鄭繼遠(yuǎn)

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10kV線路單相接地保護(hù)問題分析及改進(jìn)

鄭繼遠(yuǎn)

（萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的單相接地故障，可以采用7SJ68綜保裝置的靈敏接地故障保護(hù)。本文詳細(xì)分析了這種保護(hù)配置存在的問題，提出了合理的改進(jìn)思路，并給出具體的實(shí)施方案，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了其應(yīng)用效果。

10kV線路；靈敏接地故障保護(hù)；GOOSE；CFC；改進(jìn)

目前，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，一般采用微機(jī)小電流接地選線裝置，快速判斷故障線路并予以告警或切除。如果系統(tǒng)中電氣間隔數(shù)量過多，采用小電流接地選線裝置在工程實(shí)施上就相對(duì)困難。針對(duì)這種情況，有文獻(xiàn)提出在各饋線裝設(shè)西門子7SJ68綜保裝置，配置靈敏接地故障保護(hù)，也能很好地反應(yīng)被保護(hù)元件上的單相接地故障。靈敏接地故障保護(hù)是利用故障線路和非故障線路零序功率方向不同的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有選擇性保護(hù)。實(shí)際運(yùn)行中，這種分散式配置的單相接地保護(hù)因缺乏綜合全系統(tǒng)狀態(tài)分析的手段，仍存在一定的安全隱患，亟需提出有效的改進(jìn)方案。

1 問題研究背景

某工業(yè)園石化生產(chǎn)區(qū)10kV供電系統(tǒng)采用中心區(qū)域變帶多個(gè)裝置變的兩級(jí)配電模式，各站一次主接線均為單母線分段、雙電源互為備用的形式，如圖1所示。各級(jí)10kV母線分段裝設(shè)快切裝置，用于實(shí)現(xiàn)兩路電源之間的快速、平穩(wěn)切換。各站10kV饋線裝設(shè)7SJ68綜保裝置，配置靈敏接地故障保護(hù)等。由于10kV配電網(wǎng)中大量使用電力電纜，系統(tǒng)對(duì)地電容電流較大，接地電弧難以自行熄滅，故將單相接地保護(hù)動(dòng)作方式設(shè)定為跳閘，上下級(jí)設(shè)時(shí)間級(jí)差。下面選取典型故障點(diǎn)K1、K2和K3，詳細(xì)分析各處分別發(fā)生單相接地時(shí)的保護(hù)動(dòng)作情況。

當(dāng)故障點(diǎn)K1發(fā)生單相接地時(shí)，僅有A05饋線7SJ68綜保裝置判定為正向接地故障，靈敏接地故障保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于跳閘，若保護(hù)或開關(guān)拒動(dòng)，則后臺(tái)監(jiān)控會(huì)持續(xù)發(fā)出系統(tǒng)接地告警，提醒人工介入及時(shí)處理。同樣，當(dāng)故障點(diǎn)K2發(fā)生單相接地時(shí)，也僅有A03饋線7SJ68綜保裝置判定為正向接地故障，其余饋線均判定為反向接地故障。然而，當(dāng)故障點(diǎn)K3發(fā)生單相接地時(shí)，A站A03饋線和B站B03饋線的7SJ68綜保裝置均能判定為正向接地故障，理論上應(yīng)該由B03饋線保護(hù)優(yōu)先動(dòng)作切除故障。此時(shí)，如果B03饋線保護(hù)或開關(guān)拒動(dòng)，A03饋線接地保護(hù)就將延時(shí)動(dòng)作于跳閘，使得B站Ⅰ段母線失電，Ⅰ母失壓啟動(dòng)快切跳#1進(jìn)線開關(guān)B01，合分段開關(guān)B00。B站Ⅰ母及其饋線恢復(fù)帶電后，因K3點(diǎn)接地故障并未被切除，又會(huì)進(jìn)一步引起A站A04饋線（即B站#2電源進(jìn)線上級(jí)）靈敏接地故障保護(hù)動(dòng)作，最終造成B站全站失電。某化工企業(yè)就曾發(fā)生過此類事故，使正常生產(chǎn)的工藝裝置緊急停車，帶來十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

從穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行的角度上看，對(duì)于A站饋出至下級(jí)站的電源線路，僅希望在本線路上（如故障點(diǎn)K2）發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地保護(hù)才動(dòng)作于跳閘，而對(duì)本線路以外的接地故障不需要跳閘。因此，解決問題的關(guān)鍵在于，如何判斷和區(qū)分接地故障點(diǎn)是發(fā)生在電源線路的內(nèi)部還是外部。

2 改進(jìn)思路分析

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)各處的零序電壓基本相同，但由于故障點(diǎn)位置的不同，系統(tǒng)中對(duì)地電容電流的分布發(fā)生變化，使得流過各保護(hù)安裝處的零序電流方向也并不統(tǒng)一，這或許是解決問題的入手點(diǎn)。

