小電阻接地系統(tǒng)高靈敏性及相關保護研究

錢 添

（江陰市供電公司，江蘇 江陰 214400）

本文針對阻值較小的電阻接地系統(tǒng)中零序電壓數(shù)值與電流之間關系進行分析，發(fā)現(xiàn)當阻值較高的電阻產(chǎn)生接地故障時，母線處的零序電壓和出現(xiàn)故障線路中的零序電流之間存在一定的比例，此時的零序電壓數(shù)值可以間接體現(xiàn)過渡電阻阻值。基于此，研究設計一種高靈敏性的零序電流系統(tǒng)保護系統(tǒng)方案。

1 復雜的系統(tǒng)接地故障問題

1.1 多相回線類型的同相接地故障問題情況下零序電流數(shù)值計算方法

如果阻值較小的電阻接地系統(tǒng)出現(xiàn)多回線類型的同相接地故障問題的時候，發(fā)生故障的相間狀態(tài)相當于對大地是短路的，此時線路系統(tǒng)中的零序電流和出現(xiàn)單相回線接地問題故障的情況相比對，發(fā)現(xiàn)數(shù)值明顯增大，也就是說單相回線接地問題發(fā)生的情況對于零序電流的保護方面基本上沒有明顯的影響。為此本文主要考察的對象是多相回線系統(tǒng)中發(fā)生同相接地問題故障情況下的故障原因分析。

圖1為一個常規(guī)的城市10 kV阻值較小的電阻接地狀態(tài)的配電網(wǎng)絡系統(tǒng)圖。一般情況下，在城市的配電網(wǎng)絡系統(tǒng)之中，110 kV變電站網(wǎng)絡中的主變10 kV數(shù)值的低壓側，通常情況下是應用三角形接線的操作模式。為此10 kV一側的母線端應該配置Z型的接地類型的變壓器裝置，此時系統(tǒng)能夠實現(xiàn)變壓器裝置的中性點位置通過阻值較小的電阻R0來進行接地的系統(tǒng)配置[1]。

1.2 單相接地類型故障問題特性研究

圖2為阻值較小的電阻接地系統(tǒng)單相類型的接地故障問題示意圖。由圖2可知，用于接地操作的阻值較小的電阻Rg是接在曲折類型的變壓器裝置的中性點的位置；圖中的N代表的是沒有出現(xiàn)故障問題的線路；F代表出現(xiàn)故障的線路；如果發(fā)生故障問題的相是系統(tǒng)中的A相，在故障點的位置P處有1個過渡用途的電阻，也就是Rf。可以設系統(tǒng)中所有的元件中的參數(shù)都具有三相對稱的特性，此時各個序的參數(shù)分量具有對其他序列的獨立性特點。可以使用疊加定理來進行分析，分析的過程需要結合使用對稱分量的方法。

1.3 多回線類型及單回線類型接地故障問題的下饋線中零序電流參數(shù)之間的關系

一般情況下，在多回線類型的同相接地問題故障出現(xiàn)的情況之下，發(fā)生故障問題的饋線中零序電流數(shù)值可能和初始狀態(tài)下此回線中發(fā)生單獨問題故障情況下的零序電流數(shù)值發(fā)生明顯的變化，進而一定會對于當前的具有單相回線類型故障問題特性的零序電流參數(shù)的保護功能造成顯著的影響。研究人員為了實現(xiàn)對其系統(tǒng)量化的目標，將會進一步研究出現(xiàn)多相回線類型的同相接地問題故障的，饋線內部的零序電流數(shù)值和出現(xiàn)單相回線類型的接地問題故障的情況下，內部的零序電流參數(shù)間存在穩(wěn)定的定量類型的關系。

2 創(chuàng)新類型的自動適應零序電流參數(shù)的保護解決方案

一般情況下，系統(tǒng)如果想對常規(guī)類型的饋線中的零序電流參數(shù)進行有效的保護，其動作數(shù)值的大小的整定過程和系統(tǒng)參數(shù)的保護算法通常會采用上文所說到的高靈敏度的零序電流參數(shù)保護操作過程的算法和操作的流程。相關工程技術人員為了實現(xiàn)算法和流程與實際的工程習慣及情況相互協(xié)調，在操作的過程中保持零序的分量都取成3倍的零序數(shù)值，后面也是相同的方案；取3I0.Set作為高靈敏度類型饋線中的零序電流參數(shù)保護操作的整定數(shù)值；3U0．Set作為系統(tǒng)設置出的零序類型的電壓數(shù)值的下限量，操作過程中設置此電壓數(shù)值的下限量是用于預防測量過程中所得到的零序類型的電壓數(shù)值過小，進而造成系統(tǒng)的保護操作機制觸發(fā)誤操作，其數(shù)值的具體量和電壓類型的互感器裝置及系統(tǒng)中線路的不對稱程度有一定程度的聯(lián)系；將TL．Set作為計時過程的設定參數(shù)值。

