期已配置小電流選線裝置和繼電保護裝置，經常出現誤報警現象，而當中性點不接地系統真正發生接地故障時，原小電流選線裝置無法精準選擇出故障回路、且報警混亂。如不及時切除故障點則極易造成事故擴大，對電氣設備、生產系統、人身安全構成威脅，甚至引起生產系統聯鎖跳車，嚴重影響到廠內安全穩定生產。

2 內涵和主要做法

2.1 成果內涵

X-B9000小電流接地選線裝置屬于選線技術前沿產品，適用于66kV及以下電壓等級中性點不接地系統或系統經電阻、消弧線圈間接接地的電力系統，該裝置具有靈敏、可靠、選擇、快速的繼電保護特性，能夠精準地隔離不接地系統中發生單相接地故障的線路或設備，選線準確率近100%；裝置以每周波1024點的高頻率監測各線路。出現接地故障時，高速采樣保障了把暫態過程完整清晰的捕捉的可能性，從而進行有效的分析，找到故障的癥狀，保障了正確的選線；借助分析軟件能在線的對故障數據進行統計分析，對被保護線路的絕緣狀態進行評估并發出預警信號，輔助決策。

2.2 主要做法

2.2.1 項目實施目的

為保證10kV系統在發生單相接地故障后，單相接地事故迅速得到控制不再擴大，在不影響生產系統的情況下，暫時采用消弧消諧裝置復位及倒負荷的方式先排除故障段位及變電所，再對故障回路進行切除，由于饋出回路較多，造成故障回路排查時間長、系統處理時間長，容易造成事故擴大。

2.2.2 X-B9000小電流接地選線裝置選線原理

小電流系統單相接地故障基本特征分析。當中性點不接地系統發生單相接地時（例如A相接地故障），如果忽略負荷電流和電容電流在線路阻抗上的電壓降，全系統A相對地電壓均為零，A相對地電容電流也為零，同時B相和C相的對地電壓和電容電流都升高√3倍。中性點不接地系統發生單相接地故障時，在接地故障點要流過整個系統的對地電容電流，如果電容電流達到一定程度，在接地點就會燃起電弧、引起弧光過電壓，從而造成非故障相對地電壓升高，容易使非故障相絕緣損壞，導致兩點或多點接地，造成事故進一步擴大甚至停電。針對以上此問題避免事故，用戶在系統的中性點與地之間加上消弧線圈，一般采用5%～10%的過補償方式。

中性點不接地系統暫態電流分布特征。中性點不接地系統（小電流系統）中發生饋出線路單相接地故障，其暫態電流故障分量的分布如圖1，圖中箭頭標示出暫態電流故障分量的流通回路。從圖中電流回路流向可以看出，故障線路J故障相（A相）的暫態電流故障分量由本線路B、C相的暫態電流分量和健全線路I各相暫態電流分量組成。

圖1 電網單相接地故障暫態電流的分布

經消弧線圈接地系統暫態電流分布特征。接有消弧線圈接地的系統發生單相接地故障時，與中性點不接地系統相同的是：在故障線路故障相中，暫態電流分量是由本線路非故障相的暫態電流分量和其他健全線路暫態電流分量組成。但由于消弧線圈補償的存在，在故障線路故障相有感性暫態電流分量流過，而所有非故障相則仍然保持流過自身容性暫態電流分量。

暫態零序電流相頻特性分析。任何線路都有一個最低的容性頻帶，在這個頻帶里，各健全線路的零序電流都為容性。而影響暫態零序電流相位的主要因素為線路的零序阻抗角，即隨著頻率升高，暫態零序電流相位在正負90°交變出現，且在最低的頻帶為容性電流。

解決頻帶內暫態電流分量選線原理。在一個健全線路暫態零序電流相位一致的頻帶內，故障線路暫態零序電流幅值大于健全線路暫態零序電流幅值，具有最大暫態電容電流。因此通過選擇一個健全線路電流相位一致的頻帶，利用此頻帶內暫態電流分量幅值比較，選擇故障線路，這就是基于暫態零序電流特征頻帶的選線理論。一般說來，系統中最大兩條線路的零序電容之和不會超過整個系統的89%。因此，特征頻帶內故障線路電流幅值大于或等于∑I0(f)/2，而健全線路電流模值小于∑I0(f)/2。

2.3 X-B9000小電流接地選線裝置技術特點及優勢

2.3.1 自適應零序電流暫態分量特征頻帶的選線理論

X-B9000小電流接地選線裝置選線的基本原理，是利用零序電流暫態分量自適應捕捉特征雙頻帶選線理論，利用最先進的硬件平臺實現單相接地故障選線，再輔助采用其它選線方法，不受系統運行方式、故障條件、故障時刻和故障位置的影響，針對不同系統、不同故障類型，故障特征不同，實現動態尋找不同故障類型的故障特征，動態找到故障特征提取方法，實現接地選線的可靠。

