丁愛(ài)佳，鮑炫羽，季玲玲，江浩

（國(guó)網(wǎng)浙江義烏市供電公司，浙江義烏322000）

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法研究

丁愛(ài)佳，鮑炫羽，季玲玲，江浩

（國(guó)網(wǎng)浙江義烏市供電公司，浙江義烏322000）

對(duì)于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障，現(xiàn)有選線裝置在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想，建議利用10 kV變電站現(xiàn)有保護(hù)裝置中的零序過(guò)流保護(hù)解決此問(wèn)題。通過(guò)在10 kV中性點(diǎn)消弧線圈的基礎(chǔ)上并聯(lián)中電阻柜、對(duì)傳統(tǒng)選線邏輯加以修改、對(duì)整定值進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)單相接地故障時(shí)，通過(guò)線路零序過(guò)流保護(hù)發(fā)信的先后順序可靠選線，并給出驗(yàn)證實(shí)例。

小電流接地；零序過(guò)流保護(hù)；選線邏輯

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中線路單相接地故障占總故障的80%，由于單相接地后線電壓依然對(duì)稱，因此規(guī)程規(guī)定允許繼續(xù)運(yùn)行2 h，但需快速排除故障，以防接地點(diǎn)因電弧燒灼發(fā)展成相間故障。變電站雖然配置了接地選線裝置，但根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選線準(zhǔn)確性都不高，最終多采用人工試?yán)x判。據(jù)小范圍統(tǒng)計(jì)，每次試?yán)€路在5條左右，因此增加了數(shù)量眾多用戶的短時(shí)停電。隨著10 kV出線電纜的增多，單相接地故障電流明顯增大，極易發(fā)展成相間接地短路故障，影響電網(wǎng)安全；同時(shí)，若處置不及時(shí)，甚至可能引發(fā)人員傷亡事件。因此，迅速、準(zhǔn)確地判定故障線路，及時(shí)排除單相接地故障是電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控的重要一環(huán)。

1 國(guó)內(nèi)在研的幾種選線方法

1.1 有源法選線

該方法不采集系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)的各個(gè)電氣量，而是利用單相接地時(shí)電壓下降的接地相，在故障相上施加高頻信號(hào)流，檢測(cè)出線故障相，通過(guò)信號(hào)流的通路來(lái)確定故障線路。該方法動(dòng)作可靠靈敏，但是所施加的信號(hào)流的強(qiáng)度和頻率很難綜合考量，既要有足夠的強(qiáng)度可以被探測(cè)到，又要防止各出線間的相互感應(yīng)；頻率既要避開(kāi)工頻和諧波的干擾，又要防止高頻接地耦合時(shí)的較大衰減和竄入別的支路，同時(shí)該信號(hào)也可能干擾變電站其他通信設(shè)備的運(yùn)行[1]。

1.2 首半波法選線

該方法通過(guò)記錄單相接地故障瞬間的暫態(tài)過(guò)程，利用故障相與非故障相首半波反向的特點(diǎn)來(lái)判別。由于消弧線圈是感性元件，在暫態(tài)過(guò)程中，其暫態(tài)電流可以忽略不計(jì)，故不受影響。首半波法靈敏度高，對(duì)任何單相接地故障反應(yīng)迅速。但是對(duì)于暫態(tài)量的測(cè)量，需要互感器有良好的暫態(tài)特性，有高速A/D轉(zhuǎn)換和CPU性能。當(dāng)只有2條線路運(yùn)行時(shí)，需要其他判據(jù)來(lái)輔助選線，且較難捕捉首半波[2]。

2 利用零序過(guò)流告警選線

2.1 零序過(guò)流告警選線原理

10 kV出線正常運(yùn)行時(shí)電容電流很小。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障且無(wú)消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，非故障線路上零序電流等于正常運(yùn)行時(shí)線路對(duì)地電容電流，方向從母線指向線路；而故障線路的零序電流為所有線路正常運(yùn)行時(shí)電容電流之和，大于任一條非故障線路的零序電流。因此，依據(jù)零序電流分量就可以準(zhǔn)確判斷出故障線路。圖1所示為不接地系統(tǒng)零序電流分布情況。

圖1 不接地系統(tǒng)故障零序電流

規(guī)程規(guī)定，當(dāng)零序電流超過(guò)30 A時(shí)必須投入消弧線圈，以抑制故障點(diǎn)的電弧發(fā)展，防止故障擴(kuò)大，因此10 kV中性點(diǎn)的運(yùn)行方式一般采用過(guò)補(bǔ)償。圖2所示為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)零序電流分布情況。

圖2 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障零序電流

另外，也可以根據(jù)電壓、電流向量對(duì)單相接地故障進(jìn)行選線，接地故障發(fā)生時(shí)的故障出線電容電流流入，即零序電流滯后零序電壓90°；非故障線路零序電流流出，即零序電流超前零序電壓90°。以此作為判據(jù)，故障線路電壓、電流向量如圖3所示。該圖描述的是最簡(jiǎn)單的單條線路在故障點(diǎn)k發(fā)生A相接地的情況，Uk0為故障點(diǎn)處的零序電壓，其值為[3]：

故障點(diǎn)處零序電流值為：

圖3 單相接地故障電壓、電流向量

2.2 零序過(guò)流整定計(jì)算

以往線路一般由架空線路構(gòu)成，城區(qū)配電網(wǎng)由電力電纜構(gòu)成，因此零序電流的計(jì)算公式較簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的架空線路和電纜故障點(diǎn)處零序電流分別采用經(jīng)驗(yàn)公式（3）和（4）[4]進(jìn)行計(jì)算：

