單相接地故障脈選裝置在小電流接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 印

（福建三鋼集團(tuán)動力廠，福建三明 365000）

引言

三鋼集團(tuán)有限公司共有7個變電站，2個220 kV 變電站、1個110 kV 變電站、4個35 kV 變電站，分220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、6 kV 共5個電壓等級，變電站6～35 kV 系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地兩種方式，屬于小電流接地系統(tǒng)。雖然小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的故障電流很小，系統(tǒng)仍可運(yùn)行1～2 h，但仍需盡快找出接地回路，此時非故障相的電壓升高1.732 倍，至線電壓。如果單相接地故障不能快速、有效處理，可能引起其他事故并發(fā)展為相間短路，致使事故擴(kuò)大。

近年來三鋼供電系統(tǒng)已出現(xiàn)過多次單相接地故障沒有快速有效處理造成的供電事故。如前段時間，供電車間發(fā)生一起因35 kV 384#線路B相接地，A、C 相電壓升高1.732 倍，在故障排查倒閘時，35 kV 372#線路電纜C 相中間頭短時過壓造成絕緣擊穿，從而導(dǎo)致兩相接地短路故障，造成部分生產(chǎn)用電中斷，給企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

統(tǒng)計(jì)三鋼近5 年6～35 kV 配電網(wǎng)故障情況，單相接地故障發(fā)生率最高，占比達(dá)87%，是電力事故的高發(fā)區(qū)。三鋼屬于鋼鐵企業(yè)，具有高溫高壓、連續(xù)性自動化生產(chǎn)的特殊性，因此對供電系統(tǒng)的可靠性和安全性有更高的要求。單相接地故障的快速、有效處理對電網(wǎng)的安全運(yùn)行意義重大，但直至目前為止，仍然沒有令人十分滿意、準(zhǔn)確度非常高的選線裝置。究其原因是選線裝置所依賴的原理有局限性，實(shí)際現(xiàn)場情況各不相同、所依賴的條件無法很好地滿足。為了選擇合適的故障選線系統(tǒng)，應(yīng)該了解影響故障選線的因素，掌握供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況。

1 影響小電流接地系統(tǒng)選線的因素分析

目前存在的小電流接地故障選線方法都不是盡善盡美的，為更好地實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相故障選線，要了解影響選線的因素。

（1）與中性點(diǎn)接地方式有關(guān)。由系統(tǒng)的工作原理可知，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)與經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障特征是不同的，因此選線方法有顯著不同。

（2）與線路的長短與結(jié)構(gòu)有關(guān)。單相接地故障電流是系統(tǒng)對地電容產(chǎn)生的，線路的電容與線路長短和結(jié)構(gòu)相關(guān)。一般來說，線路長度與對地電容成正比，電纜線路的對地電容比架空線路大。

（3）與系統(tǒng)故障方式有關(guān)。單相接地故障電流與接地阻抗有關(guān)，不同的接地阻抗產(chǎn)生的接地電流是不同的，因此小電流接地系統(tǒng)的選線要滿足不同故障情況下故障電流采集的準(zhǔn)確性。

（4）與零序電流互感器、電壓互感器有關(guān)。一般采用零序電流互感器獲得故障電流，電壓互感器采集零序電壓，通過這些電氣特征量進(jìn)行選線。電流互感器、電壓互感器的精度、質(zhì)量影響故障選線的質(zhì)量。

2 現(xiàn)階段單相接地故障主要選線方法

目前，配電網(wǎng)小電流接地選線法根據(jù)是否利用及如何利用故障電氣特征量劃分以下幾類：穩(wěn)態(tài)信息的故障選線方法、暫態(tài)信息的故障選線方法、信息融合的綜合故障選線方法、利用其他特征量的選線方法。

基于穩(wěn)態(tài)特征量的選線方法是多次采集故障發(fā)生后的有用信號，主要是零序電流和零序電壓，通過特征量的分析、比較、計(jì)算判斷故障線路。主要選線方法有零序電流幅值法、零序電流比相法、零序電流群體比幅比相法、有功分量法、諧波分量法、零序?qū)Ъ{法等?；诹阈螂娏麟妷毫康谋容^方法，均需采集零序電流，小電流接地系統(tǒng)單相接地時電流小，對CT 精度要求較高，且受到消弧線圈補(bǔ)償、過渡電阻及不平衡電流運(yùn)行影響比較大。

暫態(tài)選線方法利用暫態(tài)特征分量選線，由于暫態(tài)分量信息豐富、變化明顯、特征突出，其靈敏度高。主要選線方法有首半波法、小波變換法和暫態(tài)能量法等。由于暫態(tài)信號持續(xù)時間短，在數(shù)值上、變化規(guī)律上相差懸殊，不利于信號采集與處理。

基于信息融合的綜合故障選線方法有模糊控制綜合選線法、多層前饋神經(jīng)網(wǎng)路法和模式識別。融合了人工智能和現(xiàn)代數(shù)學(xué)處理方法，在理論上能進(jìn)一步提高選線準(zhǔn)確度，但實(shí)際效果仍需驗(yàn)證。