2.3.2 采用雙突變量啟動技術，有效捕捉故障啟動點

故障啟動點的捕捉是算法可靠的保證。

表1 技術突破1：暫態分量

表2 技術突破2：特征頻帶

表3 技術突破3：自適應特征

特征頻帶幅值比較法。中性點不接地系統單相接地時，捕捉其零序電流的暫態分量，在首個容性頻帶內故障線路的幅值最大。裝置自適應捕捉特征頻率f1（50～5000Hz），計算特征頻帶的范圍，從而通過特征頻帶（f0～f1）的幅值比較來選擇故障線路。若系統未能進行零序CT的極性校驗，本算法是首選算法。本算法不能反應母線故障，選線正確率在95%以上。

暫態信號波形比較法。中性點不接地系統單相接地時，捕捉其零序電流、零序電壓的暫態分量，利用故障線路的波形突變總是最大，且具有與零序電壓方向相同、與非故障線路方向相反的特點，自動進行波形比較，從而選擇故障線路。本算法是輔助算法，尤其適用于間歇性接地、弧光接地和系統多點接地。本算法選線正確率接近100%。

特征雙頻極性比較法。裝置自適應選擇能量最大的一個高頻率點Fh和一個低頻率點Fl，通過兩個頻率點的極性比較來選擇故障線路。若系統已經完成零序CT的極性校驗，本算法是首選算法。本算法選線正確率接近100%。

2.3.3 連續選線技術、輔助系統絕緣監察

小電流選線裝置在單相接地故障沒有消失的情況下，每隔1s重復進行選線計算，直到故障消失、有效排除誤選。借助小電流絕緣監察系統分析軟件在線對故障數據統計、歸類、分析后，對被保護線路的絕緣狀態進行評估，反應出線路絕緣狀態，并發出預警信號、輔助決策。不僅可以快速準確選擇出實際事故線路，還可以精準判斷選擇出潛在絕緣薄弱點，給值班運行人員提供有力技術判斷支撐，對生產運行管理起到積極的指導作用。

2.3.4 完整暫態故障錄波

裝置以每周波1024點的高頻率監測各線路，出現接地故障時，高速采樣可以使暫態過程完整清晰捕捉，從而進行有效的分析，找到故障的癥狀；豐富的錄波信息，有助于事故分析和二次選線；X-B9000小電流接地選線裝置典型故障錄波分析如下。

金屬性接地特征分析：故障零序電壓在100V左右，暫態過程信號豐富；間歇性弧光接地特征分析：零序電壓波形有畸變且幅值比較大、往往超過100V，同時零序電流呈周期性放電狀態；電阻接地特征分析：故障零序電壓小于100V，接地電阻越大零序電壓越小，零序電壓呈緩慢上升趨勢，零序電流暫態信號較弱；消弧系統接地故障特征分析：單相接地故障線路零序電流的暫態過程波形與非接地故障線路反相，穩態過程波形與正常線路同相。

CT極性接反特征分析：系統所有CT極性接反的線路零序電流波形與單相接地故障線路零序電流同相。特別說明的是，分段運行的兩段母線也需要對出線零序CT極性進行統一；CT開路或短路特征分析：該線路如果未投入使用、路器處于斷開或短線路狀態，零序電流波形就會呈現直線狀，該線路零序電流并不明顯，這種現象可以判斷CT有可能出現開路或短路。

3 實施效果

3.1 整體效益

借助分析軟件能在線對故障數據進行統計分析，對被保護線路的絕緣狀態進行評估，并發出預警信號、輔助決策。不僅可以快速準確選擇出實際事故線路，還可以精準判斷選擇出潛在絕緣薄弱點，給值班運行人員提供有力技術判斷支撐。故障的快速排除，有效提高故障排查處置效率，大幅提升供電及生產系統運行穩定性。

3.2 經濟效益

系統一旦因單相接地導致故障，將可能引起系統跳車，每次損失費用約150萬元。自2019年X-B9000小電流接地選線裝置應用以來，累計精準判斷單相接地事故2次，精準判斷潛在絕緣薄弱點1次，在2020年4月16日因302B氣化變電所4#氣化變因單相接地故障，小電流選線裝置精準選線，10分鐘不到將故障回路退出并隔離，未影響正常生產，共挽回直接經濟損失約300余萬元。

3.3 社會效益

X-B9000小電流接地選線裝置技術先進，不依賴于其它操作系統和通信系統的可靠性，滿足“選擇性、可靠性、靈敏性和速動性”的要求，擁有最高的電磁兼容性能、擁有保護裝置一樣的平均無故障運行時間，選線正確率接近100%。裝置的成功應用，有效的提升了接地故障點選擇效率，使應急處置人員能夠第一時間在保證生產系統不受影響的情況下切除故障點，可在石油化工、礦山、金屬冶煉等重點危險企業推廣使用。