配電網(wǎng)故障選線方法與發(fā)電機保護的配合

劉冠中，馮 登，李 響，張哲維

（1.武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

配電網(wǎng)事故頻發(fā)，對供電穩(wěn)定性造成了較大影響。其中，單相接地故障約占總故障的70%以上[1]，故障發(fā)生后，可能會產(chǎn)生弧光接地，引發(fā)更大的事故。如何對故障線路準確快速地識別，一直是我國需要解決的問題。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，許多企業(yè)將自己裝設的發(fā)電機直接連入系統(tǒng)，對故障選線產(chǎn)生了影響。目前，單相接地故障選線的技術(shù)大致分為基于穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量兩大類。本文對目前基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法進行綜述，并分析直配發(fā)電機接入對選線效果的影響以及保護之間的配合問題。

1 常見配電網(wǎng)故障接地辨識技術(shù)

1.1 零序電流幅值相位比較法

零序電流幅值相位比較法包括基于穩(wěn)態(tài)分量的方法和基于暫態(tài)分量的方法。穩(wěn)態(tài)法主要包括零序電流幅值比較法、零序電流相位比較法、零序電流比幅比相法[2]和諧波法等基于穩(wěn)態(tài)電流信號的方法。暫態(tài)法主要包括首半波法、行波法等。

基于穩(wěn)態(tài)選線的方法判據(jù)簡單，可操作性強，在中性點不接地系統(tǒng)中選線正確率較高。但是，在中性點不接地系統(tǒng)中，零序穩(wěn)態(tài)電流較小。在采用消弧線圈接地的系統(tǒng)中，零序電流難以檢測，此方法不再適用。該方法受故障點位置、接地電阻等影響。

在采用消弧線圈接地的系統(tǒng)中，基于零序電流暫態(tài)分量選線的方法有較強的適用性。通過分辨故障線路和健全線路的暫態(tài)電流的幅值和極性，達到區(qū)分故障線路的效果。

1.2 主動式判別方法

主動式選線法通過外加信號進行選擇。一般從PT二次側(cè)注入信號，信號頻率介于整倍的諧波頻率之間，避免工頻及諧波信號的干擾。目前，使用較多的是“S”注入法（注入220 Hz信號）[3]。該方法不受消弧線圈影響，不要求在線路上裝設零序電流互感器，但注入信號強度受電壓互感器容量限制。接地電阻較大時，故障線路和健全線路信號差異不明顯，不易檢測。

1.3 根據(jù)零序電流變化量的選線方法

通過對故障情況下零序電流的變量進行選線的方法有殘流增量法[4]、小擾動法、中電阻法等。通過改變消弧線圈失諧度改變前后零序電流變化量最大的線路，或選擇投切阻尼電阻后零序電流變化最大的線路為故障線路。

殘留增量法的電流變化量一般在10 A左右。小擾動法電力電子動作速度快的特點，實現(xiàn)了持續(xù)時間很短的殘流變化，一般為數(shù)個工頻周波，便于實現(xiàn)重復調(diào)整，可靠性比殘留增量法高。中電阻法和殘留增量法的優(yōu)勢是附加電流大，一般為40～50 A。

利用電流變化量的方法需要額外的設備，必須依賴自動調(diào)諧消弧線圈或電抗配合，殘流增量法、小擾動法在高阻接地故障情況下效果較差。對于中電阻法利用的附加電流較大，影響故障點的熄弧，易形成安全隱患。

另外，能量函數(shù)法以及與智能算法相結(jié)合的選線算法如神經(jīng)網(wǎng)絡、小波變換等也有涉及。這些方法可以進一步處理故障特征分量，但距離實際應用還需一定的時間。

2 發(fā)電機定子接地保護

發(fā)電機定子單相接地故障比例較高，占定子故障的70%～80%。定子繞組單相接地并不會引起很大的短路電流，不屬于嚴重的短路故障。但是，發(fā)電機定子單相接地會引起中性點電壓升高，危害中性點絕緣。因此，發(fā)生故障時需要發(fā)出警報，必要時跳閘切機。一般采用基波零序電壓保護和三次諧波電壓保護構(gòu)成發(fā)電機100%定子繞組單相接地保護[5]。