此過程的系統(tǒng)配置都是建立在系統(tǒng)是單相回線類型的接地問題故障發(fā)生的前提之下，也就說此保護操作的機制對單相回線類型的故障問題具有非常優(yōu)秀的靈敏度及可選擇特性。為此，針對系統(tǒng)是多相回線類型的接地問題故障，假如可以把某一相回線的問題故障線路中零序類型的電流數(shù)值，通過補償及校正的操作轉化成單相類型的回線接地問題故障條件下的零序電流參數(shù)，就可以使得零序類型的電流保護機制在繼續(xù)沿用初始整定條件的前提下，也能夠同樣適合用在多相回線類型的接地問題故障之中。根據(jù)上述的設計思路，本文將會基于上述針對多相回線類型的復雜接地問題故障的產(chǎn)生機理，作為后續(xù)研究的基礎，設計出了一類適合應用到阻值較小的電阻接地系統(tǒng)的新型饋線自動適應的零序電流參數(shù)保護系統(tǒng)[2]。

3 數(shù)值模擬仿真試驗（自動適應類型的保護方案運行研究）

為了對本文所描述的自動適應類型的零序電流參數(shù)保護設計方案系統(tǒng)的有效性進行驗證，相關工程技術人員借助數(shù)值模擬仿真分析的方法對該系統(tǒng)進行了動作情況的模擬驗證，驗證中包括了對自動適應類型的零序電流參數(shù)保護機制及一般情況下零序類型電流的保護機制，考察其在不同類型的故障點位及不同數(shù)值的過渡電阻條件下各種保護動作觸發(fā)的不同狀態(tài)。結果表明，當系統(tǒng)中發(fā)生多相類型的回線接地問題故障的情況下，線路中的零序電流參數(shù)的保護機制可能出現(xiàn)拒動的情況，特別是在過渡用途的電阻的阻值量之間差別比較顯著的情況下，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)某個回線中的零序電流數(shù)值明顯減少進而出現(xiàn)保護操作機制出現(xiàn)拒動的問題；對自動適應類型的零序電流系統(tǒng)的保護機制，設計的初衷是希望其可以把所處線路中零序類型的電流數(shù)值補償?shù)酱嘶鼐€系統(tǒng)單獨出現(xiàn)接地問題故障的時候測量得到的零序電流數(shù)值，通過此類補償操作，就能夠保證以回線類型接地問題故障作為前提所整定的保護系統(tǒng)的動作數(shù)值可以同樣適用在多相回線系統(tǒng)中的復雜故障中，提升常規(guī)系統(tǒng)中的零序類型的電流保護機制的廣泛適用性和通用性。與此同時，零序類型的電流，其補償數(shù)值的大小只和本類故障問題發(fā)生的線路中的故障點位及系統(tǒng)的過渡電阻的阻值大小有關系，不會受到其他發(fā)生問題故障的線路中參數(shù)的影響和制約[3]。

4 靈敏度較高的零序類型電流保護

本文所設定的靈敏度較高的零序類型電流保護系統(tǒng)的算法和執(zhí)行流程。相關技術人員為了實現(xiàn)本保護系統(tǒng)和實際的工程情況和數(shù)據(jù)的相互協(xié)調，設定系統(tǒng)的零序類型的分量都是3倍的零序電流數(shù)值，后面也是同樣的設定；在研究過程中，設置3I0.Set作為靈敏度比較高的饋線中零序類型的電流觸發(fā)保護操作的一個整定參數(shù)值；設置3U0.Set作為系統(tǒng)設置的零序類型的電壓數(shù)值的下限量，此零序電壓下限值的設計主要是用于預防系統(tǒng)中測量得到的零序電壓數(shù)值過小的情況可能造成保護機制系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的誤操作，這個電壓的下限數(shù)值和電壓類型的互感器裝置及系統(tǒng)中各個參數(shù)的不對稱程度有直接的關聯(lián)；設置TL.Set作為計時過程的設定值參數(shù)。