2.1 接地故障分析

以A站饋出至B站的10kV線路L01為例，假定線路兩端均裝設(shè)有零序電流互感器并接入7SJ68綜保裝置，對(duì)故障點(diǎn)K1、K2和K3發(fā)生金屬性單相接地時(shí)流過保護(hù)安裝處的零序電流方向分別進(jìn)行分析。由于正常運(yùn)行時(shí)各站10kV母線均分列運(yùn)行，故只以各站的Ⅰ段母線來考慮。

1）K1點(diǎn)故障的情況分析

當(dāng)外部線路上故障點(diǎn)K1發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)Ⅰ段的零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

由圖2可知：①始端零序CT感受到的零序電流為母線流向線路，7SJ68綜保判定為反向接地故障；②末端零序CT感受到的零序電流為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障。

圖2 K1點(diǎn)故障時(shí)的零序等效網(wǎng)絡(luò)

2）K2點(diǎn)故障的情況分析

當(dāng)本線路上故障點(diǎn)K2發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)Ⅰ段的零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

由圖3可知：①始端零序CT感受到的零序電流為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障；②末端零序CT感受到的零序電流也為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障。

3）K3點(diǎn)故障的情況分析

當(dāng)外部線路上故障點(diǎn)K3發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)Ⅰ段的零序等效網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

由圖4可知：①始端零序CT感受到的零序電流為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障；②末端零序CT感受到的零序電流為母線流向線路，7SJ68綜保判定為反向接地故障。

2.2 保護(hù)改進(jìn)思路

通過以上分析可知，當(dāng)線路外部發(fā)生單相接地故障時(shí)，兩側(cè)7SJ68綜保裝置對(duì)接地方向的判定互不相同，而在線路自身發(fā)生單相接地故障時(shí)，始端和末端的7SJ68綜保裝置均判定為正向接地故障，這些特點(diǎn)和區(qū)別將是改進(jìn)保護(hù)的直接依據(jù)。如果將兩側(cè)的接地方向判定信號(hào)綜合起來，作為單相接地保護(hù)的動(dòng)作或閉鎖條件，理論上完全就能有效區(qū)分線路內(nèi)、外部故障。對(duì)于7SJ68綜保裝置，使用DIGSI CFC（連續(xù)功能圖）編程，可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的用戶定義邏輯，如保護(hù)閉鎖等。因此，選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞剑瑢蓚?cè)的接地方向判定信號(hào)分別發(fā)給對(duì)側(cè)，同時(shí)改進(jìn)靈敏接地故障保護(hù)動(dòng)作邏輯，使其僅在線路內(nèi)部故障時(shí)動(dòng)作于跳閘。

3 現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)施

3.1 零序CT接線

系統(tǒng)三相電壓和零序電壓已經(jīng)分別通過線路PT或母線PT引入各進(jìn)出線間隔的7SJ68綜保裝置，此處不必再考慮零序電壓的測(cè)量問題。在10kV線路兩側(cè)開關(guān)柜內(nèi)均設(shè)計(jì)零序CT，選擇LXZK2型號(hào)，額定電流比取50/1，準(zhǔn)確度等級(jí)為10P10，額定容量為2VA，安裝接線如圖5所示。

圖5 零序CT安裝接線示意圖

3.2 選擇通信方式

繼電保護(hù)一般依賴硬接線來傳遞信號(hào)，而當(dāng)控制電纜長度較長且保護(hù)裝置I/O端口有限時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生諸多不便。近年來，隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布以及相關(guān)工程的推廣實(shí)施，采用GOOSE機(jī)制的跳閘及聯(lián)閉鎖解決方案已得到廣泛應(yīng)用。GOOSE是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的一種快速報(bào)文傳輸機(jī)制，以高速網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)，為變電站保護(hù)裝置間的信息交互提供了高效可靠的方法。GOOSE通信取代傳統(tǒng)的硬接線二次回路，主要用于繼電保護(hù)中以傳輸跳閘、起動(dòng)和閉鎖等實(shí)時(shí)信號(hào)。10kV線路兩側(cè)的7SJ68綜保裝置通過IEC 61850協(xié)議接入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，可以很容易利用GOOSE通信的方式完成接地方向判定等信號(hào)的傳輸，如圖6所示。

圖6 GOOSE通信示意圖

3.3 保護(hù)邏輯優(yōu)化

利用DIGSI 4.87軟件對(duì)10kV線路兩側(cè)7SJ68綜保裝置的功能參數(shù)與CFC邏輯作如下修改。

1）在線路兩側(cè)的7SJ68綜保裝置中均啟用靈敏接地故障保護(hù)功能，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 7SJ68靈敏接地故障保護(hù)功能參數(shù)表

