基于零序有功分量法的短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的選線原理分析

陳曉川

摘 要：因?yàn)闄C(jī)理局限，選線試驗(yàn)效果好而實(shí)際準(zhǔn)確性差的怪象成為消弧選線裝置的常見情形。為此，供電局嘗試采用了對(duì)消弧裝置本體進(jìn)行加裝并聯(lián)小電阻的改造方案，在單相接地故障時(shí)消弧線圈投入的瞬間投入小電阻，在短時(shí)內(nèi)制造出明顯的零序電流有功分量，極大地強(qiáng)化故障特征，有效提高選線的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：消弧線圈；故障選線；并聯(lián)電阻；零序有功分量

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求，近年來(lái)我國(guó)配電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，用電設(shè)備容量也逐年增加。特別是在電力線路上，近年來(lái)電纜呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，而隨著電線電纜的增加，當(dāng)發(fā)生電路故障時(shí)，單相接地故障產(chǎn)生的容性電流也增大。為了解決該問(wèn)題，供電局目前主要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地模式。

當(dāng)單相接地故障發(fā)生，它表現(xiàn)的主要特點(diǎn)為電流小，相對(duì)應(yīng)的非故障電壓反而升高，但整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓保持正常，還可以正常繼續(xù)運(yùn)行1h～2h。單相接地故障雖然對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)電壓不造成影響，但長(zhǎng)期發(fā)生故障會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，安全問(wèn)題也隨之增加，為了預(yù)防安全隱患，也為了保持整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在發(fā)生故障之后，必須正確地找出故障點(diǎn)，立即解決。

但是消弧線圈的感性電流補(bǔ)償電容電流后，故障特征變微弱，使得選線裝置難以感受到故障量，從而選線變得困難。所以，解決選線不準(zhǔn)的核心就在于不影響消弧補(bǔ)償?shù)那疤嵯率构收狭棵黠@。

1.目前消弧線圈接地選線的普遍情況

目前供電局主要采用的消弧選線裝置主要有兩種，分別是廣州智光電氣生產(chǎn)的消弧選線裝置和上海思源電氣的5次諧波法。在購(gòu)買裝置時(shí)，相關(guān)設(shè)備試驗(yàn)性良好，但在實(shí)際使用過(guò)程中，卻容易出現(xiàn)失效。廣州智光電氣采用消弧選線裝置原理為：接地選線和消弧線圈聯(lián)合，在消弧線圈補(bǔ)償時(shí)提供擾動(dòng)量，結(jié)合補(bǔ)償前后各條線路零序電流的變化進(jìn)行判斷。但是故障線路零序電流大小變化和接地過(guò)渡電阻阻值有關(guān)，一般是阻值越小，電流越大；阻值越大，電流越小。當(dāng)它在判斷高阻接地時(shí)，由于電流過(guò)小，就難以判斷。

上海思源則采用5次諧波法，它的運(yùn)用原理為：線路電容電流的5次諧波大于消弧線圈補(bǔ)償電流5次諧波，利用線路電流諧波和消弧線圈補(bǔ)償諧波的相反原理，可以判別出故障線路和非故障線路。但由于電力系統(tǒng)中存在非線性鐵芯設(shè)備，且數(shù)量較多，這些非線性鐵芯設(shè)備產(chǎn)生的諧波較高，而零序5次諧波電流的幅值很小，故障量不明顯，在干擾下，就難以判斷故障線路。

鑒于以上消弧接地選線裝置普遍存在實(shí)際選線不準(zhǔn)的問(wèn)題，經(jīng)了解佛山供電局已經(jīng)開始對(duì)部分變電站進(jìn)行了消弧線圈及選線裝置改造，目前采用的故障選線方式為利用消弧線圈并聯(lián)小電阻。連接原理為：在消弧線圈兩端并聯(lián)小電阻，小電阻增加的電流會(huì)使接地電流相位幅值發(fā)生明顯的改變。這樣的連接方法有效克服消弧選線裝置和5次諧波法的缺點(diǎn)，金屬接地、母線接地、高阻接地發(fā)生故障后都能準(zhǔn)確地選線，實(shí)際準(zhǔn)確性高達(dá)100%。下面就短時(shí)投切并聯(lián)小電阻接地選線的原理和零序電流有功分量法的計(jì)算方法進(jìn)行分析討論。

2.消弧線圈短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的接地選線原理

在實(shí)際選線的過(guò)程中，由于零序電流互感器等因素的影響，有功分量太小造成選線準(zhǔn)確性難以保證。而在消弧線圈兩端并聯(lián)一個(gè)電阻可以提高消弧選線的正確性。當(dāng)發(fā)生單相接地故障，短時(shí)間內(nèi)可控電抗器立即輸出補(bǔ)償電流，減小接地產(chǎn)生的電流，最終消除弧光。如果是瞬時(shí)性接地故障，則故障消除，恢復(fù)正常狀態(tài)；若為永久接地故障，則可以通過(guò)控制高壓接觸器將小電阻瞬時(shí)投入系統(tǒng)中，借助有功電流產(chǎn)生的變化選線，而因?yàn)椴⒙?lián)電阻產(chǎn)生的零序有功電流只通過(guò)故障線路，故障線路的零序有功功率比非故障線路大，因此可以以零序有功分量作為選線的判斷依據(jù)，這樣的方式可以提高故障選線的準(zhǔn)確性，再利用線路保護(hù)裝置將接地線路跳閘，隔離故障線路。

