中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈瞬時并聯(lián)小電阻接地探討

中國水利水電第三工程局有限公司 張富斌 趙培豪

1 概述

1.1 傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式

國內(nèi)10kV 電力系統(tǒng)最早采用的接地方式即為中性點(diǎn)不接地方式。自法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理以來，電力系統(tǒng)已經(jīng)有了百余年的發(fā)展，10kV 配電網(wǎng)絡(luò)為了提高其系統(tǒng)穩(wěn)定性，分別采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈以及中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。在單相接地故障發(fā)生時，剩余電流大于10A 的情況下，采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈作為接地方式[1]。不過，這種接地方式存在明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)1：當(dāng)發(fā)生單相接地時，三相導(dǎo)線間線電壓仍然平衡，電源的可靠性將得到提高；通常故障時間可以持續(xù)2h，給倒切線路和檢修提供了充足的時間。

優(yōu)點(diǎn)2：若發(fā)生單相接地故障，則無故障相線路相電壓基本不會升高，因此對設(shè)備的絕緣要求沒有前者高，可以一定程度上減少系統(tǒng)的投資成本；小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序過流保護(hù)裝置可以迅速動作，對故障進(jìn)行隔離。

缺點(diǎn)2：不論單相接地故障是永久或暫時的，均能引起零序保護(hù)動作，大幅提高系統(tǒng)的跳閘次數(shù)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其用戶端用電可靠性大幅下降；若零序保護(hù)裝置發(fā)生故障導(dǎo)致保護(hù)拒動，較大的接地電流會使得接地點(diǎn)附近的絕緣受到更大的損害，引發(fā)相間短路或其他更嚴(yán)重的事故，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。

缺點(diǎn)1：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，無故障相電壓將上升到線電壓，對設(shè)備的絕緣有一定的要求，提高了投資成本；選線設(shè)備和精度不高，需要手動操作。

如果采用小電阻接地，則根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)匹配適合的小電阻作為接地過渡，零序電流保護(hù)可迅速解決在20Ω 以下的單相接地問題。

1.2 并聯(lián)消弧線圈的接地模式

當(dāng)配電網(wǎng)正常工作時，該系統(tǒng)可以動態(tài)實(shí)時監(jiān)測中性點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。其工作原理是通過測量中性點(diǎn)的電壓和通過消弧線圈的電流來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)測量數(shù)據(jù)改變時，設(shè)定消弧線圈的電感值，再由電路式求出配電網(wǎng)絡(luò)的容量。

當(dāng)發(fā)生瞬時性單相接地故障時，零序電壓小于保護(hù)裝置整定值，控制器可對消弧線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其電感能電流夠與系統(tǒng)故障點(diǎn)的電容電流相匹配，電弧熄滅，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)[2]。

當(dāng)發(fā)生永久性單相接地故障時，如果調(diào)節(jié)電感后故障電流仍然存在，不需要立即連接并聯(lián)電阻器，這樣可以控制故障的恢復(fù)速度，并保證瞬時故障的自動恢復(fù)。經(jīng)過一段時間的觀察，一般為10s，如果零序電壓保持不變，則判定故障為永久性接地故障，則可以連接并聯(lián)電阻器，產(chǎn)生的大電流使得零序過流保護(hù)瞬間切除故障，有效避免諧振引起的虛擬接地故障。

2 消弧線圈接地系統(tǒng)分析

用消弧線圈對地短路產(chǎn)生的電感電流可以達(dá)到消弧的目的。當(dāng)消弧線圈完全補(bǔ)償時，所產(chǎn)生的電感電流與電容電流幅值相同，方向相反。這樣既能消除接地短路電流，又可以通過滅弧規(guī)避相間短路的風(fēng)險，又能防止突然斷電。采用消弧線圈，能有效地消除因接地故障而產(chǎn)生的弧光過電壓，并能有效地解決配電網(wǎng)絡(luò)中的諧振問題。消弧線圈是6kV至66kV 配電網(wǎng)中解決單相接地故障的一種有效方法。消弧線圈接地電路圖如圖1所示。

圖1 消弧線圈接地電路

由于消弧線圈的接地補(bǔ)償會使得接地支路和非接地支路的工頻零序電流特征沒有差別，從而使得經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)選線極為困難。

3 實(shí)際運(yùn)行問題及對策

3.1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧繞組控制的小電阻接地

中性點(diǎn)采用小電阻并聯(lián)消弧線圈接地，這是一個“改進(jìn)”的接地方法。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式下的故障選線精度因常規(guī)選線機(jī)的限制而不能滿足要求。新的接地系統(tǒng)包括變壓器、消弧線圈、小電阻、高壓接觸器、控制面板等。

