小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)

朱世東（國(guó)網(wǎng)成都市新都供電公司，四川 成都 610045）

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小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線技術(shù)

朱世東（國(guó)網(wǎng)成都市新都供電公司，四川 成都 610045）

本文簡(jiǎn)要分析小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的電路模型和故障特征；概述了現(xiàn)有的單相接地故障選線原理、方法及優(yōu)缺點(diǎn)；基于當(dāng)前小電流接地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提出了當(dāng)前選線技術(shù)研究的難點(diǎn)，因此對(duì)現(xiàn)有的選線技術(shù)和裝置進(jìn)行融合改進(jìn)是提高選線技術(shù)可靠度和精確度的重要研究方向之一。

小電流接地系統(tǒng)；單相接地故障；零序電流

引言

小電流接地系統(tǒng)包括中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地系統(tǒng)。而在我國(guó)主要采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。小電流接地系統(tǒng)具有持續(xù)性久和可靠性高的特點(diǎn)［1］。

隨著電網(wǎng)發(fā)展，饋線的不斷增多，線路電容電流也在不斷增大，且長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)使得單相接地故障擴(kuò)大，引起系統(tǒng)過(guò)電壓，甚至損壞設(shè)備，破壞運(yùn)行，所以必須及時(shí)查出故障線路予以切除。

長(zhǎng)期以來(lái)，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障查找最常用的方法就是逐條拉路法。然而這種方法會(huì)造成非故障線路短時(shí)供電，嚴(yán)重影響供電可靠性；且對(duì)用戶造成了越來(lái)越大的損失。這迫切要求開發(fā)出可靠實(shí)用的選線技術(shù)。傳統(tǒng)選線裝置以故障時(shí)電氣量為判別依據(jù)，選出一條或幾條線路供調(diào)度參考，準(zhǔn)確率低。隨著微機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，選線方法更加多樣化，而如何利用現(xiàn)有的微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)資源進(jìn)行準(zhǔn)確的選線是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題［2～3］。

1　電路模型與故障特征

1.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障

圖1　中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障模型

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)電路模型如圖1所示。當(dāng)在線路A相k點(diǎn)發(fā)生單相接地時(shí)，線路中零序電流流向如圖中虛線所示。壓電流矢量圖。結(jié)合圖1可以分析得到［4］：

圖2　中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)金屬性單相接地電壓電流矢量圖

（1）發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，故障相對(duì)地電壓降為0，而非故障相電壓升高為線電壓。系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓電流。

（2）非故障線路的零序電流大小等于本線路的接地電容電流，電容性無(wú)功功率的方向?yàn)橛赡妇€流向線路。

（3）故障線路零序電流Ik等于非故障線路零序電流之和，即是非故障線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€路流向母線。

（4）非故障線路的零序電流超前零序電壓90°，而故障線路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線路的零序電流與非故障線路零序電流在相位上相差180°。

1.2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障

圖3　中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障模型

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中單相接地故障的電路模型如圖3所示，其零序電流量特征主要不同點(diǎn)如下：

（1）故障線路的零序電流Ik等于系統(tǒng)總電容電流減去消弧線圈補(bǔ)償電流IL的殘流。

（2）消弧線圈的電流也經(jīng)過(guò)接地故障點(diǎn)和故障線路的故障相，但它不通過(guò)非故障線路。

當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有消弧線圈補(bǔ)償，故障線路零序電流為所有非故障線路電容電流之和，其幅值較大，相位與非故障線路相反，故障特征明顯，對(duì)選線有積極作用，缺點(diǎn)是殘流較大，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)單相接地故障選線更加困難［5］。

1.3中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地系統(tǒng)單相接地故障

中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地系統(tǒng)的單相接地故障電路模型如圖4所示，與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的情況不同在于：接地電流中有較大的電阻分量，對(duì)諧振有明顯的阻尼和加速衰減作用；如電阻太大，就會(huì)影響供電的可靠性。

