許洪元，李杰，肖小兵

(1.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100；2.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院,貴州 貴陽 550001)

中性點不接地系統(tǒng)電源快速切換研究

許洪元1，李杰1，肖小兵2

(1.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100；2.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院,貴州 貴陽 550001)

電源快速切換裝置在中性點不接地的石化企業(yè)電網(wǎng)中應用時，因規(guī)程允許在發(fā)生單相接地故障后電網(wǎng)運行一段時間，一般不要求進行切換。然而實際運行中，系統(tǒng)發(fā)生單相接地后容易產(chǎn)生過電壓，燒壞設備。為此，研究了石油化工企業(yè)電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的電源快速切換問題，提出了以零序功率方向為主判據(jù)的單相接地故障快速起動組合判據(jù)，并據(jù)此研發(fā)了新型變電站電源快速切換裝置。RTDS動模試驗的結果表明該判據(jù)能在發(fā)生單相接地故障階段準確地檢測出故障區(qū)域，從而使得快切裝置能夠迅速地將負荷切換到備用電源，避免了故障擴大對負荷運行可能造成的嚴重影響。

石油化工；電源快速切換；中性點不接地系統(tǒng)； 單相接地故障；零序功率方向

0 引 言

變電站電源快速切換裝置(亦稱無擾動電源切換裝置)在煉化企業(yè)等石油化工單位已經(jīng)獲得了廣泛應用，取得了很好的抗“晃電”效果[1]139。然而，迄今為止，石化企業(yè)變電站電源快速切換裝置的設計目標基本上都是短路故障發(fā)生時能夠快速將工作電源切換至備用電源，而沒有考慮在中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障下的切換[2-3]。因為，在小電流接地系統(tǒng)中，規(guī)程允許發(fā)生單相接地故障可短時間繼續(xù)運行(2小時以內(nèi))。

發(fā)生單相接地后，小電流接地的供電系統(tǒng)容易發(fā)生過電壓，燒壞PT等設備，因此，有些石化企業(yè)開始采用小電阻接地方式[4]來解決這個問題。但現(xiàn)階段采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的石化企業(yè)仍然比較普遍[5]，研究在小電流接地方式下單相接地故障的識別和實現(xiàn)備用電源的快速切換具有很大的實用價值。

本文研究電源快切裝置在石化企業(yè)供電系統(tǒng)中的應用，首次提出中性點不接地系統(tǒng)中單相接地故障的快速起動判據(jù)，并研發(fā)了相應的變電站電源快速切換裝置，動模試驗結果驗證了該判據(jù)的有效性。

1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障快切起動判據(jù)設計

1.1 變電站快切裝置的動作和閉鎖區(qū)域

電源快速切換技術是傳統(tǒng)的備用電源自動投切技術的替代品，最早用于火電廠廠用電工作電源與備用電源之間的快速切換，保障發(fā)電機組的安全停機。后來，電源快切技術被移植到石化企業(yè)變電站等母線帶有電動機負荷的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)變電站，作為抗“晃電”的主要技術手段[6]得到了廣泛應用。

圖1 快切裝置的動作區(qū)域和閉鎖區(qū)域

快切裝置用于解決電源進線及其上級電網(wǎng)發(fā)生故障，電源失去時的快速切換問題；而當變電站母線或出線或負載發(fā)生故障時，快切裝置必須閉鎖以免合于故障，擴大事故。換言之，快切裝置的動作區(qū)域是電源進線及其上級電網(wǎng)，閉鎖區(qū)域是母線及其饋出線、負荷，如圖1所示。

1.2 變電站快切裝置的起動判據(jù)

常規(guī)的變電站快切裝置主要用于解決失去進線電源時的快速切換問題。變電站快切裝置的常用快速起動判據(jù)有[1]141：

(1)保護起動

保護起動是指將線路/線變組/主變等電源側設備的快速主保護接點引入到快切裝置中，系統(tǒng)正常運行時，一旦檢測到電源側主保護動作，快切裝置立即起動切換，斷開故障線路，投入備用電源。

