電壓二次回路中性線多點接地檢測技術(shù)研究與實踐

陳東海　黃旭聰　鄭建梓

[摘要]本文針對電壓二次回路中性線多點接地的危害性，提出一種可靠的微電流注入多點接地檢測方法，并基于該方法進行了檢測設(shè)備的設(shè)計和試制。通過變電站實際測試，獲得良好效果，結(jié)束了歷來難以在運行變電站實施電壓二次回路中性線多點接地檢測的困境。

[關(guān)鍵詞]電壓二次回路；中性線；多點接地；檢測技術(shù)

1、引言

近年來，國內(nèi)發(fā)生了多起變電站電壓回路中性線接地錯誤、多點接地等原因引起的線路零序保護反方向誤動、聯(lián)變保護誤動、縱聯(lián)保護誤動等事故，均造成重大影響，帶來重大經(jīng)濟損失。

國家電網(wǎng)公司新版“十八項反措”明確規(guī)定電壓二次回路只允許有一點接地，并要求定期進行檢查，防止出現(xiàn)電壓二次回路多點接地的現(xiàn)象。

2、電壓二次回路多點接地簡述

對于電壓二次回路的接地問題，一般只允許在控制室內(nèi)有一點接地，為保證接地可靠，各電壓互感器的中性線不得接有可能斷開的開關(guān)或熔斷器等。己在控制室一點接地的電壓互感器二次線圈，宜在開關(guān)場將二次線圈中性點經(jīng)接地保護器或放電間隙或氧化鋅閥片接地，并應(yīng)定期檢查接地保護器或放電間隙或氧化鋅閥片，防止造成電壓二次回路多點接地的現(xiàn)象。

放電間隙擊穿或線路壓變一二次接地誤連通等回路誤接線等原因均可能造成第二個接地點，正常保護、測控裝置不會告警，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障，接地電流注入地網(wǎng)時，接地網(wǎng)網(wǎng)格中各點間將不再完全等電位，二點接地的電壓回路中性線上將產(chǎn)生附加電壓，使得保護測控裝置感受的相電壓和自產(chǎn)零序電壓受其附加電壓影響，采集的電壓不光是幅值發(fā)生變化，甚至相位反相，影響保護裝置的正確測量，進而可能導(dǎo)致距離保護、零序保護等保護發(fā)生不正確動作。

因而對電壓回路中性線的多點接地問題的研究很有現(xiàn)實意義，若能夠及時準確地發(fā)現(xiàn)多點接地隱患，將極大地有助于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

3、電壓回路多點接地檢測技術(shù)

3.1多點接地的檢測難點

電壓二次回路中性線在正常運行時就是一點接地的，中性點電壓基本為零，即使發(fā)生多點接地，中性點的電壓仍基本為零，測量裝置或保護裝置也不會發(fā)生異常，不能有效告警，多點接地只有在系統(tǒng)發(fā)生故障時才會產(chǎn)生嚴重影響。

由于電壓二次回路接地點要求保持永久接地，在運行時不容許短時斷開，這就給檢測寄生接地點帶來極大的難度。

3.2注入法檢測技術(shù)原理

為了滿足一點接地的要求，變電站電壓二次回路各中性線形成一個互相連通的網(wǎng)絡(luò)，通常在控制室一點接地。由于無法通過正常運行時各電氣量的檢測來發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生多點接地，因此考慮檢測外加電氣量的辦法來解決。

當(dāng)中性線網(wǎng)絡(luò)只有一個接地點時，如果從該網(wǎng)絡(luò)的任意一點對地之間注入電流，那么根據(jù)基爾霍夫電流定律，流入永久接地點的電流應(yīng)該與注入的電流值相同，如果存在差異，則說明中間某處有寄生接地點導(dǎo)致分流。進而根據(jù)中性線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)檢測相關(guān)中性線回路注入電流分布情況，可以檢測查找出寄生接地點。

如圖3.1所示，圖中A、B、C、D為中性線網(wǎng)絡(luò)的一條支路中的幾處接點，R1，R2，R3分別為支路中三段導(dǎo)線的電阻，D為永久接地點，R為在第二接地點接地電阻。