在單相瞬時性接地故障時，采用測量電流的方法，對消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償。消弧線圈產(chǎn)生的電感電流用于補(bǔ)償瞬時接地，從而熄滅電弧，自動消除接地故障，使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。這種現(xiàn)象與消弧線圈接地時的中性點(diǎn)動作邏輯基本一致。

采用并聯(lián)可控低阻輸入，選線更快更準(zhǔn)確。該方法解決了中性點(diǎn)通過消弧線圈接地時選線困難的缺陷，根據(jù)測量值準(zhǔn)確快速地切除故障回路，避免非故障相斷電，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

經(jīng)論證可以看出，通過中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈瞬時并聯(lián)低電阻接地有很多優(yōu)勢。與簡單的小電阻接地相比，此方法可以減少單相接地引起的跳閘。與經(jīng)消弧線圈接地方式相比，可以快速準(zhǔn)確地選擇接地故障線路，達(dá)到跳閘的目的。

這種接地方法的缺點(diǎn)是接地電阻很小。如果零序保護(hù)不能正常工作，則會導(dǎo)致零序備用保護(hù)越級動作，從而增加故障范圍。如果發(fā)生高電阻接地，保護(hù)將失效。過大的接地電流會對接觸點(diǎn)和相鄰絕緣造成極大的危險，從而導(dǎo)致相間故障。過大的故障電流也會導(dǎo)致高壓接觸器和受控的低電阻燒毀。

3.2 小電阻并聯(lián)控制的輸入異常

為了限制單相接地電流，兩個接地變壓器不得并聯(lián)運(yùn)行，即如果兩段母線并聯(lián)安裝，則只允許一組接地變壓器保持運(yùn)行，另一組接變壓器應(yīng)停止工作。兩段母線共用一套接地變壓器。在主副接地變系統(tǒng)中，1號接地變壓器轉(zhuǎn)為備用，斷開1號接地變壓器的中性點(diǎn)開關(guān)即可，使1號接地變壓器不具備接地作用，但仍可用作副變壓器。如1號主變壓器在大修時，10kV 1M、2M 并聯(lián)，僅2號主變壓器仍能正常工作。10kV 1M、2M 母線共用兩臺接地變壓器。在這種情況下，如果出現(xiàn)單相接地故障，則正確的操作邏輯是2號接地變壓器的并聯(lián)可控小電阻進(jìn)入工作狀態(tài)，而1號接地變壓器的并聯(lián)可控小電阻不能正常工作[3]。

為避免母線并聯(lián)時，兩臺并聯(lián)的可控小電阻因兩臺接地變壓器的并聯(lián)工作而同時投入使用。只有一臺接地變壓器的小型并聯(lián)可控電阻器能夠打開或關(guān)閉，而禁止投入另一臺接地變壓器的小型并聯(lián)可控電阻。

結(jié)果表明，零序PT 與接地變壓器側(cè)相連。在單相接地故障時，零序PT 會產(chǎn)生零序電壓，造成兩組ECU 對并聯(lián)工作方式的誤判，僅1號接地變壓器并聯(lián)可控小電阻開始工作。造成此現(xiàn)象的主要原因是由于零序PT 接線位置不當(dāng)，使控制設(shè)備在并聯(lián)狀態(tài)下的計(jì)算錯誤?，F(xiàn)在有兩個辦法。一是將零序PT 從中性點(diǎn)切換到消弧線圈，并將其與接地變壓器相結(jié)合，從而基本解決了故障。二是對于未完成上述方案的接地變壓器，如果需要斷開接地變壓器的中性開關(guān)，必須斷開接地網(wǎng)變壓器的中性零序電壓二次電路。如果安裝了零序電壓二次空氣開關(guān)，當(dāng)接地變壓器的中性開關(guān)打開時，空氣開關(guān)必須同步斷開。

