淺析小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的接地選線(xiàn)及判據(jù)

陳喆

（珠海供電局調(diào)度中心，廣東 珠海 519000）

1 前言

在我國(guó)配電網(wǎng)中，采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的運(yùn)行方式居多，都屬于小電流接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有發(fā)生單相接地時(shí)故障電流小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)線(xiàn)電壓基本不變，不影響對(duì)負(fù)荷連續(xù)供電，仍可繼續(xù)運(yùn)行2個(gè)小時(shí)。但實(shí)際運(yùn)行中可能由于過(guò)電壓引發(fā)電力電纜爆炸、PT保險(xiǎn)熔斷甚至燒壞、母線(xiàn)短路等事故，因此，迅速確定系統(tǒng)接地點(diǎn)消除單相接地故障對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。傳統(tǒng)方法是逐條出線(xiàn)拉路法，但隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)一些供電要求很高的用電客戶(hù)來(lái)說(shuō)，這種方法的弊病是顯而易見(jiàn)的，尤其是對(duì)那些負(fù)荷較重的配網(wǎng)線(xiàn)路，這種方法已不滿(mǎn)足安全穩(wěn)定供電的要求。傳統(tǒng)選線(xiàn)裝置利用故障時(shí)電氣量為判別依據(jù)，選出一條或幾條線(xiàn)路供調(diào)度參考，但準(zhǔn)確率低。微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)較傳統(tǒng)拉路法和基于單片機(jī)原理的傳統(tǒng)選線(xiàn)裝置有著不可比擬的硬件優(yōu)勢(shì)和對(duì)復(fù)雜軟件程序的處理能力，如何利用現(xiàn)有的微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)資源來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的選線(xiàn)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2 電路模型

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)如圖1，故障點(diǎn)的零序電壓為Ud0=(Uad+Ubd+Ucd)/3=-Ua，故障零序電流為全系統(tǒng)的容性電流。

其向量圖如圖2所示:由于架空線(xiàn)路對(duì)地有相同的等值電容，根據(jù)向量圖，零序電壓及零序電流的特點(diǎn)歸納起來(lái)有以下四點(diǎn):

①發(fā)生單相接地故障時(shí)（例如A相），故障相的對(duì)地電容C0被短接；②非故障線(xiàn)路3I01的大小等于本線(xiàn)路的接地電容電流，其電容性無(wú)功功率的方向?yàn)橛赡妇€(xiàn)流向線(xiàn)路；③故障線(xiàn)路3I02的大小等于所有非故障線(xiàn)路的3I01之和，也就是所有非故障線(xiàn)路的接地電容電流之和；其電容性無(wú)功功率的方向?yàn)橛删€(xiàn)路流向母線(xiàn)；④若零序電流互感器的極性是以變電所母線(xiàn)流向線(xiàn)路為正方向，那么非故障線(xiàn)路的零序電流超前零序電壓90°，故障線(xiàn)路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線(xiàn)路的零序電流與非故障線(xiàn)路的零序電流在相位上相差180°。

3 傳統(tǒng)的選線(xiàn)原理及其局限

3.1 判據(jù)

3.1.1 緣監(jiān)察裝置

絕緣監(jiān)察裝置利用接于公用母線(xiàn)的三相五柱式電壓互感器，其一次線(xiàn)圈均接成星形，附加二次線(xiàn)圈接成開(kāi)口三角形。接成星形的二次線(xiàn)圈供給絕緣監(jiān)察用的電壓表、保護(hù)及測(cè)量?jī)x表。接成開(kāi)口三角形的二次線(xiàn)圈供給絕緣監(jiān)察繼電器。系統(tǒng)正常時(shí)，三相電壓正常，三相電壓之和為零，開(kāi)口三角形的二次線(xiàn)圈電壓為零，絕緣監(jiān)察繼電器不動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，開(kāi)口三角形的二次端出現(xiàn)零序電壓，電壓繼電器動(dòng)作，發(fā)出系統(tǒng)接地故障的預(yù)告信號(hào)。

3.1.2 零序電流

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線(xiàn)路零序電流的大小等于本線(xiàn)路的接地電容電流。故障線(xiàn)路零序電流的大小等于所有非故障線(xiàn)路的零序電流之和，也就是所有非故障線(xiàn)路的接地電容電流之和。通常故障線(xiàn)路的零序電流比非故障線(xiàn)路零序電流大得多，利用這一原則，可以采用電流元件區(qū)分出接地故障線(xiàn)路