利用其他特征量的選線方法，目前主要有信號注入法。信號注入法不利用故障信息選線，通過主動地注入信號，注入信號僅在故障回路中流通，通過檢測該信號進(jìn)行選線。主要選線方法有S 注入法、脈沖信號注入法，主要區(qū)別是S注入法注入的是非工頻的正弦信號；脈沖信號注入法注入的是1/2周期工頻信號，信號可控易于采集。信號注入法在一定程度上克服了穩(wěn)態(tài)信號小、特征不明顯的不足，緩解了暫態(tài)信號時間短、采樣困難的難點(diǎn)。

3 單相接地故障脈選裝置原理

三鋼的熱回收焦?fàn)t余熱發(fā)電工程項(xiàng)目10 kV電氣系統(tǒng)是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，電網(wǎng)出線是電纜線路，采用的電壓互感器、零序電流互感器符合行業(yè)規(guī)范要求，且零序電流互感器變比一致。為了克服利用穩(wěn)態(tài)信號和暫態(tài)信號的不足，三鋼的熱回收焦?fàn)t余熱發(fā)電工程項(xiàng)目上采用了利用脈沖信號注入法的單相接地故障脈選裝置，系統(tǒng)原理如圖1。

在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，接地變壓器與可控硅串聯(lián)后接地。正常運(yùn)行時，接地變壓器的中性點(diǎn)電壓為零或有很小的偏移電壓，可控硅不導(dǎo)通。當(dāng)某條支路發(fā)生單相接地故障時，主控制器檢測到接地信號，判斷接地相，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，故障線路流過一個可控的強(qiáng)脈沖零序電流信號，該信號不受消弧線圈接地的影響，僅在故障回路中流通，經(jīng)零序電流互感器采集，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器判斷故障回路、故障類型及故障信息，從而進(jìn)行報(bào)警，提示電氣運(yùn)行人員進(jìn)行故障排除。

該系統(tǒng)在三鋼供配電系統(tǒng)中首次使用，為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的單相接地故障檢測性能，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

4 單相接地故障脈選裝置功能試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證單相接地故障脈選裝置選線的準(zhǔn)確性。

圖1 單相接地故障脈選裝置系統(tǒng)原理圖

前期準(zhǔn)備：所在10 kV I段系統(tǒng)負(fù)荷已轉(zhuǎn)移，上級系統(tǒng)負(fù)荷已轉(zhuǎn)移，預(yù)防單相接地故障引起進(jìn)線柜或上級供電柜跳閘，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。檢查相關(guān)保護(hù)裝置運(yùn)行情況及保護(hù)定值，確保試驗(yàn)過程不影響主線運(yùn)行。試驗(yàn)用YJV 3×70/10 kV 電纜（兩端電纜冷縮頭已制作完成）120 m，且絕緣良好。

試驗(yàn)接線：選擇備用917#柜作為試驗(yàn)柜，將該柜轉(zhuǎn)至檢修狀態(tài)，將試驗(yàn)用電纜一端放置在水平水泥地面上，B 相與水泥地面接觸，A、C 相電纜頭與B 相電纜頭分開至安全距離并懸空。另一端電纜穿過917#柜零序電流互感器，B 相電纜頭與電纜室出線銅排連接，A、C 相電纜頭與B 相電纜頭分開至安全距離并懸空，如圖2。

圖2 接地試驗(yàn)接線示意圖

試驗(yàn)過程：進(jìn)行2 s 內(nèi)的瞬時接地，10 s 以上的永久接地試驗(yàn)。試驗(yàn)兩端派專人監(jiān)護(hù)，接地端人員在安全距離外監(jiān)護(hù)，將917#柜轉(zhuǎn)至熱備用狀態(tài)，遙控合、分?jǐn)嗦菲?，分別進(jìn)行瞬時接地、永久接地試驗(yàn)，觀察兩端情況。

試驗(yàn)全部完畢后，線路轉(zhuǎn)至檢修狀態(tài)，拆除試驗(yàn)各接線，系統(tǒng)恢復(fù)至原運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果：接地故障脈選裝置能夠快速準(zhǔn)確判斷917#柜瞬時接地、永久接地并顯示接地信息。永久接地試驗(yàn)接地系統(tǒng)顯示如圖3，接地點(diǎn)電纜頭情況如圖4，故障數(shù)據(jù)如表1。

圖3 永久接地試驗(yàn)系統(tǒng)

圖4 接地點(diǎn)電纜頭情況

表1 接地試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

5 試驗(yàn)效果

在線路發(fā)生單相接地故障時，該裝置能夠直接快速、準(zhǔn)確判斷支路的接地信息。上述單相接地試驗(yàn)中測試的項(xiàng)目僅進(jìn)行了水泥接地試驗(yàn)，有條件可以進(jìn)行其他接地工況和其他相接地時的性能和效果的測試。

2019 年5 月13 日，三鋼的熱回收焦?fàn)t余熱發(fā)電站10 kV 電氣系統(tǒng)單相故障脈選裝置顯示支路010（1#鍋爐給水泵910#柜）C相接地故障。故障信息Ua：066.92 V，Ub：062.14，Uc：051.18，U0：009.48，故障電流1 A，當(dāng)班電氣人員配合汽機(jī)、鍋爐人員及時地完成了倒閘換泵操作，消除了可能造成的事故隱患。事后查出故障原因是施工過程中的電纜損傷引起的單相接地。

6 結(jié)語

通過現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)例，單相接地故障脈選裝置系統(tǒng)適用于三鋼的供配電系統(tǒng)，可在三鋼的其他相似的變配電系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。