3.3 并聯(lián)可控小電阻頻繁投入

變電所10kV 線路高電阻接地，小電阻可控并聯(lián)控制設(shè)備正確投入運(yùn)行。然而，零序電流不能滿足零序保護(hù)的要求，導(dǎo)致保護(hù)無法正常實(shí)現(xiàn)。根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯，控制設(shè)備會頻繁投送并聯(lián)可控小電阻，但故障仍然存在[4]。由于并聯(lián)可控小電阻在一段時間內(nèi)連續(xù)投退多次，通過大量故障電流，產(chǎn)生大量熱量和煙霧，引發(fā)火災(zāi)。主要的解決方法包括：聯(lián)系制造商，進(jìn)一步完善高電阻接地過程中的操作邏輯，避免高電阻連接過程中頻繁操作和產(chǎn)生熱量和煙霧；在二次零序保護(hù)中，零序一級為跳閘，零序二級為報警。當(dāng)高電阻接地的零序電流不能到達(dá)跳閘位置時，零序二級報警信號可以通知調(diào)度員手動斷開接地線并將其絕緣，操作人員應(yīng)立即趕到現(xiàn)場，幫助調(diào)度員手動斷開接地線并修復(fù)并聯(lián)可控小電阻。當(dāng)出現(xiàn)發(fā)熱、冒煙等異常情況時，暫停投入并聯(lián)小電阻。

4 Floyd 故障定位算法

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于Floyd 的故障定位方法。通過對接地故障后電流的矩陣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對短路電流的準(zhǔn)確描述，實(shí)現(xiàn)了線路故障的選線。

當(dāng)輸電線路發(fā)生接地故障時，電流通過最短的線路傳輸?shù)降鼐€，從而使地線上的電流快速增加。線路發(fā)出的電力啟動時間與故障點(diǎn)之間的時間關(guān)系為：

式中，ti——電路電流變化的時間點(diǎn)；t0——接地故障的初始時間；tfi——故障期間電能通過的線路長度；v——電流的速度。

式（1）顯示，在不同的故障位置，傳輸線的長度是不同的。在接地電流經(jīng)過多個接點(diǎn)時，故障點(diǎn)的定位比較困難。從兩個故障點(diǎn)經(jīng)過的電流的時間計(jì)算出接地故障的時間，在時間上不會有很大的偏差。在不考慮故障點(diǎn)的情況下，其時間會有很大的波動。利用式（2），可以求出兩個誤點(diǎn)的線長。

式（2）中，LAf——從接地故障點(diǎn)到下一個故障測量點(diǎn)A 的距離；LBf——從其他線路到故障測量點(diǎn)B 的線路距離。

根據(jù)式（1），tA和tB表示為式（2）中的初始扭矩：

接地故障的準(zhǔn)確時間如（2）和（3）所示：

通過分析，獲得了AB 和AC 之間正確的接地故障點(diǎn)。

當(dāng)配電網(wǎng)的兩個節(jié)點(diǎn)處沒有電流變化時，兩個測量點(diǎn)處的電流流動時間為

基于此方法，可以將未計(jì)算出的公線作為可能的失效點(diǎn)，并對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，從而得出線路的失效位置。如式（4）到（6）所示，必須決定兩種可能的錯誤位置，而這兩種錯誤的位置可以由兩種錯誤的計(jì)算而決定。多條輸電線路在兩個時間點(diǎn)傳輸電力所需的時間：

測點(diǎn)線長：

式（8）中，tAi——當(dāng)在測量節(jié)點(diǎn)A 發(fā)生故障時電流通過第i 條傳輸線的時間；tBi——當(dāng)測量節(jié)點(diǎn)B發(fā)生故障時，電流通過第h 條傳輸線時的時間。

采用矩陣法處理多條線路的接地故障，從多個可能的接地點(diǎn)獲得測量點(diǎn)之間的間距矩陣：

式中，dij——相鄰失效節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線長度；∞——兩個相鄰接地故障節(jié)點(diǎn)之間沒有電阻干擾。

在接地故障的情況下，tmin是故障發(fā)生的最短時間，而其他線路的是通過導(dǎo)線后獲得的。區(qū)別在于：

通過計(jì)算時間，可以快速確定線路的接地故障點(diǎn)，為以后的維護(hù)提供了方便。

5 結(jié)語

本文介紹了一種新型的恒流源控制系統(tǒng)。方案以消弧線圈為基礎(chǔ)，利用小并聯(lián)電阻進(jìn)行完整的控制，可有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)的接地方法無法對剩余電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償；利用Floyd 方法中的精確定位功能可以有效地解決傳輸線路上的接地故障點(diǎn)位置不準(zhǔn)確的問題。實(shí)踐證明，此方法較比傳統(tǒng)方法更為有效。

將有源消弧技術(shù)和低電阻技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)短路電流的過補(bǔ)償，從而提高輸電線路的穩(wěn)定性?；诮拥啬Ｊ?，采用Floyd 故障定位算法進(jìn)行故障定位，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時調(diào)試和后期維護(hù)。在測試過程中，由于該裝置經(jīng)常更換消弧線圈，電阻小，成本高，無法實(shí)現(xiàn)單線接地誤差的電流補(bǔ)償，因此需要進(jìn)一步研究。