1.4小電流接地系統(tǒng)單相故障暫態(tài)特征

如圖5所示，為常用的分析小電流接地系統(tǒng)單相故障暫態(tài)量的等效電路圖，其中U0為零序電源電壓，C表示三相對(duì)地總電容，L0表示三相線路和變壓器等在零序回路中的等值電感，L表示消弧線圈的集中電感（對(duì)于；rL表示消弧線圈的電阻，R0表示零序回路中的等值電阻（L，rL的值可根據(jù)中性點(diǎn)接地情況取零值或無(wú)窮大）。

圖4　中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地系統(tǒng)單相接地故障模型

圖5　小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)分析模型

從等效暫態(tài)分析模型可以得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)單相接地故障發(fā)生后，在故障點(diǎn)便有衰減很快的暫態(tài)電容電流和衰減較慢的暫態(tài)電感電流流過(guò)。暫態(tài)接地電流的幅值雖然很大，但是持續(xù)時(shí)間很短，約為0.5～1個(gè)工頻周期［6］。

（2）不論電網(wǎng)中性點(diǎn)為諧振接地或不接地方式，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率均主要由暫態(tài)電容電流所確定，其幅值均和初始相角有關(guān)。

優(yōu)缺點(diǎn)：小電流接地系統(tǒng)單相接地故障中暫態(tài)零序電流幅值大、檢測(cè)靈敏度高，但持續(xù)時(shí)間短，受電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的影響很大，使其不能被有效的采集；而隨著微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，這一缺陷能夠得到有效地克服［6］。

2　常用小電流接地系統(tǒng)線技術(shù)與局限性

2.1基于穩(wěn)態(tài)分量的選線技術(shù)

2.1.1絕緣監(jiān)測(cè)裝置

單相接地是常見故障，由于接地電流小，所以接地保護(hù)靈敏度較差。所以目前絕大多數(shù)變電站采用交流絕緣監(jiān)視裝置對(duì)接地故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是對(duì)于通過(guò)過(guò)渡電阻發(fā)生不完全接地故障時(shí)，接地相對(duì)地電壓降低而為零，非接地相電壓升高但不為線電壓，此時(shí)絕緣監(jiān)視裝置的靈敏度就大大降低。采用絕緣監(jiān)測(cè)裝置的選線技術(shù)，值班人員依據(jù)報(bào)警電壓信號(hào)，需要采取傳統(tǒng)的逐條拉路法來(lái)選出接地線路，這也是其最大的缺陷。

2.1.2零序電流比幅法

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路故障零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。因此，故障線路的零序電流比非故障線路零序電流大很多。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作或允許狀況發(fā)生變化時(shí)，電容電流分布也發(fā)生相應(yīng)變化，故保護(hù)裝置的動(dòng)作值難以整定?？梢姶朔ㄔ诶碚撋鲜遣煌陚涞模?］。

2.1.3零序電流方向法

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，故障線路上的零序電流從線路流向母線，而非故障線路的零序電流方向是從母線流向線路。因此，根據(jù)零序電流的方向，可以判斷出故障線路。但是有時(shí)故障線路的零序電壓和零序電流均很小，很難判斷方向。

此類保護(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。

2.1.4五次諧波零序功率法

在經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，由于消弧線圈對(duì)五次諧波分量呈現(xiàn)的阻抗較基波分量時(shí)增大到5倍，因此，消弧線圈已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能補(bǔ)償五次諧波的電容電流。5次諧波法可以消除消弧線圈的影響，但是由于故障電流中的5次諧波分量很小，檢測(cè)的靈敏度低。為提高靈敏度，可以將3、5、7次諧波分量的平方和進(jìn)行幅值比較，但這從根本上解決不了檢測(cè)靈敏度低的問(wèn)題。

2.1.5零序電流有功分量法

由于線路存在對(duì)地電導(dǎo)以及消弧線圈存在電阻，故障電流中就會(huì)含有有功分量。非故障線路消弧線圈產(chǎn)生的有功分量方向相同且都經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)返回，因此，可以利用故障線路有功分量比非故障線路有功分量大且方向相反的特點(diǎn)選出故障線路。但是由于非故障線路中有功分量比較小，而且受到線路參數(shù)的影響，使得其檢測(cè)靈敏度比較低，可靠性得不到有效的保障。

