一種具有電流回路自檢功能的零序保護實現方法

劉國徽，李新海，范德和，袁拓來，邱天怡

(廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

廣東電網變電站10 kV系統目前多采用小電阻并消弧線圈[1]或純小電阻接地，若某10 kV線路的零序保護電流二次回路斷線且該線路發生了單相接地故障，該線路零序保護將拒動，并導致上級零序保護動作[2]，將造成10 kV母線失壓和大面積的停電。針對此問題，本文闡述了一種具有電流回路自檢功能的零序保護實現方法。

1 零序保護存在的問題

當前10 kV保護裝置的零序電流保護因正常運行時無電流，無法監視、預警零序電流二次回路異常，而零序保護的電流回路隱患主要靠人工進行排查，采用外觀檢查、緊固二次接線的不停電檢查，以及零序保護二次加量試驗或測量電流回路電阻等的停電檢查。電流回路采用不停電的人工檢查時，只能做外觀檢查及緊固接線，難以發現隱藏的開路隱患，且檢查工作量大；而采用一次設備停電的檢查時，則會造成用戶停電，影響配網的供電可靠性。

2 一種具有電流回路自檢功能的零序保護裝置及保護方法

該保護裝置的零序保護電流回路自檢原理結構圖如圖1所示，主要由低頻電流產生模塊、電流采集模塊、保護處理器、通信及告警模塊、人機交互模塊、電源模塊等部分組成。

圖1 零序保護電流回路自檢原理結構圖

該保護裝置的零序電流二次回路自動檢測接線示意圖如圖2所示(其中加粗部分為相較于常規零序保護所增加的硬件部分)，其零序電流互感器T3一般安裝在10 kV間隔的一次電纜層或開關柜內。本文中的低頻電流產生模塊輸出的電流為低頻非工頻電流，人機交互模塊包括液晶觸摸屏，在使用過程中工作人員可通過人機交互模塊設定低頻非工頻電流輸出定值Iscdp、“低頻非工頻電流采樣值與低頻非工頻電流輸出定值的比值”告警定值Kset及零序電流二次回路自動檢測時間周期T，并存儲至保護處理器中，其中低頻非工頻電流輸出定值Iscdp在設定時程序限制不大于本零序保護裝置的0.8倍零序保護動作電流定值，以確保檢測過程中零序保護不誤動，保護處理器控制低頻電流產生模塊按設定低頻非工頻電流輸出定值Iscdp輸出相應大小的低頻非工頻電流。

目前10 kV零序電流保護是通過采集工頻(50 Hz)電流分量作為零序電流保護的動作判據。本文使用低頻非工頻電流且不大于0.8倍零序保護動作值的限制電流幅值檢測方式實現，因為通過外部注入電流方式不能絕對保證不影響50 Hz工頻量保護的串擾，為可靠起見，采用小于工頻量保護動作值的外部注入電流，能夠有效避免回路檢測時零序保護誤動的可能。

圖2 零序保護電流二次回路自動檢測接線示意圖

該保護的具體實施流程如圖3所示，在保護裝置啟動或復歸后，保護處理器首先判斷是否啟動手動檢測零序電流二次回路功能，若“是”則直接啟動零序電流二次回路檢測，并將檢測結果顯示在液晶觸摸屏；若“否”則進入自動檢測模式，判斷是否達到設定的零序電流二次回路自動檢測時間周期T，若“否”則繼續循環計時直至滿足預設的自動檢測時間，開始進入零序電流二次回路檢測：保護處理器控制低頻電流產生模塊按設定低頻非工頻電流輸出定值Iscdp輸出相應大小的低頻非工頻電流，該電流經電流互感器T2注入零序電流二次回路中，電流采集模塊通過電流互感器T1實時采集零序電流二次回路中電流(可能包含50 Hz工頻電流)，該電流經A/D(模擬/數字)信號轉換后，將電流數字信號發送至保護處理器中處理，保護處理器使用時間抽取的快速傅里葉變換(FFT)算法[3]，將時域離散采集的電流變換為頻域的50 Hz工頻電流采樣值和低頻非工頻電流采樣值共2個分量，其中50 Hz工頻電流采樣值用于零序保護啟動，同時與零序保護動作定值比較，當零序保護啟動，同時50 Hz工頻電流采樣值大于保護定值，在達到零序保護動作時間后保護出口跳閘。而保護處理器計算低頻非工頻電流采樣值Icydp與低頻非工頻電流輸出定值Iscdp的比值K=Icydp/Iscdp，其比值與Kset比較作為零序電流二次回路接觸狀態的判斷依據。檢測完成后保護處理器控制低頻電流產生模塊停止輸出。

當K≥Kset時，保護處理器判斷當前零序電流二次回路接觸狀態完好，此時控制通信及告警模塊發送檢測結果軟報文至自動化系統，程序也將回到手動檢測判斷狀態，等待下一次的檢測；當K

此外，該保護還具有零序電流二次回路接觸電阻變化趨勢分析功能，在使用過程中工作人員可通過人機交互模塊設定阻值變化率告警定值ΔRset并存儲至保護處理器中，當保護處理器控制低頻電流產生模塊輸出低頻非工頻電流時，低頻電流產生模塊內部的電壓測量表V可以實時測量模塊輸出的低頻非工頻電壓Ucydp并經A/D變換后將測量結果反饋給保護處理器，電流采集模塊通過電流互感器T1實時采集零序電流二次回路中的低頻非工頻電流Icydp并經A/D變換后將測量結果反饋給保護處理器，如圖3所示。保護處理器根據采樣值計算并存儲零序電流二次回路接觸電阻值R=(Ucydp×cosθ)/Icydp(其中θ為U與I的夾角)，在多次檢測后會自動生成接觸電阻R的阻值曲線圖和阻值變化率曲線圖，以直觀展示二次回路接觸電阻狀態變化。當檢測阻值變化率ΔR≥ΔRset時，保護處理器判斷當前零序電流二次回路接觸電阻劣化，此時保護處理器向通信及告警模塊發送告警信息；通信及告警模塊接受到告警信息后，一邊通過TCP/IP通信協議向自動化系統發送告警軟報文，一邊向測控告警系統發出硬接點告警，同時點亮本保護裝置的告警指示燈，提醒繼電保護人員檢查處理，至此保護自檢零序電流二次回路的工作結束，等待保護信號復歸或重啟，裝置將繼續進行下次的二次回路自檢工作。

3 具有電流回路自檢功能的零序保護的優點

該保護的檢測功能完全集成于常規保護當中，采用互感器耦合注入低頻非工頻電流方法，相比現有技術具有以下優勢。①檢測精度更高。因互感器耦合注入的低頻非工頻電流，在電流二次回路中遇到的阻抗為Z=jwL，其中w為電流頻率對應的角速度。頻率越低，Z越小，電流二次回路中流過的低頻非工頻電流值就越大，檢測靈敏度就越高。②全自動管理，無需外部接線及人工干預等。③該裝置使用的器件小、結構簡單，工作可靠性更高。④功耗小，節能環保。

圖3 零序電流二次回路自動檢測流程圖

4 結語

該保護是在常規10 kV零序保護結構上進行改進，在硬件上增加低頻電流注入模塊，在軟件上增加低頻電流的輸出控制及檢測功能程序，從而實現零序電流回路完好性的自檢功能。該保護能夠自動快速檢測10 kV零序保護電流回路的完好性，且外部接線與傳統零序保護的接線完全一致(無需額外獨立的檢測裝置和接線)，克服了目前零序電流回路檢測方法自動化程度不高、檢測不經濟的缺點。