2.1 零序電壓保護

發(fā)電機定子繞組單相接地時，零序電壓隨著故障點α（中性點到故障點繞組占全部繞組的百分數(shù)）的變化如圖1所示，Uop為定子接地保護的動作電壓。

圖1 定子繞組單相接地時基波零序電壓與故障點位置的關(guān)系

一般發(fā)電機要經(jīng)過變壓器（組）連接到系統(tǒng)中。零序電壓保護常用于這種接線形式的發(fā)電機。發(fā)電機正常運行時，相電壓中含有三次諧波，可能產(chǎn)生不平衡零序電壓，因此要有三次諧波濾除裝置。但是，該保護一般只能保護定子繞組的85%，在繞組接地故障點距離中性點較近時存在動作死區(qū)，需要由其他原理保護（如三次諧波原理或疊加電源原理），從而共同構(gòu)成100%定子接地保護。

2.2 三次諧波電壓保護

發(fā)電機正常運行時，也會有三次諧波電動勢。一般來說，機端三次諧波電壓US3要小于中性點三次諧波電壓UN3。

定子繞組發(fā)生單相接地故障時，其三次諧波電動勢分布等值電路圖如圖2所示[6]。

圖2 故障發(fā)生時三次諧波電動勢分布示意圖

中性點三次諧波電壓和機端三次諧波電壓滿足關(guān)系：

因此，可利用三次諧波構(gòu)成保護。

如圖3所示，保護的動作條件為US3＞UN3，正常運行時保護不會動作。

圖3 機端、中性點三次諧波電壓US3與UN3隨故障點位置的變化

3 發(fā)電機保護與線路保護的配合

3.1 線路故障對發(fā)電機保護的影響

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障會產(chǎn)生零序電壓。發(fā)電機定子接地保護同樣使用零序電壓作為判據(jù)，這種情況下線路故障可能引起發(fā)電機保護誤動作。一般線路保護的整定時限為1～2 h，發(fā)電機保護整定時限為15～30 min。于是，在線路保護動作前，發(fā)電機保護就會動作，造成切機。

一般情況下，發(fā)電機機端的三次諧波電壓小于發(fā)電機中性點三次諧波電壓。若發(fā)電機直接連接在母線上，電網(wǎng)中的諧波就會疊加在機端。在發(fā)生單相接地故障等情況下，諧波含量增大，可能造成發(fā)電機機端三次諧波電壓升高，使得發(fā)電機定子保護誤動作。

3.2 發(fā)電機定子接地故障對線路保護的影響

（1）若系統(tǒng)采用中性點不接地形式，發(fā)電機定子發(fā)生單相接地時，系統(tǒng)也會出現(xiàn)零序電壓。此時，若采用零序電流比幅比相法或諧波法對饋線進行選線，饋線的零序電流極性相同，判斷為母線故障，切除母線則擴大了停電范圍。同時，若接地點離中性點較近，零序電壓較小，采用諧波法、有功分量法獲得的檢測量都會較小，難以檢測。

（2）若發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地，發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障，采用殘留增量法時，調(diào)節(jié)消弧線圈數(shù)值，發(fā)電機所在線路的零序電流并不會有明顯變化，影響了選線效果。零序有功分量法存在類似問題。調(diào)節(jié)降壓變二次側(cè)的消弧線圈時，發(fā)電機的零序電流有較大變化，可以判別故障。

信號注入法幾乎不受系統(tǒng)接地形式和直配發(fā)電機接入的影響，適用情況見表1。

表1 含直配發(fā)電機系統(tǒng)中性點采用不同接地方式時各選線方法的適用性

3.3 保護整定的配合

為了使發(fā)電機保護和線路保護能夠有效配合，保證保護的選擇性，需要重新整定線路保護動作時限。在進行選線時，以零序電流比幅比相法為例，可以先對其他線路進行判斷，在排除線路故障后，再判斷是否為發(fā)電機故障。這應使得線路保護動作時限小于發(fā)電機保護動作時限，這樣其他線路發(fā)生單相接地故障時，能夠在達到發(fā)電機定子保護動作時限前切除故障，防止發(fā)電機定子保護誤動作。

4 結(jié) 論

配電網(wǎng)常用的接地故障選線方法，在直配發(fā)電機接入后可能出現(xiàn)選線不準確的情況。為了提高選線準確性，減少保護誤動作，應該根據(jù)系統(tǒng)接地形式選擇選線方法，重新整定保護動作時限，實現(xiàn)發(fā)電機保護與線路保護的配合。