3.1.3 零序功率

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線(xiàn)路的零序電流超前零序電壓90°，故障線(xiàn)路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線(xiàn)路的零序電流與非故障線(xiàn)路的零序電流相位相差180°。根據(jù)這一原則，可以利用零序方向元件區(qū)分出接地故障線(xiàn)路。

3.2 傳統(tǒng)方法的局限

3.2.1 長(zhǎng)線(xiàn)路對(duì)地電容大，電容電流大;短線(xiàn)路對(duì)地電容小，電容電流小，有時(shí)保護(hù)易誤判，例如短線(xiàn)路發(fā)生接地故障，其零序電流是非故障長(zhǎng)線(xiàn)路電容電流之和，二者的零序電流數(shù)值相差不大，保護(hù)裝置很難區(qū)分。另外系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作，運(yùn)行狀況變化，電容電流分布也變化，故動(dòng)作值難以整定。

3.2.2 利用故障線(xiàn)路零序電流滯后零序電壓90°，非故障線(xiàn)路零序電流超前零序電壓90°作為判據(jù)，但是當(dāng)測(cè)得的零序電流較?。ㄈ绻收暇€(xiàn)路是長(zhǎng)線(xiàn)路，而非故障線(xiàn)路是短線(xiàn)路），零序電流復(fù)相量模值較小，相角差就較大，就象時(shí)鐘太短，難以看清位置（相角）一樣，易造成誤動(dòng)。此類(lèi)保護(hù)只適用于穩(wěn)定金屬接地，而接地故障大多是間歇性或瞬時(shí)性弧光接地，難以準(zhǔn)確判斷。

3.2.3 對(duì)所有的線(xiàn)路的零序電流大小和方向進(jìn)行綜合比較，判別出故障線(xiàn)路。基于單片機(jī)原理的傳統(tǒng)選線(xiàn)裝置CPU采樣一個(gè)點(diǎn)約需100μs，以一條線(xiàn)路在一個(gè)工頻同期（20ms）內(nèi)最少得采集16個(gè)點(diǎn)計(jì)算，單CPU采集多條線(xiàn)路時(shí)，一個(gè)周波內(nèi)最多只能采集12條線(xiàn)路的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集后，CPU進(jìn)入數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、判別，在此期間CPU無(wú)法繼續(xù)采樣工作，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟失。對(duì)于不穩(wěn)定弧光接地，不同周波內(nèi)數(shù)據(jù)變化較大，用它們進(jìn)行比較必然造成判線(xiàn)錯(cuò)誤，故每條線(xiàn)路至少采集2～3個(gè)周波的數(shù)據(jù)，才能正確判別出故障線(xiàn)路。

4 經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)的接地選線(xiàn)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，配網(wǎng)規(guī)模日漸擴(kuò)大，電纜出線(xiàn)日漸增多，系統(tǒng)對(duì)地電容電流急劇增加，接地弧光不易自動(dòng)熄滅，輕易產(chǎn)生間隙弧光過(guò)電壓，進(jìn)而造成相間短路，使事故擴(kuò)大。為了防止這種事故，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620-1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定；3～10kV架空線(xiàn)路構(gòu)成的系統(tǒng)和所有35kV、66kV電網(wǎng)，當(dāng)單相接地故障電流大于10A時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線(xiàn)圈，3～10kV電纜線(xiàn)路構(gòu)成的系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電流大于30A時(shí)，中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)消弧線(xiàn)圈。根據(jù)這一規(guī)定，珠海供電局對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，很多變電站的10kV系統(tǒng)采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的運(yùn)行方式，但是造成了采用零序電流原理、零序功率方向原理的接地選線(xiàn)裝置的選線(xiàn)正確率急劇下降。其原因是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，電容電流分布的情況與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)不一樣了。

4.1 原理分析

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的小電流接地系統(tǒng)

如圖3，當(dāng)K2合上時(shí)表示系統(tǒng)的第i條出線(xiàn)C相經(jīng)過(guò)大小為Rd的電阻接地 (Rd=0表示金屬接地)，K1合上表示系統(tǒng)經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償。其等值零序電路如圖4

其中Uc為K2合上(即接地)前接地點(diǎn)的電壓，Uo為接地后系統(tǒng)的零序電壓，Ir為接地點(diǎn)殘流，ΣIc為系統(tǒng)總電容電流，IL為消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流。他們存在如下關(guān)系:Ir=IL-ΣIc

