唐傳佳, 魏曼榮, 朱匯靜

1. 蚌埠供電公司 安徽蚌埠 233000 2. 安慶供電公司 安徽安慶 246000

筆者所研究的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地燃弧的徹底熄弧，無(wú)殘弧。當(dāng)人員或動(dòng)物發(fā)生電擊事故時(shí)，可進(jìn)行快速保護(hù)，避免人身傷害事故。這一技術(shù)對(duì)提高供電可靠性與安全性具有重要意義。

1 現(xiàn)狀分析

目前我國(guó)35kV及以下系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)非有效接地方式，包括中性點(diǎn)不接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[1]。非有效接地方式運(yùn)行時(shí)一旦發(fā)生單相接地，沒(méi)有有效的熄弧措施。

由此可見，中性點(diǎn)不接地方式和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式存在一定的缺陷，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

(1) 人畜電擊而發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于線路不會(huì)快速跳閘，人畜將無(wú)法得到有效保護(hù)，后果就是電擊時(shí)間延長(zhǎng)，造成重大傷害事故。

(2) 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)沒(méi)有任何熄弧措施，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，消弧線圈只能補(bǔ)償接地電流中的工頻無(wú)功分量，無(wú)法補(bǔ)償接地電流中的工頻有功分量和高頻分量，熄弧效果有限。一旦電弧產(chǎn)生，將引起弧光過(guò)電壓，造成電網(wǎng)連鎖故障。同時(shí)電弧會(huì)引發(fā)火災(zāi)等事故，給電網(wǎng)和用戶造成重大損失[2]。

(3) 目前隨著架空線路長(zhǎng)度的增加和電纜線路的增多，系統(tǒng)電容電流越來(lái)越大。當(dāng)電容電流增大到一定程度時(shí)，消弧線圈的制造將非常困難，而且成本過(guò)高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，35kV及以下系統(tǒng)將中性點(diǎn)的接地方式改為經(jīng)小電阻接地，這樣就犧牲了中性點(diǎn)非有效接地方式供電可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

(4) 單相接地故障選線和故障定位問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，很多變電站通過(guò)人工拉路的方法進(jìn)行故障選線，并通過(guò)人工巡線的方法進(jìn)行故障定位，延長(zhǎng)了停電時(shí)間，增加了帶故障運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，也降低了供電可靠性[3]。

2 經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式的優(yōu)勢(shì)

在發(fā)展智能電網(wǎng)的大背景下，為了提高供電安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，需要建立一個(gè)全新的接地方式并形成一個(gè)集監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制于一體的綜合成套系統(tǒng)，在不改變中性點(diǎn)非有效接地方式優(yōu)勢(shì)的前提下，徹底解決上述問(wèn)題。

故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地是單相接地故障綜合保護(hù)裝置的一個(gè)組成部分，單相接地故障綜合保護(hù)裝置是集消弧、抑制過(guò)電壓、人身電擊保護(hù)，以及接地選相、選線、定位與保護(hù)自動(dòng)復(fù)歸功能于一體的智能化設(shè)備。通過(guò)快速接地轉(zhuǎn)移，可減輕對(duì)電擊人員的傷害，避免間歇性接地引發(fā)系統(tǒng)過(guò)電壓和單相接地引發(fā)相間短路故障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接地故障自動(dòng)識(shí)別，方便檢修人員快速定位接地點(diǎn)，對(duì)保證電力企業(yè)安全生產(chǎn)、可靠供電及社會(huì)群眾的生命安全有重要意義。

3 技術(shù)原理

在小電流接地系統(tǒng)中，系統(tǒng)線路的多少?zèng)Q定對(duì)地電容電流的大小，10kV系統(tǒng)一般為10～100A。由于電力設(shè)施的相間距離相對(duì)較大，多數(shù)人身電擊均為單相接地電擊，系統(tǒng)對(duì)地電壓較高，電擊后電弧不能熄滅，使被電擊人員不能脫離電源。電流的長(zhǎng)時(shí)間作用一般會(huì)給被電擊人員帶來(lái)致命傷害，電擊對(duì)人體的傷害取決于電流大小和作用時(shí)間長(zhǎng)短兩個(gè)因素，由于接地電流由系統(tǒng)決定，所以縮短電流作用時(shí)間是減輕電擊傷害的決定性因素[4]。