A點對地（接地點）注入微小的電流I，在正常情況下（單點接地）流經(jīng)接地導(dǎo)線AB段.BC段和CD段的流應(yīng)該是相等的，都為注入的電流信號1。如果在支路中存在其它的接地點（比如圖中的C點）。R為接地電阻.由于R的分流作用，流經(jīng)接地導(dǎo)線的CD段的電流必定小于注入的電流信號。基于這個原理.使用高精度的電流表.檢測流經(jīng)AB，BC，CD段的電流并與注入的電流相比較，即可找到故障的接地點。

3.3注入法檢測方案分析

注入法檢測技術(shù)的關(guān)鍵是注入電源和測試方案的選擇。注入電源選擇需要考慮其頻率和幅值對保護、測控裝置測量造成的影響；測試方案的選擇主要考慮不同的注入點對保護、測控裝置測量的影響。

利用MATLAB進行仿真計算，并利用仿真結(jié)果分析測量誤差。不同幅值、相位低頻交流和直流電源注入在不同地注入點，計算保護測控裝置測量到的電壓誤差，得到如下結(jié)論：

（1）注入電源與電壓互感器輸出電壓間的相位差對測量精度影響較小；

（2）不同的測試頻率對測量精度影響也較小，但直流電源對測量精度影響最??；

（3）注入點應(yīng)選擇中性線，不宜選擇相電壓線。如果選擇相電壓線，注入電源都將對二次設(shè)備的測量帶來誤差，特別當(dāng)電網(wǎng)故障時，由于電壓互感器二次電壓減小，注入電源不變將使測量誤差百分比大大增加：另外測試儀故障也可能導(dǎo)致電壓回路異常，危害很大；盡管保護、測控裝置中的電壓變換器隔離能隔離直流分量，但可能影響其磁特性，所以應(yīng)該選擇在中J性線注入。

綜上可知，選擇直流源或低頻交流源注入檢測的方案。經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)高精度電流源信號發(fā)生器設(shè)計已沒有難度，直流小電流精確感應(yīng)測量技術(shù)也已經(jīng)成熟可用，從降低信號注入對電力系統(tǒng)二次設(shè)備的影響出發(fā)，選擇直流電流注入更合理安全。

3.4注入法檢測系統(tǒng)研制

經(jīng)過上節(jié)的分析，確定直流電流源從中J性線注入的檢測方案作為最終方案。

為將該多點接地檢測技術(shù)實際使用驗證并轉(zhuǎn)化應(yīng)用，協(xié)同企業(yè)研制了一套基于直流電流源注入原理的電壓二次回路中性線多點接地檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一臺高精度直流電流發(fā)生器和一只基于霍爾原理和注入固有變化量磁通的高精度直流微電流鉗形表。

為減少對運行系統(tǒng)的影響，檢測系統(tǒng)在保證測量精度的前提下，盡可能減小注入量。采用了直流脈沖電流源及差分測量方法，降低了直流鉗形表零漂及外部干擾帶來的測量誤差；并對直流電流發(fā)生器設(shè)置了10mA、100mA兩個檔位，同樣鉗形表也設(shè)置了相應(yīng)的測量檔位提高系統(tǒng)測量精度。

由于電流源加在大阻抗負載上可能產(chǎn)生高電壓不利安全，系統(tǒng)還在直流電流發(fā)生器上增加限值保護元件，以保證安全。

4、注入法現(xiàn)場實測

檢測系統(tǒng)樣機研制成功后首先在寧波電網(wǎng)進行了現(xiàn)場實測驗證，取得了良好的效果。

4.1未投運變電站檢測試驗

首先在一座接線完善、等待投運的220kV變電變進行試驗。電壓二次回路中性線網(wǎng)絡(luò)如圖

4.1.1正常工況檢測

在正常接線情況下選擇各典型點A、B、C、D、E、F注入10mA脈沖電流源，檢測注入點電流、永久接地點（也就是全所唯一接地點）電流，所得測試數(shù)據(jù)如表4-1所示：

注：分流比=（注入點電流一永久接地點電流）/注入點電流，以下同。

由表4-1可知，在各典型點注入10mA脈沖電流源時，各點分流比均在1%以內(nèi)。在整個中性線網(wǎng)絡(luò)全所一點接地的情況下，不同注入點測得的分流比是不變的，且趨近于O。實測結(jié)果表明，該變電壓回路中性線網(wǎng)絡(luò)有且僅有一點可靠接地。