單相接地故障發(fā)生后，5s內(nèi)中性點(diǎn)的零序電壓可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，這時(shí)并聯(lián)小電阻，可以避免單相接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程和瞬時(shí)性接地故障。小電阻的阻值選擇需要依據(jù)單相金屬接地故障產(chǎn)生的電流，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)間需要根據(jù)各條線路對(duì)零序電流采樣時(shí)間決定。過(guò)流保護(hù)的出口時(shí)間一般為3s～5s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小電阻的投入并聯(lián)的短暫時(shí)間，因此并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)原有的運(yùn)行方式造成任何影響。當(dāng)選線結(jié)束后，立即退出并聯(lián)電阻，通流時(shí)間控制在1s之內(nèi)。

3.零序電流有功分量法的計(jì)算分析

以下詳細(xì)展現(xiàn)3條出線的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)小電阻接地系統(tǒng)，為了觀察方便，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化畫出單相接地時(shí)三相的電容電流分布圖，如圖1所示。

由上可知，本支路對(duì)地電容產(chǎn)生的容性電流是流過(guò)非故障線路的唯一零序電流，相位超前零序電壓90°。但通過(guò)故障線路的零序電流包括3種：

第一是非故障線路零序電流之和，相位滯后零序電壓90°；

第二是消弧線圈產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，相位超前零序電壓90°；

第三是中性點(diǎn)電阻產(chǎn)生的電流，相位滯后零序電壓180°，此電流為有功分量。

永久性單相接地故障發(fā)生時(shí)，連接在消弧線圈上的電阻通過(guò)斷路器或者雙向晶閘管接入，使通過(guò)故障點(diǎn)的電流加大。

I=IR+IL+IC

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，

因?yàn)殡姼须娏髋c電容電流互為補(bǔ)償關(guān)系，因此IL+IC≈ 0，因此I≈IR。

由此可知，并聯(lián)在消弧線圈上的電阻R取值合適，就可以加大流過(guò)故障點(diǎn)的有功電流分量，而有點(diǎn)電流分量加大后導(dǎo)致通過(guò)故障點(diǎn)的零序電流增加，而非故障線路通過(guò)的電流較小，由此可以判斷故障線路和非故障線路。當(dāng)故障線路選出后，并聯(lián)小電阻的退出可以通過(guò)斷開斷路器來(lái)完成。

圖2展示了故障和非故障線路零序電流向量。由圖2可見，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈在沒有并聯(lián)電阻的前提下，通過(guò)故障線路的零序電流可能比非故障線路的零序電流小，這樣的情況下就難以判斷故障和非故障線路；如果消弧線圈并聯(lián)小電阻，通過(guò)故障線路的電流只有并聯(lián)電阻產(chǎn)生的零序電流，故障線路的零序電流增大后，就可以判斷故障線路和非故障線路。

4.消弧線圈短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的理論和實(shí)際效果

從理論的角度來(lái)看，消弧線圈并聯(lián)電阻后，既能使用消弧線圈本身的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能避免消弧線圈難以判斷故障和非故障的缺點(diǎn)。同時(shí)，并聯(lián)電阻運(yùn)行時(shí)間短，對(duì)電路系統(tǒng)產(chǎn)生影響小，因此中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，用短時(shí)投切并聯(lián)小電阻進(jìn)行故障選線是一個(gè)可供選擇的方案，這對(duì)進(jìn)一步保證供電質(zhì)量、提高供電可靠性具有很大益處。

從運(yùn)行的角度來(lái)看，由于供電局新改造的短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的消弧選線裝置，還沒有按投入并聯(lián)小電阻的方式整定，所以實(shí)際運(yùn)行中的選線正確性效果還暫時(shí)未能驗(yàn)證。不過(guò)，根據(jù)兄弟單位供電局的短時(shí)投切并聯(lián)小電阻消弧選線裝置的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，選線準(zhǔn)確性幾乎達(dá)到了100%。

結(jié)語(yǔ)

隨著相關(guān)技術(shù)和配電網(wǎng)的發(fā)展，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式逐漸得到廣泛使用，然而消弧線圈產(chǎn)生的電感電流抵消了故障線路中的電容電流，給選線準(zhǔn)確性帶來(lái)了難題。本文針對(duì)目前供電局消弧選線裝置普遍存在實(shí)際選線準(zhǔn)確性較差的情況，通過(guò)零序電流有功分量法的計(jì)算方法，從并聯(lián)小電阻的接地選線原理進(jìn)行研究分析，闡明了短時(shí)投切并聯(lián)小電阻方案的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了該方案選線的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]廣州智光電氣有限公司. DDS-02E 型配電網(wǎng)接地故障智能檢測(cè)裝置技術(shù)說(shuō)明書 [Z]. 2003：6-7.

[2]上海思源電氣股份有限公司. XHK-II-ZP 型消弧選線自動(dòng)調(diào)諧及成套裝置使用說(shuō)明書 [Z]. 2007：14-15.

[3]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[4]牟龍華.零序電流有功分量方向接地選線保護(hù)原理[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（9）：60-62.

[5]薛金娃.零序電流有功選線與消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障處理過(guò)程優(yōu)化[J].繼電器，2004，32（2）：61-63.

[6]程路，陳喬夫.小電流接地系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（18）：219-223.