劉小江，廖文龍，范松海，龔奕宇

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072)

我國配電網(wǎng)普遍采用小電流接地方式。小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，在單相接地故障情況下仍可帶負(fù)荷運(yùn)行，缺點(diǎn)是故障相選相/線不準(zhǔn)[1-2]、故障類型難以判斷，對(duì)于大容量配網(wǎng)系統(tǒng)，小電流接地系統(tǒng)還存在電容電流過大而難以熄弧的問題[3]。國內(nèi)外普遍采用中性點(diǎn)加裝消弧線圈的方式熄滅電弧[4]，但隨著電纜長度的不斷增大，系統(tǒng)對(duì)地電容電流不斷增加，消弧線圈容量和采購成本不斷增加，甚至出現(xiàn)選型困難。此外，隨著城市電纜的大規(guī)模使用，配網(wǎng)系統(tǒng)電容越來越大，以及系統(tǒng)中諧波電流的增大和接地點(diǎn)過渡電阻的影響，通過單相接地故障的電流除容性電流外還存在諧波電流和阻性電流，而消弧線圈無法補(bǔ)償通過故障點(diǎn)的諧波電流和阻性電流，使得消弧線圈在有效處理臨時(shí)性單相接地故障方面能力不足，而對(duì)永久性單相接地故障消弧線圈則完全無能為力，這些問題嚴(yán)重威脅到了配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，急需開展對(duì)新型單相接地故障處理技術(shù)的研究。

近年來，配網(wǎng)故障選線一直是國內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)，主要有信號(hào)注入法[5-6]和故障信號(hào)分析法[7-9]，前者需要在站內(nèi)安裝相應(yīng)設(shè)備，并且易受線路參數(shù)影響，后者信號(hào)分析方法復(fù)雜，實(shí)用性較差。針對(duì)小電流接地系統(tǒng)故障選線不準(zhǔn)、電容電流過大導(dǎo)致不能熄弧、故障類型難以判斷等關(guān)鍵問題[10-11]，提出配網(wǎng)柔性接地技術(shù)。該技術(shù)在小電流接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)與地之間串接一套核心部件為可控硅的裝置，單相接地故障發(fā)生后，系統(tǒng)檢測(cè)到母線電壓變化，判斷配電網(wǎng)發(fā)生單接地故障，隨即中性點(diǎn)可控硅接通與地的連接，小電流接地系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)切換為大電流接地模式，安裝在各10 kV出線的電壓和電流監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到故障線路大電流信號(hào)，準(zhǔn)確完成故障選線。選線成功后，位于母線上的可控硅裝置接通故障相與地之間的連接，故障點(diǎn)對(duì)地電容電流轉(zhuǎn)移至站內(nèi)，通過母線實(shí)現(xiàn)可靠接地，徹底消除故障點(diǎn)弧光接地帶來的系統(tǒng)過電壓威脅。最后通過控制母線上轉(zhuǎn)移接地開關(guān)，區(qū)分單相接地故障類型。

1 配網(wǎng)柔性接地基本原理

1.1 脈沖電流選線

中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)單相接地故障線路難以識(shí)別的原因是因?yàn)榻拥仉娏魈。拥仉娏魈∈怯捎谥行渣c(diǎn)非有效接地。如果能夠在一段時(shí)間間隔內(nèi)讓中性點(diǎn)有效接地，則在該時(shí)間間隔內(nèi)將有大的接地電流出現(xiàn)，這樣故障支路會(huì)因此大電流而容易被識(shí)別出來。由于可以控制時(shí)間間隔的大小，這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)大到易于識(shí)別但又不引起系統(tǒng)不良反應(yīng)的故障電流，稱這種方案為脈沖電流選線。當(dāng)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，接于系統(tǒng)中性點(diǎn)與地之間的可控硅在其兩端電壓過零點(diǎn)附近使中性點(diǎn)與地之間瞬時(shí)短路，以產(chǎn)生一短路脈沖電流。該脈沖電流絕大部分流經(jīng)接地線路接地相后于接地點(diǎn)入地，脈沖電流識(shí)別器通過對(duì)各出線識(shí)別該脈沖電流以實(shí)現(xiàn)接地線路的判定。脈沖選線系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 脈沖選線系統(tǒng)示意圖

1.2 容性電流轉(zhuǎn)移消弧

容性電流轉(zhuǎn)移技術(shù)原理見圖2。當(dāng)發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)完成脈沖選線后，發(fā)出閉合軟開關(guān)觸點(diǎn)消弧裝置上對(duì)應(yīng)相開關(guān)(K1或K2或K3)的信號(hào)，故障相系統(tǒng)對(duì)地電容通過金屬電阻R接地放電。由于R的限流作用，可以有效抑制弧光過電壓峰值合閘產(chǎn)生的放電電流的峰值和頻率。另外，通過對(duì)R電流的檢測(cè)可以判斷出K1，K2，K3的動(dòng)作是否正確：如若通過R的電流大于系統(tǒng)電容電流，可判定K1，K2，K3的動(dòng)作有誤，令其分開后重新判定；如若R的電流小于系統(tǒng)電容電流，則K4閉合，通過單相接地故障點(diǎn)的容性電流轉(zhuǎn)移至消弧裝置的開關(guān)上，完成對(duì)故障點(diǎn)和弧光過電壓的保護(hù)。配網(wǎng)柔性接地技術(shù)流程圖見圖3。