4.1_2人工模擬金屬性第二接地點

在離永久接地點最遠的110kV ll母電壓互感器端子箱處B點直接接地，在典型位置A、B、C、D、E、F點逐一注入約10mA脈沖電流源，檢測注入點電流和永久接地點電流，所得測試數(shù)據(jù)如表4-2所示：

由表4-2數(shù)據(jù)可知，分流比與第二接地點位置、恒流源注入位置密切相關(guān)。在特定一處注入，可能無法發(fā)現(xiàn)某些地方的第二接地點（如A點），但只要按測試要求在多處注入電流（如B點，C點），本檢測儀能準確地反應(yīng)是否存在第二接地點。而且電氣上越靠近第二接地點的分流比越大，能比較方便找到第二接地點，這是其他測試方法不具備的。在其他點接地，也得到同樣結(jié)論。

4.1.3人工模擬非金屬性第二接地點

在實際工作中，誤接線常常由于電纜破損、放電間隙損壞等引起，可能通過一定的過渡電阻接地，為驗證本系統(tǒng)對過渡電阻的適應(yīng)能力，在110kV Ⅱ母電壓互感器端子箱B點經(jīng)10Ω電阻接地，分別在各典型位置A、B、C、D、E、F注入約100mA脈沖電流源，檢測檢測注入點和永久接地點電流。所得測試數(shù)據(jù)如表4-3所示：

通過分析表4-3中的數(shù)據(jù)可知，第二接地點如非金屬性接地，對檢測的靈敏度有影響，因為非金屬性接地時分流比要比金屬性接地時小。恒流源注入位置越靠近第二接地點處，分流越大，檢測效果越好。當(dāng)出現(xiàn)注入點處的注入電流與永久接地點電流如有明顯不同，則認為存在第二接地點。

將第二接地點電阻更改為5 0，作相同試驗，分流非常明顯。

通過現(xiàn)場測試應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，只要檢測各典型點注入電流和永久接地點電流，檢測其分流情況即可判斷是否存在多點接地。如各點注入均無明顯分流，可認為網(wǎng)絡(luò)只有一點接地；任一注入點測得有明顯分流，則可認為該點附近存在第二接地點。

4.2注入法現(xiàn)場安全性驗證

為驗證在中性線注入直流電流對交流電壓回路影響有多大，在運行變電站做了以下試驗：在變電站的一臺故障錄波器屏內(nèi)，把直流電源（對地110V）直接短接到電壓回路中性線上，檢查保護、測控裝置測量值，并啟動手動錄波，比較短接前后的各電壓錄波波形，結(jié)果表明電壓回路中性線上注入直流對交流電壓的測量基本沒有影響。

由于采用微電流注入法檢測電壓回路多點接地的注入電流很?。ㄖ挥?0mA或100mA），加上中性線線電阻很?。ㄒ话阈∮? O），實際注入的電壓非常小，由此進一步說明了直流電流注入中性線不影響運行設(shè)備，具有很強的安全性。

4.3運行變電站檢測試驗和實際應(yīng)用

本測試方法不改變?nèi)倦妷夯芈方泳€，僅在電壓回路中線線上短時注入10mA或100mA微電流檢測電壓回路多點接地，具有很強的靈敏性和安全性。

為了驗證在運行變電站的適用性，再次安排在—座運行110kV變電變進行相同檢測和人為接地試驗。正常工況下，不同位置注入微電流，只有永久接地點有相同電流：人為增加可變電阻第二點接地，即使電阻達到20Ω電阻情況下，該方法仍能分辨有分流，方便查出多余接地點。

后來對寧波電網(wǎng)41座220kV變電站進行了電壓回路中性線多點接地檢測，測試發(fā)現(xiàn)多座變電站存在多點接地情況，有放電間隙擊穿、電纜絕緣不良、擴建設(shè)備壓變回路誤接地等情況，立即進行了處理，消除隱患。其中有一個變電站有多個110kV間隔線路壓變一二次接地誤連通，也通過本方法查出整改。寧波局已將應(yīng)用本方法定期檢查電壓二次回路一點接地作為專業(yè)檢查項目。

結(jié)論：

本文研究的微電流注入檢測電壓回路中性線多點接地的裝置和方法經(jīng)實際驗證是安全、方便，有效的，解決了以往變電站一旦投。