2）在線路兩側(cè)的7SJ68綜保裝置中分別定義相關(guān)GOOSE信號(hào)，并下裝GOOSE發(fā)信、閉鎖保護(hù)和聯(lián)跳對(duì)側(cè)等CFC邏輯，如圖7所示。

圖7 7SJ68靈敏接地故障保護(hù)擴(kuò)展CFC邏輯

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，如果其中一側(cè)7SJ68綜保裝置判定為正向接地，則發(fā)送“GOOSE：正向接地”信號(hào)給對(duì)側(cè)。在整定的動(dòng)作延時(shí)內(nèi)，若收到對(duì)側(cè)7SJ68綜保裝置發(fā)出的“GOOSE：正向接地”信號(hào)，即鎖定故障點(diǎn)在本線路上，便可開放接地保護(hù)出口，否則保護(hù)被閉鎖。另外，考慮線路末端開關(guān)處于分位（即充電空運(yùn)狀態(tài)）的情況，末端7SJ68綜保裝置應(yīng)將開關(guān)分位信號(hào)與正向接地信號(hào)做“或”邏輯后，發(fā)給始端7SJ68綜保裝置用于接地故障判斷。為提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，允許本側(cè)保護(hù)跳閘的同時(shí)，發(fā)送“GOOSE：接地保護(hù)跳閘”命令聯(lián)跳對(duì)側(cè)。

4 測(cè)試驗(yàn)證效果

以10kV線路L01為例，測(cè)試單相接地保護(hù)經(jīng)上述改進(jìn)后的工作性能。其保護(hù)整定值見表2。

表2 10kV線路L01單相接地保護(hù)定值單

現(xiàn)場(chǎng)分別模擬故障點(diǎn)K1、K2和K3發(fā)生單相接地時(shí)的不同狀態(tài)，同時(shí)對(duì)線路兩側(cè)的7SJ68綜保裝置進(jìn)行保護(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 10kV線路L01單相接地保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

將改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)前分析的保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行對(duì)比，見表4。

表4 10kV線路L01單相接地保護(hù)改進(jìn)前后對(duì)比

通過對(duì)比不難看出，10kV線路單相接地保護(hù)經(jīng)改進(jìn)后，僅在發(fā)生線路內(nèi)部故障時(shí)才會(huì)動(dòng)作于跳閘，而在發(fā)生外部故障時(shí)不會(huì)動(dòng)作，有效避免了在下級(jí)饋線故障時(shí)引起的越級(jí)跳閘。

5 結(jié)論

采用GOOSE通信及CFC編程等方法對(duì)10kV線路單相接地保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了線路內(nèi)部故障判別和接地保護(hù)選跳的目的，有力地保障了供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。需要注意的是，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)綜保裝置、以太網(wǎng)交換機(jī)及通信線路等的日常檢查維護(hù)和定期試驗(yàn)，使得改進(jìn)后的單相接地保護(hù)能發(fā)揮其最佳性能。

[1] 熊婷婷, 曾祥君, 王媛媛, 等. 非有效接地電網(wǎng)單相接地故障選線技術(shù)綜述[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(5): 1-6.

[2] 曹團(tuán)結(jié), 諸偉楠. 西門子高靈敏接地保護(hù)裝置的原理分析及應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2001, 25(3): 64-66.

[3] 賀家李, 李永麗, 董新洲, 等. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]. 4版. 北京: 中國電力出版社, 2004.

[4] 梁睿, 楊學(xué)君, 薛雪, 等. 零序分布參數(shù)的單相接地故障精確定位研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 472-479.

[5] 許鐵軍, 李岳. 開關(guān)柜中零序電流互感器設(shè)計(jì)選型[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(3): 45-48, 69.

[6] 朱炳銓, 王松, 李慧, 等. 基于IEC 61850 GOOSE技術(shù)的繼電保護(hù)工程應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(8): 104-107.

[7] 劉建華, 劉鵬, 張少冉, 等. 智能變電站中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)接地保護(hù)研究[J]. 中國電力, 2014, 47(11): 116-120.

Analysis and Improvement of Single Phase Earth Fault Protection for 10kV Line

Zheng Jiyuan

(Wanhua Chemical Group Co., Ltd, Yantai, Shandong 264000)

For the single phase earth fault in neutral non-grounded power system, the sensitive earth fault protection can be used in the 7SJ68 relay protection device. This paper analyzes the problems existing in the protection configuration, puts forward the reasonable improvement ideas, gives the specific implementation plan, and at the same time, verifies its application effect in the field.

10kV line; sensitive earth fault protection; GOOSE; CFC; improvement

鄭繼遠(yuǎn)（1987-），男，山東莘縣人，本科，助理工程師，主要從事電氣運(yùn)行和檢修工作。