高靈敏小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方案

葉曉山

（中石化安慶石化分公司電儀部，安徽 安慶 246001）

高靈敏小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方案

葉曉山

（中石化安慶石化分公司電儀部，安徽 安慶 246001）

簡(jiǎn)要分析小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的基本電路模型，針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的零序電流保護(hù)靈敏度較低的缺點(diǎn)，提出采用有功電流基礎(chǔ)發(fā)展起來的反向殘流有功分量（DESIR）法，取殘余有功電流最大的線路作為接地線路的選線方案，該方案可提高中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接地選線的靈敏度，具有一定的實(shí)用性。

小電流接地系統(tǒng)；反向殘流有功分量；接地選線

（一）引言

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地后，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)線電壓基本不變， 不影響對(duì)負(fù)荷連續(xù)供電，《電力系統(tǒng)安全規(guī)程》規(guī)定仍可繼續(xù)運(yùn)行0.5～2個(gè)小時(shí)。小電流接地故障盡管不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，但由此引起的過電壓會(huì)危害電網(wǎng)絕緣，可能導(dǎo)致短路故障，使事故擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)的安全可靠性。

因此，需要盡快選出故障線路，以便幫助運(yùn)行人員快捷地判別接地，及時(shí)采取措施加以處理。但單相接地時(shí)，由于故障電流小，小電流接地故障選線（簡(jiǎn)稱接地選線）比較困難。為在供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中應(yīng)裝設(shè)靈敏度高、選擇性好、接線簡(jiǎn)單的接地保護(hù)裝置或接地選線裝置。長(zhǎng)期以來，人們做了大量的工作，開發(fā)出了許多種檢測(cè)方法及裝置，但實(shí)際運(yùn)行效果并不理想。以前廣泛采用的繼電絕緣檢察裝置是利用測(cè)量母線零序電壓來反應(yīng)系統(tǒng)接地的，因而無選線功能。利用容性零序電流和零序功率原理可構(gòu)成具有選線功能的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的接地保護(hù)或選線裝置，但由于反應(yīng)容性零序電流原理構(gòu)成的零序電流保護(hù)其靈敏度受系統(tǒng)一相對(duì)地電容大小和分布的影響。因此，在某些場(chǎng)合不得不采用接線較復(fù)雜、維護(hù)較困難的零序功率方向保護(hù)，甚至在新型的微機(jī)接地選線裝置中，也僅采用零序功率方向原理構(gòu)成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的接地選線功能。

顯然，采用接線較簡(jiǎn)單的零序電流原理構(gòu)成選線裝置，提高其靈敏度是關(guān)鍵。本文提出的反向殘流有功分量（DESIR）原理可提高選線靈敏度，以利于零序電流原理在接地保護(hù)和選線裝置中的應(yīng)用。

近年來，隨著綜合自動(dòng)化設(shè)備在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)小電流接地選線已經(jīng)能夠做到：?jiǎn)蜗嘟拥睾罂芍苯优袛喙收宵c(diǎn)所在線路。這樣就為我們迅速查找故障點(diǎn)提供了可靠的保證。正確應(yīng)用綜合自動(dòng)化設(shè)備中小電流接地選線功能，是一個(gè)值得研究和重視的問題。

（二）單相接地時(shí)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的特點(diǎn)

電路模型的建立：

圖1為簡(jiǎn)化的小電流接地系統(tǒng)模型，為了分析方便，忽略輸電線阻抗以及線路對(duì)地電導(dǎo)。

在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中，假定有i條長(zhǎng)度不等的線路，當(dāng)線路2的C相發(fā)生永久性單相接地故障時(shí)，電網(wǎng)中基波電容電流的分布狀況如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)電流分布圖

對(duì)于非故障的線路1來說，其三相電容電流各為：

這樣，非故障線路1的基波零序電流可用下式求得：

對(duì)于故障線路2來說，健全相的電容電流仍用同樣方法求得，只是故障相的電容電流不再為零。此時(shí)，三相的電容電流值分別為：

同樣，利用（式-2)可求得故障線路3的基波零序電流為：

（式-4）說明，故障線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流的向量和，唯方向相反，由線路流向母線。

不接地的電網(wǎng)中，利用基波零序電流方向保護(hù)有可能檢出故障線路。不過，在電網(wǎng)的最小運(yùn)行方式下，只有當(dāng)故障點(diǎn)的總電容電流達(dá)到最長(zhǎng)線路電容電流的（3～4)倍時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的選擇性。實(shí)際上，許多電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，滿足不了這個(gè)條件。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，零序電流方向不能不能全部正確動(dòng)作。