(2)逆功率起動

當無進線快速保護接點起動裝置切換時，用此起動判據(jù)可實現(xiàn)故障情況下的快速切換。其判別的主要特征是進線1或進線2出現(xiàn)了流向上級電網(wǎng)的反方向電流。

(3)頻壓異常起動

頻壓起動判據(jù)主要用于進線可能向電網(wǎng)倒送電等逆功率起動不適合應用的場合，基本思想是當進線電源因各種原因消失后，工作負荷孤網(wǎng)運行，工作母線的頻率會偏離工頻值。

1.3 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障判據(jù)

以上判據(jù)都是針對短路故障或因誤操作等失去進線電源的情況設計的。然而，石化企業(yè)供電系統(tǒng)的中性點接地方式，以不接地和經(jīng)消弧線圈接地等小電流接地方式為多，此種接地方式下發(fā)生單相接地時故障電流僅為電容電流，數(shù)值小，且三相電壓仍可維持對稱的額定值，可以繼續(xù)給負載供電，因此規(guī)程允許短時運行一段時間。不過，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后容易產(chǎn)生過電壓問題，引起電壓互感器高壓熔斷器頻繁熔斷，甚至引起電壓互感器燒毀、避雷器爆炸。因此，目前采用消弧線圈接地或不接地系統(tǒng)的石化企業(yè)和成品油管道企業(yè)的電氣技術人員，從保護設備、防止故障擴大的角度出發(fā)，希望快切裝置在單相接地故障情況下也能完成快速切換。

常規(guī)的快切裝置都是按發(fā)生短路故障情況下進行動作設計的，現(xiàn)有的起動判據(jù)均不能有效識別單相接地故障。事實上，迄今為止尚未見到有關快切裝置如何在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時正確動作的研究成果報道，解決此問題需要研究、設計新的起動判據(jù)。

1.3.1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障特點

經(jīng)分析可知[7]，中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓，故障線路的零序電流為全系統(tǒng)非故障元件電容電流之和，其電容性無功功率的方向為線路流向母線，恰好與非故障元件的電容性無功功率方向相反。

1.3.2 單相接地故障起動組合判據(jù)

根據(jù)以上特點，對快切裝置的應用來說，利用零序電壓判斷系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，再利用零序功率的方向就可以判斷故障區(qū)間是位于快切的動作區(qū)域還是閉鎖區(qū)域。當位于進線及其上級電網(wǎng)即母線前端時，快切裝置起動；位于母線本身或出線、負載即后端時，快切裝置無需起動。換言之，對于快切裝置的應用，根據(jù)零序電壓的大小和零序功率的方向，就能構成單相接地故障時的快速起動判據(jù)。

考慮到實際應用時的其它因素，構建了由一個主判據(jù)和若干輔助判據(jù)組成的快切裝置單相接地起動組合判據(jù)，其具體邏輯如圖2所示。

圖2 單相接地起動組合判據(jù)邏輯

以上邏輯中，主判據(jù)是0°

為防止裝置誤判，當裝置3U0起動，跳開工作開關后，延時15 ms，再判斷3U0。如果連續(xù)3個采樣點滿足3U0<10 V，則認為故障在母線前端，按合閘條件切換到備用開關；否則連續(xù)3個采樣點滿足3U0>10 V，則說明故障位于母線或母線后端，裝置不應動作，直接返回，并告警置切換失敗，閉鎖裝置。

2 動模試驗

圖3 動模試驗模型

根據(jù)以上單相接地起動邏輯，研發(fā)了新的變電站快切裝置，并進行了RTDS數(shù)字動模試驗。

(1)試驗模型

該試驗模型35 kV變電站一次系統(tǒng)，由實際系統(tǒng)抽象而得，如圖3～圖5所示。

(2)單相接地故障識別邏輯的驗證試驗

圖6顯示快切裝置正確識別出單相接地，成功切換。

圖4 6kV母線上方C相金屬接地時三相電壓(依次為A、B、C相)