5 自動適應類型的零序保護系統(tǒng)裝置搭建及RTDS測試

5.1 自動適應類型的零序保護系統(tǒng)實現(xiàn)過程

RTDS（Real Time Digital Simulation），指的是一套專門用在電力系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)及程序軟件的操作平臺。RTDS系統(tǒng)是由加拿大的RTDS技術公司所研究和開發(fā)，現(xiàn)階段已經(jīng)普遍應用到針對電力系統(tǒng)的二次裝置的各類在線測試的領域之中。本文使用的自動適應類型的饋線保護方面的測控操作平臺為DPNC-21型號，該設備具有32位的浮點DSP（容量為300 MB）的芯片及16位的高精度模擬與數(shù)字信號采樣的能力，具有非常強大的邏輯功能及運算功能。系統(tǒng)采用單元化的設計思路及封裝使用的模塊化的主體結構，具有較強的擴展能力。在保護功能的測控單元中的處理器使用的是ONAP-L136型號的模塊，該模塊是由DSP內核及ARM內核這2個主要的框架來構成。該裝置中的程序軟件的主體架構主要包含了用于保護動作的程序、平臺的操作系統(tǒng)以及電路的監(jiān)控程序等等，當中的保護程序軟件是在DSP類型的內核中進行工作，平臺的操作系統(tǒng)以及電路的監(jiān)控程序是在ARM類型的內核中進行工作，這2個內核模塊借助于系統(tǒng)中的共享內存（英文全稱為Share RAM）實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的有效交互。此外，系統(tǒng)中還有在單片機單元上進行運行的可以實現(xiàn)IRIG-B類型的信息數(shù)據(jù)解析的程序軟件及在復雜的可編程邏輯器件單元（英文簡稱CPLD）上運行的信息數(shù)據(jù)輸入／輸出（DI/DO）的可擴展程序軟件。

5.2 系統(tǒng)的RTDS平臺測試

在適當?shù)膶崟r數(shù)字模擬仿真操作平臺，也就是RTDS上設立1個中性點經(jīng)過阻值較小的電阻接地的模擬10 kV的城市配電網(wǎng)絡的模型，以此模型為基礎來進行自動適應類型零序電流的保護系統(tǒng)裝置的試驗測試工作，發(fā)揮保護作用的裝置設置在線路L1的初始端位置。測試過程是建立在RTDS操作平臺的基礎上，對于此套零序電流的保護系統(tǒng)在不同問題故障的點位及不同數(shù)值的過渡電阻條件下出現(xiàn)多相回線接地問題故障的零序電流數(shù)值的補償和修正效果及保護動作執(zhí)行的狀況進行了測試和驗證。

5.3 線路系統(tǒng)中負荷對于保護系統(tǒng)裝置的影響

因為饋線類型的負荷，其改變的隨機性特點比較顯著，并且線路系統(tǒng)中負荷的改變對線路系統(tǒng)出口位置的保護機制一般情況下是不容易實現(xiàn)的，因此為了方便分析和研究過程，本文采用的自動適應類型零序電流補償和校正的數(shù)學算法計算過程中忽略了問題狀態(tài)的負荷電流數(shù)值，不過在實際模擬的過程中出現(xiàn)單相類型接地問題故障的狀態(tài)下線路依舊有負荷電流的量，為此保護系統(tǒng)裝置的補償精確程度將會受到負荷電流分量的干擾。不過因為系統(tǒng)中性點位置是經(jīng)過阻值較小的電阻R0來進行接地操作（R0值通常為10～14 Ω），在問題故障復合的序網(wǎng)絡之中的Zs數(shù)值主要和3R0的數(shù)值相關，因此和接地類型的電阻R0相比，阻抗負荷數(shù)值對于零序類型的電流的補償作用的影響和制約程度是比較有限的。在保護系統(tǒng)的層面來考慮，負荷數(shù)值造成的零序類型的電流的補償操作的誤差值一般都位于允許的區(qū)間之內，因此其對于保護系統(tǒng)的正確操作過程的影響微乎其微。圖3是最為惡劣的外界條件（也就是負載元器件工作、末端發(fā)生問題故障）下此系統(tǒng)的電流補償校正的最終結果。可知與空載狀態(tài)進行對比，盡管由于負荷造成補償電流數(shù)值有誤差存在，不過補償動作依舊提升了此保護系統(tǒng)對多相回線問題故障動作的靈敏程度，能夠觸發(fā)正確的保護操作。個傳感器裝置的順序持續(xù)調換，信號到達這2個傳感器裝置的時間一致的時候，也就表明放電點位在2個傳感器裝置的中線之上，也就能夠明確放電點位的準確位置。

6 結束語

綜上所述，根據(jù)模擬仿真的測試結果，本文設計的保護系統(tǒng)方案的物理意義清晰，對于系統(tǒng)的保護動作設定值能夠使用初始階段的零序類型電流的整定原則，能夠把保護操作的耐受電阻數(shù)值提升到1 000 Ω范圍；算法是以工頻的參量為基礎，實現(xiàn)起來比較簡單，具有良好的實際應用前景。