2.1.6注入信號(hào)法

注入信號(hào)法是在發(fā)生接地故障后，通過(guò)電壓互感器的中性點(diǎn)向接地線路注入特定頻率的電流信號(hào)，有注入信號(hào)流過(guò)的線路被選為故障線路。優(yōu)點(diǎn)是不受消弧線圈的影響，不要求裝設(shè)零序電流互感器。其缺點(diǎn)是需要安裝信號(hào)注入設(shè)備。

2.2基于暫態(tài)分量的選線技術(shù)

2.2.1暫態(tài)零序功率法

發(fā)生單相接地故障，暫態(tài)電容電流很大，而經(jīng)消弧線圈的暫態(tài)電感電流很小，可認(rèn)為消弧線圈處于開路狀態(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。

非故障線路暫態(tài)零序功率由線路流向母線。因此，故障線路有功比非故障線路大且方向相反，據(jù)此可選出故障線路。該原理比其他各類反映接地穩(wěn)態(tài)量的原理靈敏度高，對(duì)單相接地反應(yīng)迅速，電流互感器不平衡電流的影響仍然存在。

2.2.2暫態(tài)零序電流法

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障大部分情況下是發(fā)生在電壓接近峰值時(shí)，產(chǎn)生很明顯的暫態(tài)過(guò)程，其電流主頻率是穩(wěn)態(tài)電流的幾倍到幾十倍。暫態(tài)零序電流比較法具有簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但從理論上分析并不是很嚴(yán)格，用于實(shí)際選線有可能出現(xiàn)誤判。

3　結(jié)論與展望

小電流接地的選線問(wèn)題，是一個(gè)至今還不能做到選線完全準(zhǔn)確的問(wèn)題。由于被測(cè)電氣量單一，且幅值較小，常規(guī)方法存在各種各樣的選線盲點(diǎn)。所以，可以從以下幾個(gè)方面入手提高選線速度和精確度：

（1）將基于小電流接地系統(tǒng)單相故障的穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量原理的選線技術(shù)相結(jié)合，綜合各選線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高選線技術(shù)的可靠度和精確性。

（2）提高選線裝置的精確度。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，選線裝置的精確度也應(yīng)該相應(yīng)的提高，在應(yīng)用傳統(tǒng)選線方法的同時(shí)，使故障選線更加精確。

（3）將現(xiàn)代的信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于小電流接地系統(tǒng)故障選線?？衫媚：碚?、不確定性理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行建模，融合各種算法和特征，建立明確指標(biāo)判斷故障線路。

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障查找在實(shí)際運(yùn)行中是一個(gè)重大的難點(diǎn)。現(xiàn)有理論研究已經(jīng)有了一定的深度，但是如何將理論運(yùn)用到實(shí)際的運(yùn)行操作中，還有很長(zhǎng)的一個(gè)過(guò)程。為了更好更快地提高小電流接地系統(tǒng)單相故障選線的精確度，從現(xiàn)有的方法和裝置進(jìn)行融合改進(jìn)是最為快捷有效的方法之一。

［1］郭清滔，吳 田.小電流接地系統(tǒng)故障選線方法綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010（2）：146～152.

［2］齊 鄭，楊以涵.中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（14）：1～5.

［3］徐丙垠，薛永端，李天友，等.小電流接地故障選線技術(shù)綜述［J］.電力設(shè)備，2005，6（4）：1～7.

［4］向小民，雷 雨.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地選線方法的研究［J］.四川電力技術(shù)，2008，30（6）：61～64.

［5］丁 磊.小電流接地系統(tǒng)單相接地選線與定位技術(shù)的研究［D］.山東大學(xué)，2005.

［6］李榮明.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線［D］.重慶大學(xué)，2004.

［7］陳志亮，范春菊.基于5次諧波突變量的小電流接地系統(tǒng)選線［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18（5）：37～41.

朱世東（1965-），男，工程師，本科，主要從事電力企業(yè)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行及管理工作。

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2095-2066（2016）16-0053-03

2016-5-21