式中：l為架空線路或電纜的長(zhǎng)度；U為線電壓。

由于現(xiàn)在線路情況越來(lái)越復(fù)雜，單回線的分支線越來(lái)越多，所以準(zhǔn)確確定單條出線的電容電流比較困難。但總系統(tǒng)電容電流應(yīng)遠(yuǎn)大于任意一條10 kV線路的電容電流，任何一條線路故障的電流均接近此數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，各線路（含下屬分支）的長(zhǎng)度基本上不超過(guò)同一段母線上主線路長(zhǎng)度之和，故以主線路長(zhǎng)度總和為系統(tǒng)電容電流整定測(cè)算基準(zhǔn)值，可以躲過(guò)本線路本身電容電流，避免誤選，也可以確保動(dòng)作的靈敏性。

另外，為了利用消弧線圈補(bǔ)償前的故障電流，必須確保在故障發(fā)生的瞬間盡快動(dòng)作，因此一般考慮保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取0～0.5 s。

以某變電所為例，10 kVⅠ段母線上各出線主線電纜總長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，架空線總長(zhǎng)為L(zhǎng)2，總電容電流為：

式中：S為電纜的截面積；Ue為線路額定線電壓。

零序保護(hù)電流整定計(jì)算：

考慮動(dòng)作的靈敏度：k取1.5～3。

2.3 中性點(diǎn)對(duì)于零序過(guò)流選判影響分析

由于10 kV系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不存在中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，而只存在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的運(yùn)行方式，為了提高零序過(guò)流告警的靈敏度，對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的運(yùn)行方式作適當(dāng)改進(jìn)。圖4所示為改進(jìn)后的中性點(diǎn)運(yùn)行方式，其中L為消弧線圈，R為中電阻（一般設(shè)置在中電阻柜中），r為阻尼電阻。

圖4 中性點(diǎn)運(yùn)行方式

當(dāng)線路發(fā)生單相接地時(shí)，等效為線路對(duì)地電容C與中電阻柜和消弧線圈（及其串聯(lián)阻尼）并聯(lián)，等效電路圖如圖5所示。從電源UN看進(jìn)去的等效電納為：

圖5 發(fā)生單相接地時(shí)的等效電路

進(jìn)而得到RLC并聯(lián)諧振時(shí)的諧振頻率：

可見(jiàn)，諧振頻率ω與消弧線圈L、阻尼電阻r和線路對(duì)地電容有關(guān)，而與中電阻R無(wú)關(guān)。調(diào)節(jié)消弧線圈L和阻尼電阻r可以改變諧振頻率ω，從而有效避免接地諧振。設(shè)置中電阻R，在線路發(fā)生單相接地時(shí)可以向接地點(diǎn)提供有功功率，使接地點(diǎn)的電弧增益，提高零序過(guò)流告警的靈敏度。

2.4 零序過(guò)流告警選線邏輯

傳統(tǒng)接地故障選線選判邏輯見(jiàn)圖6，由于監(jiān)測(cè)到的零序電流是經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后的零序電流，判不動(dòng)作選線失敗。對(duì)零序過(guò)流告警的選判邏輯進(jìn)行修改（見(jiàn)圖7），并將零序電流告警時(shí)間整定為保護(hù)裝置的最小時(shí)間，該保護(hù)通過(guò)各出線間隔的外接電流互感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各出線的零序電流，一旦達(dá)到整定值以上，無(wú)延時(shí)發(fā)出告警。

圖6 傳統(tǒng)接地選線選判邏輯

圖7 零序過(guò)流告警選線邏輯

3 效果驗(yàn)證

在改進(jìn)前，發(fā)生單相接地時(shí)，只有10 kV母線和接地變的接地信號(hào)，只能通過(guò)逐條試?yán)姆椒ú檎医拥鼐€路，如圖8（a）所示，可以看出，在實(shí)際工作中很費(fèi)時(shí)。

改進(jìn)之后，發(fā)生單相接地時(shí)零序過(guò)流保護(hù)能準(zhǔn)確快速選出故障線路，只有故障線路零序告警信號(hào)上傳調(diào)度臺(tái)（如圖8（b）所示），調(diào)控員可快速試?yán)页鼋拥鼐€路。

圖8 監(jiān)控臺(tái)信號(hào)上傳情況

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小電流接地系統(tǒng)零序過(guò)流選線邏輯和整定計(jì)算的修改實(shí)現(xiàn)了單相接地故障的快速選線功能，為調(diào)度運(yùn)行人員提供了迅速有效的參考。由于不同廠家的保護(hù)邏輯修改難易程度不同，因此還需對(duì)零序過(guò)流告警功能制定標(biāo)準(zhǔn)化，以便于該方法的進(jìn)步推廣。

[1]齊鄭，楊以涵.中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地選線技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（14）∶1-5.

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（本文編輯：方明霞）

Research on Single Phase-to-ground Fault Line Selection Methods in Small Current Grounding System

DING Aijia，BAO Xuanyu，JI Lingling，JIANG Hao
（State Grid Yiwu Power Supply Company，Yiwu Zhejiang 322000，China）

The application of existing line selection device is not ideal for single phase-to-ground fault in small current grounding system.Therefore，the paper suggests using zero-sequence overcurrent protection in protective device of 10 kV substations to solve the problem.By parallel connection of neutral resistance cabinet with 10 kV neutral arc suppression coil,correction of traditional line selection logic and settings modification，the fault line can be selected correctly in accordance to the messaging order of zero-sequence overcurrent protection of lines；in addition，the paper presents some verification cases.

small current grounding；zero-sequence overcurrent protection；line selection logic

10.19585/j.zjdl.201705003

1007-1881（2017）05-0008-04

TM77

A

2017-01-18

丁愛(ài)佳（1990），男，助理工程師，從事調(diào)控運(yùn)行工作。