基于配網(wǎng)故障點轉(zhuǎn)移開關(guān)的小電接地流選線裝置研制與應(yīng)用

任江波，白胤游，段 毅，商 曾，池 永

(國網(wǎng)重慶市電力公司 綦江供電公司，重慶 401420)

為了避免單相接地故障后，人工拉路選線的尷尬，很多設(shè)備廠商采用各種方法自動選出故障線路。到目前為止，針對中性點不接地電網(wǎng)的選線方法主要是利用零序電流幅[1]大小比較來找出故障線路，但是受系統(tǒng)不平衡、運行方式及過渡電阻的影響較大，其比較方法有以下幾種。

穩(wěn)態(tài)零序電流相位比較[2]是通過比較零序電流方向找出故障線路。采用穩(wěn)態(tài)零序電流相位比較法來判斷故障時，如果故障點離互感器較近或線路很短，或者出現(xiàn)高阻接地故障，測量到的零序電壓、零序電流較小，相位判別較困難，可靠性低。

群體比幅比相法[3]是利用故障信息之間的相對關(guān)系進(jìn)行選線，克服了傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置采用“絕對整定值”時原理上的缺陷，提高了選線正確率。如果僅比較幅值，有可能受到電流互感器精度和不平衡帶來的影響。如果僅比較相位，有可能出現(xiàn)幅值很小的信號相位計算不準(zhǔn)確的問題。

注入信號跟蹤[4]的基本原理是在故障后通過電壓互感器向系統(tǒng)注入一個高頻電流信號，基于尋跡原理，即只有故障線路的故障相才會出現(xiàn)注入的特定信號，故采用信號電流探測器檢測各線路是否有注入的特定頻率信號電流來實現(xiàn)故障選線。存在的主要缺陷是需要附加電源信號裝置，每條線路上需裝設(shè)信號電流探測器，現(xiàn)場實現(xiàn)復(fù)雜；注入信號的功率受電壓互感器容量限制比較微弱，很難準(zhǔn)確測量，在接地點過渡阻抗較大時，線路分布電容對注入信號的干擾大；對于間歇性電弧接地故障，注入信號變化不連續(xù)，直接影響選線的效果。

殘流增量[5]是在線路發(fā)生永久性接地故障時，通過增大消弧線圈的失諧度或中性點投入電阻來降低零序阻抗，提高故障線路零序電流，只有故障線路中的零序電流(即故障點殘流)會隨之增大。這種方法是以人為增大故障電流，犧牲自動跟蹤消弧線圈功能為代價的，有可能因為故障殘流的增大而發(fā)生弧光接地過電壓，而且操作復(fù)雜，在過渡電阻很大時，也會出現(xiàn)誤判，只適用于具有自動調(diào)節(jié)功能的消弧線圈。

負(fù)序電流[6]采用故障線路基波負(fù)序電流比所有非故障線路大，且二者相位相反，通過比較各出線負(fù)序電流的大小和方向可進(jìn)行選線保護(hù)，但是對于絕緣老化、漸變性接地故障的檢測較困難。正常運行時，線路也會存在較大的負(fù)序電流，并且負(fù)序電流的獲取遠(yuǎn)不如零序電流簡單。

對于中性點不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障后，通過故障轉(zhuǎn)移技術(shù)，迅速熄滅故障點電弧，快速控制接地故障的進(jìn)展。通過對比轉(zhuǎn)移前后零序電流的變化這一特征，便可迅速找到故障線路，并通過后臺及調(diào)度遠(yuǎn)方控制，迅速切除故障線路，降低事故發(fā)生的可能。

1 零序電流突變法選線原理

如圖1所示，第5條線路發(fā)生單相接地故障，第1條線路的零序電流基本不變，即：

ΔI1≈0

圖1 選線原理圖

第2條、第3條、第4條同第1條線路一樣，零序電流基本不變，即：

ΔI2≈0，ΔI3≈0，ΔI4≈0

因第5條線路是故障線路，其他非故障線路的電容電流均經(jīng)過故障線路的零序電流互感器返回母線。第5條線路的零序電流變化為：

(1)

一種基于配網(wǎng)故障點轉(zhuǎn)移開關(guān)配合故障轉(zhuǎn)移前后零序電流方向變化原理的故障選線技術(shù)，即配網(wǎng)故障點轉(zhuǎn)移開關(guān)并聯(lián)安裝10 kV母線上，當(dāng)發(fā)生單相弧光接地故障后，裝置的消弧控制器在3～5 ms內(nèi)判斷故障相，迅速發(fā)出快速分相接地開關(guān)的合閘命令，直接將故障相母線接地，將過電壓降至0，將零序電流轉(zhuǎn)移至本裝置內(nèi)部，此時流過本裝置內(nèi)部的零序電流為：

(2)

