常文煥，呂彥召，王 佳，王曉東

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州450011;2.國家電網(wǎng)許繼集團，河南 許昌461000)

1 問題提出

在我國3～66 kV 配電網(wǎng)中，都采用了中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)電阻接地的小電流接地系統(tǒng)，此系統(tǒng)發(fā)生單相接地的幾率較高［1］。在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，由于故障點的電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電沒有影響，因此，一般情況下都允許系統(tǒng)再繼續(xù)運行1～2 h，而不必立即跳閘，但是接地相電壓降低，非接地相電壓將升高至線電壓，為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，應及時發(fā)出信號，以便運行人員采取措施予以消除［3］。

河南某工程項目要求小電流接地選線功能在監(jiān)控后臺上實現(xiàn)。CBZ-8000 變電站綜合自動化系統(tǒng)是國家電網(wǎng)許繼電氣股份有限公司充分利用計算機軟件硬件等技術(shù)，基于網(wǎng)絡的適應范圍廣泛的新一代變電站綜合自動化系統(tǒng)［4］。由于該功能屬于CBZ -8000 系統(tǒng)的一個輔助功能，基于工程應用的需求，所以專門立項組織人負責資料搜集并做相關(guān)實驗，做出可行性分析報告，滿足工程需要。

2 選線原理

中性點不接地系統(tǒng)中單相接地故障的特點歸納起來有以下幾點:

1)在發(fā)生單相接地(如C 相)接地時，接地相的對地電容Co 被短路。零序電流Io和零序電壓Uo滿足公式:3Io=IA+IB+IC，3Uo=UA+UB+UC，故障相對地電壓為0，非故障相電壓升至正常時相電壓的倍，如圖1。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障圖

2)在非故障線路3Io 的大小等于本線路的接地電容電流;故障線路的3Io 的大小等于所有非故障線路的3Io 之和。如圖2。

3)接地故障處的電流大小等于所有線路的電容電流的總和，并滯后零序電壓。如圖3。

4)非故障線路的零序電流超前零序電壓90°;故障線路的零序電流滯后零序電壓90°;故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流相差180°。

圖3 故障線路電流與電壓相量圖

3 測試過程

3.1 試驗設備

軟件:CBZ-8000 后臺軟件、試驗用數(shù)據(jù)庫一份。

硬件:調(diào)試工具一套、試驗儀一臺、微機保護裝置3 臺用以模擬三條線路。

3.2 組態(tài)方法［4］

首先，在工程師站的參數(shù)設置中將“使用軟件實現(xiàn)小電流接地選線功能”用“√”選中，如圖4 所示。

完成以上步驟后，工程師站主界面彈出如圖5 的畫面。小電流接地選線的界面包括三個部分:狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設置和報告查詢。

圖4

圖5

3.2.1 線路模擬通道設置

在參數(shù)設置畫面中，首先選中相應的母線，彈出的畫面如圖6、圖7 的畫面，選擇對應項即可。每個裝置均需要選擇。

圖6

圖7

“狀態(tài)監(jiān)視”頁面用來實時監(jiān)視母線上的線路及線路3UO、3IO 等相關(guān)參數(shù)，了解判斷小電流接地選線相關(guān)的變化情況。如圖8 由數(shù)據(jù)查看知H106 至8#箱變XJGW-611 發(fā)生小電流接地故障。

圖8

3.2.2 定值設置

“定值設置”建議由用戶決定。

零序電壓啟動值:10～100 V;零序電流定值:50 mA 左右;零序差流定值:50 mA，這個值應小于零序電流定值相角差值:一般為5～10°。

3.2.3 小電流接地的判據(jù)

假設一段母線M，母線上有n條線路，對線路L

1)線路L 的3UO 大于零序電壓啟動值。

2)線路L 的3IO 應大于零序電流定值。

3)故障線路L 的零序電流與非故障線路3IO 的總和的差小于零序差流定值。

4)故障線路3UO 超前3IO 的角度在90° + / -α 范圍內(nèi)。α 為相角差值。

如果以上四個條件都成立，并保持了5 秒以上則判定線路L 接地。

3.2.4 報告查詢

當系統(tǒng)依據(jù)接地算法檢測出有線路接地時，系統(tǒng)會自動彈出“報告查詢”頁面通知值班人員接地情況，如圖9 所示。

圖9 故障定位監(jiān)控中心報告查詢畫面

根據(jù)反復測試，可以通過CBZ -8000 后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)“小電流接地選線”功能。選線精確度可以鎖定在母線的任意一條出線。

4 仿真實驗

根據(jù)圖1，運用MATLAB 建立了中性點不接地的仿真模型［5］，仿真電路中各元件及參數(shù)分別為:電源10.5 kV、內(nèi)部接線Y 形聯(lián)結(jié)、頻率50 Hz。仿真中選擇Line3 的A 相發(fā)生金屬性單相接地故障，發(fā)生時間為0.04 s 結(jié)束為0.1 s。仿真開始時間為0，終止時間為0.2 s，選擇算法為ode23tb，relative tolerance 為1e-3，其它參數(shù)為默認值［2］。在示波器中出現(xiàn)圖10、圖11 所示波形。

圖10 輸電線路零序電流波形

圖10 中依次為線路1、2、3 的零序電流(I10、I20、I30)波形。在0～0.04 s，線路正常運行，三相電流對稱，零序電流為0;0.04s 時3 條線路出現(xiàn)零序電流，三相電流不再對稱，線路3的零序電流幅值較大。在同一時刻對3 個零序電流經(jīng)過采樣分析可知，線路3 與線路1、2 零序電流的極性相反，即I30 = -(I10 +I20)。通過比較零序電流的幅值，幅值最大的線路為故障線路，由此可判斷出，線路3 發(fā)生了故障。

圖11 故障線路零序電電流和零序電壓波形圖

圖11 中依次為線路3 的零序電電流和零序電壓波形圖，可以看出當發(fā)生A 相單相接地故障時，故障線路UO 超前IO的角度在90° + / -α 范圍內(nèi)。判斷線路3 發(fā)生了故障。

圖12

由圖12 看出，故障發(fā)生后，A 相電流(Ia)急劇升高，A 相電壓(ua)減小，由此可判斷出是A 相發(fā)生故障。

5 結(jié)語

經(jīng)過理論分析和MATLAB 仿真驗證提供依據(jù)，搭建通過CBZ-8000 后臺監(jiān)控系統(tǒng)實驗，實現(xiàn)“小電流接地選線”功能，應用到實際工程中不僅能節(jié)省電纜敷設、設備配置等硬件設施成本，具有便于操作和監(jiān)控等優(yōu)點，同時，它的發(fā)展和推廣也順應了我國電力系統(tǒng)、尤其是變電站綜合自動化水平的發(fā)展潮流。

［1］ 華智明，楊期余. 電力系統(tǒng)［M］. 重慶:重慶大學出版社，2005.

［2］ 于群，曹娜. MATLAB/Simulink 電力系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 陳衍. 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析［M］. 北京:中國電力出版社2007.04

［4］ CBZ8000 監(jiān)控調(diào)試現(xiàn)場服務調(diào)試手冊［S］.

［5］ 李維波.MATLAB 在電氣工程中的應用實例［M］.北京:中國電力出版社，2009.