應(yīng)用故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式，在每個(gè)變電所的不接地系統(tǒng)中每相裝設(shè)一臺(tái)能夠自動(dòng)投入的接地器，由一組單相斷路器來(lái)控制，當(dāng)分相開關(guān)控制系統(tǒng)在母線電壓互感器測(cè)量到系統(tǒng)接地并判別相別后，將接地相接地器以最短時(shí)間投入，同時(shí)閉鎖其它相。由于接地器實(shí)現(xiàn)了低電阻接地，使該相對(duì)地電壓鉗制到與地基本等電位，使電擊人員接地電流降至很小，且使電弧不能保持，人員脫離導(dǎo)電部分。由于作用在人體的電流時(shí)間很短，一般為0.05～0.2s，因此該接地方式能對(duì)電擊人員起到有效的保護(hù)。

應(yīng)用故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式的關(guān)鍵是使用電氣設(shè)備保護(hù)人身安全，屬于一種新的思路，一組自動(dòng)控制的單相斷路器是技術(shù)的核心，快速實(shí)現(xiàn)接地轉(zhuǎn)移是技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。

4 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)方案

單相接地故障是系統(tǒng)發(fā)生頻次最多的一種故障，對(duì)于涉及到單相接地故障的消弧、抑制過(guò)電壓、人身電擊保護(hù)、接地選相選線、測(cè)距、故障定位等技術(shù)，多年來(lái)受系統(tǒng)接地方式制約，一直未能得到很好解決。

基于以上原因，筆者提出了故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式，其實(shí)質(zhì)是故障相自動(dòng)經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地。這一技術(shù)采用以降低故障相對(duì)地電壓的方式熄滅單相接地故障電弧，以將故障相、人體、大地三者強(qiáng)迫等電位的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)人身電擊保護(hù)，以穩(wěn)態(tài)保護(hù)接地方式限制間歇性接地過(guò)電壓，以零序電壓模角比較的穩(wěn)態(tài)選相方法和相電壓斜率比較的間歇性接地選相方法進(jìn)行選相，以保護(hù)接地前后零序電流轉(zhuǎn)移特征方程的選線方法準(zhǔn)確選擇接地線路，以低阻抗變壓器二次線圈注入信號(hào)進(jìn)行單相接地保護(hù)狀態(tài)下的故障定位和自動(dòng)復(fù)歸[5]。這一技術(shù)理想解決了現(xiàn)有單相接地故障時(shí)消弧、抑制過(guò)電壓、人身電擊保護(hù)、接地選相選線、測(cè)距、故障定位困難等問(wèn)題。

4.1 人身電擊保護(hù)

35kV及以下供電系統(tǒng)具有分布區(qū)域廣、離人居住地近的特點(diǎn)，針對(duì)人身電擊事故，應(yīng)著重解決人身單相電擊保護(hù)措施。影響人身電擊傷害的因素很多，但人體電擊電流為系統(tǒng)接地電流，其大小、途徑等因素是不可控的，唯一能夠控制的就是電擊時(shí)間的長(zhǎng)短。高壓人身單相電擊事故發(fā)生時(shí)人體距離高壓帶電體短于安全距離，高壓帶電體對(duì)人體放電，在高壓帶電體和人體間由放電電弧形成回路。由于我國(guó)多數(shù)采用小電流接地方式，規(guī)程規(guī)定可帶單相接地運(yùn)行1～2h，發(fā)生人身單相電擊事故，系統(tǒng)正常運(yùn)行，放電電弧無(wú)法自行熄滅。