而故障線路零序電流由ΔI5變?yōu)?，與非故障相的零序電流基本不變相比，故障線路的零序電流突變量最大，故可準(zhǔn)確選出故障線路。

當(dāng)線路發(fā)生的是單相金屬接地故障時，本裝置仍可以將零序電流轉(zhuǎn)移到本裝置內(nèi)。由于線路是金屬接地，本裝置直接接地，線路有兩個接地點，根據(jù)接地電阻不同，零序電流會發(fā)生分流。裝置將故障相母線合閘后零序電流變?yōu)椋?/p>

(3)

其中k為分流比。而故障線路零序電流由ΔI5變?yōu)?1-k)倍的ΔI5，與非故障相的零序電流基本不變相比，故障線路的零序電流增量仍然最大，故可輕易選出故障線路。

2 配網(wǎng)故障點轉(zhuǎn)移開關(guān)式消弧選線裝置

本裝置由消弧控制器、快速分相接地開關(guān)、零序電流互感器、隔離刀閘、帶電顯示器、過電壓保護(hù)器、高壓熔斷器、電壓互感器組成。正常運行時，控制器通過電壓互感器監(jiān)測系統(tǒng)電壓，并實時計算出零序電壓的有效值。一旦發(fā)生單相接地，3～5 ms內(nèi)判別故障相，迅速將快速分相接地開關(guān)的故障相合閘，將故障相母線直接金屬接地，并通過母線接地前后故障線路零序電流突變量最大的原理選出故障線路。

3 基于零序電流突變法的 PSCAD 仿真模擬驗證

采用集中參數(shù)等效的方法，模擬4 條線路，1#線路采用2級L型等效，其他均采用1級L型等效電路參數(shù)。第1條線路參數(shù)分別采用2只8 mH 的電感和2只0.22 μF的電容，為了配合功率因數(shù)在0.85～0.95，串上2只3.608 Ω的電阻。同理，2#、3#、4#線路的參數(shù)：電感分別為34 mH、2 mH、86.24 mH，電容分別為0.22 μF、0.37 μF、0.74 μF，電阻分別為5.729 Ω、0.248 Ω、13.867 Ω。如圖3所示。

圖2 配網(wǎng)故障點轉(zhuǎn)移開關(guān)式消弧選線裝置

1)正常運行工況

調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，基于電容電流不大于線路負(fù)荷電流的0.1倍，仿真配置了1 900 Ω的集中等效負(fù)荷。正常運行時，系統(tǒng)各種波形如圖4所示，由于線路參數(shù)的關(guān)系，線電壓在運行20 ms之后保持穩(wěn)定；集中等效負(fù)荷電流峰值為4.5 A左右，如圖5所示；線路零序電流為0，如圖6所示。

2)1#線路發(fā)生單相接地故障

本仿真設(shè)置3.06 s時，1#線路發(fā)生A相接地故障，裝置動作時間為3.08 s，將故障相快速分相接地開關(guān)合閘。

如圖7所示，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在3.06 s發(fā)生單相接地故障時，線電壓保持不變。如圖8所示，母線三相電壓中，A 相電壓降至0，而B、C兩相電壓升高至倍相電壓。故障發(fā)生時刻，4條線路三相電流發(fā)生變化(見圖9～12)，系統(tǒng)不再平衡，故4條線路的零序電流(見圖13)均增大，無法判斷故障線路。而通過高速DSP快速運算，在20 ms之內(nèi)將故障相快速分相接地開關(guān)合閘，將不穩(wěn)定的接地點轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的金屬接地點，熄滅戶外故障點電弧，快速控制故障的進(jìn)展，防止了事故的發(fā)生。如圖13和圖14所示，快速分相接地開關(guān)合閘前后，只有故障線路零序電流的突變量最大，故能準(zhǔn)確地選出故障線路。

圖3 仿真電路模擬圖

圖4 系統(tǒng)線電壓

圖5 等效負(fù)荷線路電流

圖6 所有線路零序零序電流

圖7 接地故障發(fā)生前后線電壓

圖8 接地故障發(fā)生前后三相相電壓

圖9 1#線路的三相電流

圖10 2#線路的三相電流

圖11 3#線路的三相電流

圖12 4#線路的三相電流

圖13 4條線路的零序電流

4 結(jié)論

采集變電站實際線路參數(shù)進(jìn)行PSCAD軟件暫態(tài)仿真發(fā)現(xiàn)，基于通過配網(wǎng)故障點轉(zhuǎn)移開關(guān)的故障轉(zhuǎn)移技術(shù)，利用故障轉(zhuǎn)移前后，故障線路同非故障線路相比，零序電流的突變量最大這一特征，可以快速選出故障線路，并且準(zhǔn)確率為100%。

圖14 裝置轉(zhuǎn)移前后的三相電流