中性點經消弧線圈瞬時并聯小電阻接地探討

中國水利水電第三工程局有限公司 張富斌 趙培豪

1 概述

1.1 傳統中性點接地方式

國內10kV 電力系統最早采用的接地方式即為中性點不接地方式。自法拉第發現電磁感應原理以來，電力系統已經有了百余年的發展，10kV 配電網絡為了提高其系統穩定性，分別采用中性點經消弧線圈以及中性點經小電阻接地。在單相接地故障發生時，剩余電流大于10A 的情況下，采取中性點經消弧線圈作為接地方式[1]。不過，這種接地方式存在明顯的優缺點。

優點1：當發生單相接地時，三相導線間線電壓仍然平衡，電源的可靠性將得到提高；通常故障時間可以持續2h，給倒切線路和檢修提供了充足的時間。

優點2：若發生單相接地故障，則無故障相線路相電壓基本不會升高，因此對設備的絕緣要求沒有前者高，可以一定程度上減少系統的投資成本；小電阻接地系統發生單相接地故障時，零序過流保護裝置可以迅速動作，對故障進行隔離。

缺點2：不論單相接地故障是永久或暫時的，均能引起零序保護動作，大幅提高系統的跳閘次數，降低了系統的穩定性，使其用戶端用電可靠性大幅下降；若零序保護裝置發生故障導致保護拒動，較大的接地電流會使得接地點附近的絕緣受到更大的損害，引發相間短路或其他更嚴重的事故，導致事故范圍擴大。

缺點1：當發生單相接地故障時，無故障相電壓將上升到線電壓，對設備的絕緣有一定的要求，提高了投資成本；選線設備和精度不高，需要手動操作。

如果采用小電阻接地，則根據系統參數匹配適合的小電阻作為接地過渡，零序電流保護可迅速解決在20Ω 以下的單相接地問題。

1.2 并聯消弧線圈的接地模式

當配電網正常工作時，該系統可以動態實時監測中性點的運行狀態。其工作原理是通過測量中性點的電壓和通過消弧線圈的電流來實現的。當測量數據改變時，設定消弧線圈的電感值，再由電路式求出配電網絡的容量。

當發生瞬時性單相接地故障時，零序電壓小于保護裝置整定值，控制器可對消弧線圈進行調節，使其電感能電流夠與系統故障點的電容電流相匹配，電弧熄滅，系統恢復正常運行狀態[2]。

當發生永久性單相接地故障時，如果調節電感后故障電流仍然存在，不需要立即連接并聯電阻器，這樣可以控制故障的恢復速度，并保證瞬時故障的自動恢復。經過一段時間的觀察，一般為10s，如果零序電壓保持不變，則判定故障為永久性接地故障，則可以連接并聯電阻器，產生的大電流使得零序過流保護瞬間切除故障，有效避免諧振引起的虛擬接地故障。

2 消弧線圈接地系統分析

用消弧線圈對地短路產生的電感電流可以達到消弧的目的。當消弧線圈完全補償時，所產生的電感電流與電容電流幅值相同，方向相反。這樣既能消除接地短路電流，又可以通過滅弧規避相間短路的風險，又能防止突然斷電。采用消弧線圈，能有效地消除因接地故障而產生的弧光過電壓，并能有效地解決配電網絡中的諧振問題。消弧線圈是6kV至66kV 配電網中解決單相接地故障的一種有效方法。消弧線圈接地電路圖如圖1所示。

圖1 消弧線圈接地電路

由于消弧線圈的接地補償會使得接地支路和非接地支路的工頻零序電流特征沒有差別，從而使得經消弧線圈接地的系統選線極為困難。

3 實際運行問題及對策

3.1 中性點經消弧繞組控制的小電阻接地

中性點采用小電阻并聯消弧線圈接地，這是一個“改進”的接地方法。中性點經消弧線圈接地方式下的故障選線精度因常規選線機的限制而不能滿足要求。新的接地系統包括變壓器、消弧線圈、小電阻、高壓接觸器、控制面板等。

在單相瞬時性接地故障時，采用測量電流的方法，對消弧線圈進行補償。消弧線圈產生的電感電流用于補償瞬時接地，從而熄滅電弧，自動消除接地故障，使其恢復正常工作狀態。這種現象與消弧線圈接地時的中性點動作邏輯基本一致。

采用并聯可控低阻輸入，選線更快更準確。該方法解決了中性點通過消弧線圈接地時選線困難的缺陷，根據測量值準確快速地切除故障回路，避免非故障相斷電，提高了系統的穩定性。

經論證可以看出，通過中性點經消弧線圈瞬時并聯低電阻接地有很多優勢。與簡單的小電阻接地相比，此方法可以減少單相接地引起的跳閘。與經消弧線圈接地方式相比，可以快速準確地選擇接地故障線路，達到跳閘的目的。

這種接地方法的缺點是接地電阻很小。如果零序保護不能正常工作，則會導致零序備用保護越級動作，從而增加故障范圍。如果發生高電阻接地，保護將失效。過大的接地電流會對接觸點和相鄰絕緣造成極大的危險，從而導致相間故障。過大的故障電流也會導致高壓接觸器和受控的低電阻燒毀。