圖2 容性電流轉(zhuǎn)移技術(shù)原理圖

圖3 配網(wǎng)柔性接地技術(shù)流程圖

1.3 故障類型識(shí)別

故障類型識(shí)別主要是判斷是臨時(shí)性故障還是永久性故障。當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)的零序電壓由于接地阻抗的差別會(huì)上升到一定的范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)依據(jù)判據(jù)判斷是否是單相接地故障。若控制系統(tǒng)確認(rèn)為單相接地故障，控制器首先發(fā)出選線指令，發(fā)出脈沖電流，選線完成后立即啟動(dòng)消弧線圈和軟開關(guān)觸點(diǎn)消弧。故障相軟開關(guān)接地觸點(diǎn)閉合，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)消除可能發(fā)生的弧光過電壓。隨著調(diào)式消弧線圈啟動(dòng)，將電流從接地相接地觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了消弧線圈內(nèi)。打開故障相軟開關(guān)接地觸點(diǎn)，判斷是瞬時(shí)性接地故障還是臨時(shí)性或永久性接地故障，如果接地故障消除，可判定為瞬時(shí)性單相接地故障，記錄發(fā)生接地故障的支路和故障相，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行；如果接地故障重現(xiàn)，判定為永久性接地故障。對(duì)于臨時(shí)性接地故障還是永久性接地故障的區(qū)分，還需要通過對(duì)瞬態(tài)電壓在線監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析來加以判定，如果故障相電壓逐步趨于穩(wěn)定在一個(gè)較高的數(shù)值可以判定為臨時(shí)性接地故障，有可能通過控制流過故障點(diǎn)的電流和時(shí)間來安全地清除故障點(diǎn)，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行；如果故障相電壓穩(wěn)定，無高頻分量，并且趨穩(wěn)于一個(gè)較低的數(shù)值，故障點(diǎn)很可能是固體絕緣的對(duì)地絕緣破壞，應(yīng)盡快閉合故障相接地觸點(diǎn)，防止發(fā)生事故擴(kuò)大化，并可以在單相接地供電模式下繼續(xù)安全供電2 h。如果暫態(tài)電壓在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)持續(xù)性弧光過電壓也必須快速閉合故障相接地觸點(diǎn)。

2 仿真分析

以某供電公司某10 kV配網(wǎng)為例，該配電網(wǎng)共有5條10 kV出線，線路長度2～10 km，10 kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，系統(tǒng)電容電流約為94 A。在PSCAD仿真程序中建立仿真模型(見圖4)，分析配網(wǎng)柔性接地技術(shù)的有效性。

圖4 柔性接地配網(wǎng)仿真模型

假設(shè)線路1在線路末端發(fā)生單相金屬性接地，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)置接地電阻值為5 Ω。仿真得到所有10 kV出線的零序電流如圖5所示。單相接地發(fā)生時(shí)間為0.06 s，站內(nèi)10 kV中性點(diǎn)在零電壓為零時(shí)刻0.906 s短暫直接接地0.010 s，產(chǎn)生脈沖電流。由圖5可見，故障線路1出線零序電流產(chǎn)生一明顯電流脈沖，其幅值遠(yuǎn)大于其他非故障線路，通過零電流波形曲線可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)單相故障選線。

圖5 各出線脈沖選線電流波形

在0.205 s，母線故障相A相對(duì)地電壓為零時(shí)刻，閉合轉(zhuǎn)移接地開關(guān)，A相直接接地，得到故障點(diǎn)和轉(zhuǎn)移接地點(diǎn)電流如圖6所示。由圖6可見，在轉(zhuǎn)移接地開關(guān)閉合后，故障點(diǎn)電流最大值明顯降低，由此前的0.131 kA減少為0.092 kA，減少30.0%。若故障點(diǎn)更靠近變電站出線，則減少幅度將更加明顯。

圖6 容性電流轉(zhuǎn)移電流曲線

3 結(jié)語

(1)由于脈沖電流特征可控，使脈沖電流在不同接地電阻的情況下都能保持足夠大的強(qiáng)度以被檢測(cè)到，這使得短路脈沖電流有別于其他干擾信號(hào)而使選線準(zhǔn)確度大為提高。

(2)故障點(diǎn)容性電流轉(zhuǎn)移消弧技術(shù)能夠有效地轉(zhuǎn)移現(xiàn)場(chǎng)故障點(diǎn)的電流，根據(jù)故障點(diǎn)位置不同，可使故障點(diǎn)電流幅值出現(xiàn)不程度的降低，避免故障點(diǎn)出現(xiàn)弧光接地過電壓，穩(wěn)定系統(tǒng)的過電壓水平。

(3)通過合理的控制邏輯和綜合判別方法，實(shí)現(xiàn)了單相臨時(shí)性接地和永久性接地故障的準(zhǔn)確判別，對(duì)配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要參考作用。

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