如圖5所示，出線(xiàn)m為故障線(xiàn)路，CT1～CTn為各線(xiàn)路出口的零序互感器。I01～I(xiàn)0n為對(duì)應(yīng)出線(xiàn)的零序電流。故障線(xiàn)路的零序電流I0m=ICm+Ir，由以上兩公式可得 I0m=IL-ΣIci(i=0～n 且 i≠m)，即故障線(xiàn)路的零序電流等于消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流再減去所有非故障線(xiàn)路電容電流的和。假設(shè)系統(tǒng)沒(méi)有消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償即IL=0時(shí)，故障線(xiàn)路零序電流為所有非故障線(xiàn)路電容電流之和，其幅值較大，相位與非故障線(xiàn)路相反，故障特征很明顯，對(duì)選線(xiàn)而言有積極作用，缺點(diǎn)是殘流較大。假設(shè)消弧線(xiàn)圈完全補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，即Ir=0，此時(shí)各出線(xiàn)零序電流即為線(xiàn)路本身電容電流，故障線(xiàn)路零序電流的幅值和相位與非故障線(xiàn)路沒(méi)有明顯區(qū)別，即故障特征不明顯。對(duì)于消弧線(xiàn)圈過(guò)補(bǔ)償5%～10%，與完全補(bǔ)償相比故障線(xiàn)路零序電流僅僅幅值有所增加，但各出線(xiàn)長(zhǎng)短不一，架空線(xiàn)路和電纜也造成各出線(xiàn)大小不一，單憑幅值作為判據(jù)在電容電流較小的線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)容易誤判。加上互感器采樣誤差等原因，使補(bǔ)償后的小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)更加困難。

圖4

圖5 各出線(xiàn)零序電流

4.2 針對(duì)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)的選線(xiàn)判據(jù)

4.2.1 暫態(tài)零序功率法

a）發(fā)生單相接地瞬間（除了 u（t）＝0之外），暫態(tài)電容電流很大，而經(jīng)消弧線(xiàn)圈的暫態(tài)電感電流很小，可認(rèn)為消弧線(xiàn)圈處于開(kāi)路狀態(tài)，所以在同一電網(wǎng)中，不論中性點(diǎn)絕緣或是經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地，在相電壓接近于最大值時(shí)發(fā)生故障的瞬間，其過(guò)渡過(guò)程是近似相同的。b）非故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流和電壓首半波方向相同，即暫態(tài)零序功率由母線(xiàn)流向線(xiàn)路。c）故障線(xiàn)路暫態(tài)零序電流和電壓首半波方向相反，即暫態(tài)零序功率由線(xiàn)路流向母線(xiàn)。d）它既適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，也適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)。

由上述特點(diǎn)可知，對(duì)短線(xiàn)路而言，其穩(wěn)態(tài)電容電流小，暫態(tài)電容電流大，該原理比其它各類(lèi)反映接地穩(wěn)態(tài)量的原理靈敏度高，對(duì)單相接地反應(yīng)迅速。

4.2.2 五次諧波零序功率法

在經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的電網(wǎng)中，由于消弧線(xiàn)圈對(duì)五次諧波分量呈現(xiàn)的阻抗較基波分量時(shí)增大5倍（XL＝5ωL，而線(xiàn)路容抗則減少 5 倍 XCΣ＝1/5ωCΣ，因此，消弧線(xiàn)圈已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能補(bǔ)償五次諧波的電容電流。當(dāng)單相接地時(shí)，故障線(xiàn)路上五次諧波的零序電流基本上等于非故障線(xiàn)路五次諧波電流之和，而非故障線(xiàn)路上五次諧波的零序電流就是本身的五次諧波電容電流，兩者的相位相反，在出線(xiàn)較多情況下，數(shù)值也相差很大?？傊宕沃C波電容電流的分配規(guī)律，與基波電容電流在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)類(lèi)似，消弧線(xiàn)圈可認(rèn)為處于開(kāi)路狀態(tài)。零序電流及電壓，先通過(guò)五次諧波濾過(guò)器，然后再接入功率方向判別元件，籍此可進(jìn)行故障選線(xiàn)。除此以外，還有首半波原理法、注入信號(hào)尋蹤法等方法來(lái)確定故障線(xiàn)路的方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)單相接地選線(xiàn)，是一個(gè)老問(wèn)題，至今還不能做到選線(xiàn)完全準(zhǔn)確。變電站無(wú)人值班以后，對(duì)選線(xiàn)的要求就更高了。經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，珠海電網(wǎng)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)的單相接地故障選線(xiàn)準(zhǔn)確率已顯著提高。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，新的選線(xiàn)方法將會(huì)得到進(jìn)一步的充實(shí)和提高。

[1]杜永忠，李紅霞。基于零序電流有功分量選擇接地線(xiàn)路的方法-實(shí)用技術(shù) 第10卷第4期

[2]肖白，束洪春，高峰。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線(xiàn)方法綜述-繼電器 2001.4.16-20