根據(jù)上述研究，提出了人身單相電擊的保護(hù)方法： 快速轉(zhuǎn)移系統(tǒng)接地電流，強(qiáng)迫故障相與大地等電位，使放電弧光沒(méi)有足夠電壓支持而熄滅，避免跨步電壓危害，從而使受電擊人員脫離。參照國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)低壓漏電保護(hù)器動(dòng)作時(shí)間的規(guī)定，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于100ms。

4.2 接地方式

故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式在正常運(yùn)行時(shí)不接地，只有發(fā)生單相接地時(shí)，快速使故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地。故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地強(qiáng)迫故障相與大地等電位，同時(shí)與接地點(diǎn)并聯(lián)。由于低勵(lì)磁阻抗變壓器阻抗小于1Ω，并且直接接入地網(wǎng)，接地電阻值很小，因此具有很好的分流效果，使電弧不能維持而自動(dòng)熄滅。單相間歇性電弧在20ms時(shí)間內(nèi)可在非故障相形成3.5倍過(guò)電壓，但系統(tǒng)中的無(wú)間隙金屬氧化物避雷器可以將過(guò)電壓限制到2.5倍，持續(xù)時(shí)間僅1～2s。故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式在100ms內(nèi)將間歇性接地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)接地，與無(wú)間隙金屬氧化物避雷器相配合，實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。

這一接地方式的優(yōu)點(diǎn)為： 無(wú)論是工頻電弧還是高頻電弧，均可實(shí)現(xiàn)熄弧徹底，無(wú)殘?。徊皇芟到y(tǒng)接地電流大小限制；不影響系統(tǒng)正常供電；可抑制間歇性過(guò)電壓。

4.3 故障定位

經(jīng)過(guò)對(duì)S注入法的研究分析[6]，提出了經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器注入信號(hào)進(jìn)行故障定位的方法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，使故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地，此時(shí)故障相、接地點(diǎn)與低勵(lì)磁阻抗變壓器同大地構(gòu)成回路，通過(guò)低勵(lì)磁阻抗變壓器二次線圈向系統(tǒng)注入信號(hào)。注入信號(hào)在故障相變電站與接地點(diǎn)間流通，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備沿線查找此注入信號(hào)，即可查找出接地點(diǎn)的確切位置，實(shí)現(xiàn)故障定位。

低勵(lì)磁阻抗變壓器二次額定電流為50A，匝比為1∶3，根據(jù)i1/i2=1/n計(jì)算，二次注入信號(hào)為40A時(shí)，得到注入電網(wǎng)信號(hào)最大為13A，是原方法注入信號(hào)的25倍，即使經(jīng)10kΩ過(guò)渡電阻[7]，仍具有較高的定位精度。

故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式下的S注入法，既加大了注入信號(hào)的強(qiáng)度，提高了定位精度，又保證了系統(tǒng)正常運(yùn)行，不影響向用戶供電，特別是在對(duì)故障相實(shí)施有效保護(hù)的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了故障定位。

5 系統(tǒng)組成

根據(jù)總體設(shè)計(jì)思想，在故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式的基礎(chǔ)上研發(fā)了故障相自動(dòng)接地成套裝置，裝置由一次接地保護(hù)柜和二次控制屏組成，如圖1所示。一次設(shè)備包括單相斷路器、低勵(lì)磁阻抗變壓器、零序電流互感器、開關(guān)柜體及相關(guān)附屬配件，二次設(shè)備包括單相接地選相控制單元、接地選線單元、信號(hào)發(fā)生器、手持信號(hào)接收裝置等。

圖1 故障相自動(dòng)接地成套裝置示意圖

故障相自動(dòng)接地成套裝置實(shí)時(shí)采集變電所母線相/線電壓、零序電壓，根據(jù)零序電壓與線電壓的模角變化判斷系統(tǒng)有無(wú)單相接地故障及接地相別。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，控制故障相的單相斷路器快速合閘，在斷路器合閘后，強(qiáng)迫故障相對(duì)地等電位，實(shí)現(xiàn)人身電擊保護(hù)，熄滅接地電弧，避免人身傷害事故發(fā)生。當(dāng)接地性質(zhì)為間歇性接地時(shí)，這一裝置可以將不穩(wěn)態(tài)接地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)金屬接地，避免產(chǎn)生間歇性過(guò)電壓。