（三）DESIR接地選線原理

為了檢出高阻接地故障，法國(guó)電力公司（Electricite de France)開發(fā)了DESIR (DEtection Selective par les Intensites slleud)保護(hù)裝置，其原理是以電網(wǎng)的基波電流信號(hào)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，該保護(hù)裝置首先從所有饋線中檢測(cè)零序電流的基波有功分量，算出故障點(diǎn)的殘余有功電流，對(duì)于中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)也即所有饋線零序有功電流的向量和IR，并選取該向量和的垂直線作為參考軸，再對(duì)所有的饋線的基波零序電流在參考軸上的投影進(jìn)行比較。此時(shí)，故障饋線的接地電流的投影與各條非故障饋線零序電流的投影不僅相位相反，而且數(shù)值最大(圖2)，據(jù)此便可檢出故障饋線。圖中的Irl、Ir2、Ir3…Iri分別為饋線l、2、3….i零序電流的基波有功分量。

圖2 DESIR接地保護(hù)原理圖

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相永久接地故障時(shí)，殘流中的基波有功分量與零序電壓同相，其數(shù)值主要由電網(wǎng)的接地電容電流等參數(shù)確定，該接地電容電流的相位領(lǐng)先零序電壓90°，所以，故障點(diǎn)的殘余電流在零序電壓上的投影便等于它自身的有功分量。DESIR檢出故障線路的唯一性，源于只用所有饋線的零序有功電流總和的相位作為參考相位(與上述參考軸等效)。所以，此種接地保護(hù)既不要求測(cè)量零序電壓，也不需要專用的傳感器，只要利用現(xiàn)有的電流互器就足夠了。

由于DESIR接地保護(hù)是以所有饋線零序電流的變量作為輸入數(shù)據(jù)，故在靈敏度方面可以達(dá)到很高的水平(50kΩ以上)。該保護(hù)反應(yīng)迅速，檢出故障的時(shí)間僅為1s。

（四）微機(jī)選線裝置的實(shí)現(xiàn)

DESIR接地選線方案的實(shí)現(xiàn)可基于微機(jī)綜合保護(hù)成套裝置，充分發(fā)揮微機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算能力，利用成熟的高速DSP模塊，對(duì)采集各條線路的零序電流進(jìn)行快速的傅里葉分析計(jì)算，求出各線路的零序電流的相位和幅值，按DESIR的原理計(jì)算出所有饋線零序有功電流的向量和IR，及各線路零序電流在參考軸上的投影的分解值進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)單相接地快速選線功能。

此方案可實(shí)現(xiàn)綜合保護(hù)系統(tǒng)與接地選線系統(tǒng)為一體。降低變配電所的設(shè)備投資，減少其設(shè)備的維護(hù)量；對(duì)于老系統(tǒng)只要對(duì)總控單元進(jìn)行相應(yīng)的軟件升級(jí)或升級(jí)中央控制板，以比較簡(jiǎn)便的方式實(shí)現(xiàn)快速接地選線功能，避免了新投設(shè)備的安裝及安裝過程對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)而造成的設(shè)備隱患；提高運(yùn)行人員分析處理出現(xiàn)的供電系統(tǒng)單相接地故障能力，減輕處理時(shí)設(shè)備檢查和操作的工作強(qiáng)度。

（五）零序互感器的選擇和安裝

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一般不允許接地電流超過10A，所以一般10A以下保護(hù)就要?jiǎng)幼?。要求零序電流互感器在一次接地電流較小時(shí)，和非金屬性接地時(shí)，零序電流互感器也要有一定的輸出，來滿足裝置啟動(dòng)的門坎值。使用的綜合保護(hù)，就要求有整定值，一般定值≤10A，如整定值一次電流為5A，可考慮100/5A或20/1A ，一次電流5A時(shí)，二次電流0.25A，一般已超過綜合保護(hù)的啟動(dòng)電流。如綜合保護(hù)最小啟動(dòng)電流＞0.25A，則選用75/5；50/5；15/1；10/1的變比，這些變比的零序電流互感器最好選用整體式的，否則精度要差一些。裝置本身的負(fù)載阻抗并不大，但需要通過電纜將各個(gè)零序電流互感器與裝置連接起來，所以電纜的阻抗就是零序電流互感器的主要負(fù)載阻抗，這種零序電流互感器的負(fù)載阻抗一般為2.5Ω左右，經(jīng)過多年實(shí)踐和試驗(yàn)得知與小電流選線裝置配套的零序電流互感器選用容量：5VA

另外選線裝置要求比較相位，因此零序互感器的安裝方式、接線極性要求保持一致，安裝校驗(yàn)時(shí)對(duì)其極性進(jìn)行檢驗(yàn)。

（六）結(jié)論

本文對(duì)零序電流反向殘流有功分量（DESIR）原理，比較各零序電流間的相位差別，實(shí)際隱含了有功分量的原理，因?yàn)橛泄Ψ至慷际窃谕涣阈螂妷鹤饔孟庐a(chǎn)生的，零序有功在各支路中存在區(qū)別主要原因還是各出線零序電流相位上的區(qū)別，而本方法則直接利用了這一特征，減少了多引入零序電壓一個(gè)量帶來的誤差，同時(shí)利用了殘流特征，提高了該方法的選線準(zhǔn)確率。

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1008-1151(2010)04-0119-02

2010-01-13

葉曉山（1962－），男，安徽安慶人，中石化安慶石化分公司電儀部工程師，從事電氣技術(shù)管理。