3.2 小電阻并聯控制的輸入異常

為了限制單相接地電流，兩個接地變壓器不得并聯運行，即如果兩段母線并聯安裝，則只允許一組接地變壓器保持運行，另一組接變壓器應停止工作。兩段母線共用一套接地變壓器。在主副接地變系統中，1號接地變壓器轉為備用，斷開1號接地變壓器的中性點開關即可，使1號接地變壓器不具備接地作用，但仍可用作副變壓器。如1號主變壓器在大修時，10kV 1M、2M 并聯，僅2號主變壓器仍能正常工作。10kV 1M、2M 母線共用兩臺接地變壓器。在這種情況下，如果出現單相接地故障，則正確的操作邏輯是2號接地變壓器的并聯可控小電阻進入工作狀態，而1號接地變壓器的并聯可控小電阻不能正常工作[3]。

為避免母線并聯時，兩臺并聯的可控小電阻因兩臺接地變壓器的并聯工作而同時投入使用。只有一臺接地變壓器的小型并聯可控電阻器能夠打開或關閉，而禁止投入另一臺接地變壓器的小型并聯可控電阻。

結果表明，零序PT 與接地變壓器側相連。在單相接地故障時，零序PT 會產生零序電壓，造成兩組ECU 對并聯工作方式的誤判，僅1號接地變壓器并聯可控小電阻開始工作。造成此現象的主要原因是由于零序PT 接線位置不當，使控制設備在并聯狀態下的計算錯誤?，F在有兩個辦法。一是將零序PT 從中性點切換到消弧線圈，并將其與接地變壓器相結合，從而基本解決了故障。二是對于未完成上述方案的接地變壓器，如果需要斷開接地變壓器的中性開關，必須斷開接地網變壓器的中性零序電壓二次電路。如果安裝了零序電壓二次空氣開關，當接地變壓器的中性開關打開時，空氣開關必須同步斷開。

3.3 并聯可控小電阻頻繁投入

變電所10kV 線路高電阻接地，小電阻可控并聯控制設備正確投入運行。然而，零序電流不能滿足零序保護的要求，導致保護無法正常實現。根據預設的控制邏輯，控制設備會頻繁投送并聯可控小電阻，但故障仍然存在[4]。由于并聯可控小電阻在一段時間內連續投退多次，通過大量故障電流，產生大量熱量和煙霧，引發火災。主要的解決方法包括：聯系制造商，進一步完善高電阻接地過程中的操作邏輯，避免高電阻連接過程中頻繁操作和產生熱量和煙霧；在二次零序保護中，零序一級為跳閘，零序二級為報警。當高電阻接地的零序電流不能到達跳閘位置時，零序二級報警信號可以通知調度員手動斷開接地線并將其絕緣，操作人員應立即趕到現場，幫助調度員手動斷開接地線并修復并聯可控小電阻。當出現發熱、冒煙等異常情況時，暫停投入并聯小電阻。

4 Floyd 故障定位算法

在此基礎上，提出了一種基于Floyd 的故障定位方法。通過對接地故障后電流的矩陣計算，實現了對短路電流的準確描述，實現了線路故障的選線。

當輸電線路發生接地故障時，電流通過最短的線路傳輸到地線，從而使地線上的電流快速增加。線路發出的電力啟動時間與故障點之間的時間關系為：

式中，ti——電路電流變化的時間點；t0——接地故障的初始時間；tfi——故障期間電能通過的線路長度；v——電流的速度。

式（1）顯示，在不同的故障位置，傳輸線的長度是不同的。在接地電流經過多個接點時，故障點的定位比較困難。從兩個故障點經過的電流的時間計算出接地故障的時間，在時間上不會有很大的偏差。在不考慮故障點的情況下，其時間會有很大的波動。利用式（2），可以求出兩個誤點的線長。

式（2）中，LAf——從接地故障點到下一個故障測量點A 的距離；LBf——從其他線路到故障測量點B 的線路距離。

根據式（1），tA和tB表示為式（2）中的初始扭矩：

接地故障的準確時間如（2）和（3）所示：

通過分析，獲得了AB 和AC 之間正確的接地故障點。

當配電網的兩個節點處沒有電流變化時，兩個測量點處的電流流動時間為

基于此方法，可以將未計算出的公線作為可能的失效點，并對各節點進行計算，從而得出線路的失效位置。如式（4）到（6）所示，必須決定兩種可能的錯誤位置，而這兩種錯誤的位置可以由兩種錯誤的計算而決定。多條輸電線路在兩個時間點傳輸電力所需的時間：

測點線長：

式（8）中，tAi——當在測量節點A 發生故障時電流通過第i 條傳輸線的時間；tBi——當測量節點B發生故障時，電流通過第h 條傳輸線時的時間。

采用矩陣法處理多條線路的接地故障，從多個可能的接地點獲得測量點之間的間距矩陣：

式中，dij——相鄰失效節點的導線長度；∞——兩個相鄰接地故障節點之間沒有電阻干擾。

在接地故障的情況下，tmin是故障發生的最短時間，而其他線路的是通過導線后獲得的。區別在于：

通過計算時間，可以快速確定線路的接地故障點，為以后的維護提供了方便。

5 結語

本文介紹了一種新型的恒流源控制系統。方案以消弧線圈為基礎，利用小并聯電阻進行完整的控制，可有效地彌補傳統的接地方法無法對剩余電流進行適當的補償；利用Floyd 方法中的精確定位功能可以有效地解決傳輸線路上的接地故障點位置不準確的問題。實踐證明，此方法較比傳統方法更為有效。

將有源消弧技術和低電阻技術相結合，實現短路電流的過補償，從而提高輸電線路的穩定性?；诮拥啬Ｊ?，采用Floyd 故障定位算法進行故障定位，實現網絡運行狀態的實時調試和后期維護。在測試過程中，由于該裝置經常更換消弧線圈，電阻小，成本高，無法實現單線接地誤差的電流補償，因此需要進一步研究。