接地選線單元在單相斷路器動(dòng)作前后進(jìn)行錄波，根據(jù)各線路零序電流在單相斷路器合閘前后的變化，采用零序電流特征方程確定接地故障線路[8]。

如接地故障長(zhǎng)時(shí)間未能恢復(fù)，操作者持手持式信號(hào)接收裝置沿接地選線單元選擇的故障回路進(jìn)行巡視，查找故障點(diǎn)。手持式信號(hào)接收裝置顯示接收信號(hào)由強(qiáng)變?nèi)鯐r(shí)，即為故障點(diǎn)，這樣就完成了單相接地故障定位。

6 主要技術(shù)難點(diǎn)

6.1 判斷接地故障相別

小電流接地系統(tǒng)自動(dòng)分相接地保護(hù)成套裝置的關(guān)鍵在于小信號(hào)準(zhǔn)確選相算法和快速啟動(dòng)，也就是要保證系統(tǒng)的靈敏性和準(zhǔn)確性。

采用零序電壓與線電壓模角比較方法判斷接地相別，同時(shí)采用零序電壓突變量啟動(dòng)判斷，提高了裝置動(dòng)作的靈敏性，并使用零序電壓修正法比較理論計(jì)算軌跡與實(shí)際采樣計(jì)算軌跡，提高了裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

6.2 選擇接地回路

小電流接地系統(tǒng)接地選線受信號(hào)幅值較小、零序電流變化不明顯等因素影響，一直較難解決。此外，自動(dòng)分相接地保護(hù)裝置一般在故障發(fā)生后50ms 內(nèi)動(dòng)作，要求選線裝置必須具備同步快速啟動(dòng)的性能。

采用高速數(shù)字信號(hào)處理器，采樣速率達(dá)到每周波640次，多通道同步對(duì)單相斷路器動(dòng)作前后各回路零序電流和系統(tǒng)零序電壓進(jìn)行采樣，保證各信號(hào)的同步性。接地回路選線利用了自動(dòng)分相接地保護(hù)裝置獨(dú)有的動(dòng)作前后故障回路零序電流會(huì)發(fā)生變化的特點(diǎn)，準(zhǔn)確率高。

6.3 故障定位

在有效保護(hù)狀態(tài)下，零序電壓為系統(tǒng)最大值，此時(shí)若故障消失，系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)零序電壓的變化進(jìn)行判斷，加之分相保護(hù)裝置保護(hù)效果明顯，故障點(diǎn)處沒(méi)有明顯痕跡，因此為巡視人員確定故障點(diǎn)帶來(lái)難度[9-10]。目前單相接地故障定位技術(shù)一般在停電或無(wú)有效保護(hù)狀態(tài)下實(shí)施，在單相接地保護(hù)狀態(tài)下的故障定位還基本處于空白[11-13]。將裝置按圖2方式與系統(tǒng)放電間隙、單相斷路器及接地裝置安裝在室外固定圍欄內(nèi)，由單相電力電纜與變電所閑置間隔相連。采用經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器的二次線圈耦合高頻信號(hào)注入系統(tǒng)的方法，有效解決了問(wèn)題。

圖2 故障相自動(dòng)接地成套裝置安裝示意圖

7 結(jié)論

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障相經(jīng)低勵(lì)磁阻抗變壓器接地方式具有消弧、接地選線、過(guò)電壓保護(hù)等功能，不但可以對(duì)人身電擊實(shí)現(xiàn)保護(hù)，而且可以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備，提高供電可靠性，是小電流接地系統(tǒng)的改進(jìn)，使城區(qū)供電系統(tǒng)成為一種接地轉(zhuǎn)移小電流接地系統(tǒng)。接地方式理論簡(jiǎn)單，容易接受，受到技術(shù)人員的歡迎，具有良好的社會(huì)效益。

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