圖5 6kV母線上方C相金屬接地時零序電壓

圖6 快切裝置的出口命令錄波(h表示合閘令、q為跳閘令)

除了以上實例外，還設想模擬了現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種故障類型，裝置試品均能正確動作，證明了所提出的單相接地起動判據(jù)的正確性。

3 結束語

針對中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障的特點，提出了適合電源快速切換裝置的單相接地起動判據(jù)，并據(jù)此研發(fā)了專用的電源快切裝置，經(jīng)動模試驗和現(xiàn)場試驗，證明了判據(jù)的正確性。所研發(fā)的裝置可以用于中性點為不接地方式，且適合電源快速切換裝置使用的石油化工、成品油輸送管道供電系統(tǒng)等場合。下一步將研究消弧線圈接地方式下單相接地故障的快速起動判據(jù)。

[1] 馮小蘭，李杰，苗世華，等.新型電源快速切換裝置在工業(yè)企業(yè)變電站的應用[J].電力自動化設備，2011，31(4)：139-142.

[2] 趙平生，廖興萬，林武斌，等.備用電源無擾動快速切換裝置的應用[J].電世界，2012,53(7)：17-19.

[3] 張翔，衛(wèi)志農(nóng)，李杰，等. 帶發(fā)電機母線的工業(yè)企業(yè)電源切換過程研究[J].江蘇電機工程，2011,30(5)：13-16.

[4] 張軍梁，周浩，馬皓.大型石化企業(yè)配電系統(tǒng)中性點采用電阻接地方式的可行性研究[J].電氣應用，2007,26(2)：20-23.

[5] 李新，張煜，時振堂，等.小電流接地故障暫態(tài)選線技術在煉化企業(yè)電網(wǎng)的應用[J].自動化與儀器儀表，2013,32(1)：97-100.

[6] 許洪元.石化企業(yè)抗“晃電”綜合解決方案研究與應用[J].電氣應用，2012，31(11)：46-49.

[7] 賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2000.

帶上平安上路，載著幸?；丶?。

高高興興出門去，平平安安回家來。

A Study on Quick Power Switching in the Isolated Neutral System

Xu Hongyuan1, Li Jie1, Xiao Xiaobing2

(1.Wiscom System Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211100, China; 2.Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co. Ltd., Guiyang Guizhou 550001, China)

With regards to the application of quick power switching devices in the isolated neutral power grid of petrochemical enterprises, as the power grid may operate for a certain period of time after single-phase grounding fault as permitted by the regulations, switching is not required in most cases. In actual operation, however, overvoltage would likely happen in the case of single phase grounding, thus burning out the equipment. In this background, this paper discusses quick power switching in case of single phase grounding faults with the isolated neutral system in the power grid of petrochemical enterprises, presents a combination criterion using zero sequence power direction as the main criterion for quick start-up in the case of single phase grounding fault, and on this basis develops a novel quick power switching device for substations. The results of RTDS dynamic simulation experiment verify that the criterion can accurately detect the faulted area when a single phase grounding fault occurs, so that the quick switching device may switch the load rapidly to its standby power source, thus avoiding fault extension and possible severe impact on the operation of the load.

petrochemical；quick power switching； isolated neutral system； single phase grounding fault；zero-sequence power direction

2016年貴州電網(wǎng)有限責任公司科技項目“分層備用保護式FA與單相接地定位技術研究與應用”，項目編號(GZ2015-2-0052)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.024

TM762.1

A

1000-3886(2017)01-0082-02

許洪元(1964-)，男，江蘇無錫人，高級工程師，博士，主要研究方向：工業(yè)企業(yè)供配電自動化、配電自動化。 李杰 (1979-)，男，江蘇淮安人,碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。 肖小兵(1986-)，男，湖北孝感人，碩士生，主要研究方向為配電運行管理及智能變電站相關工作。

定稿日期: 2016-03-20