胡葉舟，張 琳，陳欣華，謝 成，尤 敏，楊 勇，顧國強(qiáng)

0 引言

隨著城市配電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求越來越高。城市配電網(wǎng)主要以電纜為主，發(fā)生的故障大多為永久性故障，在運(yùn)行中長時(shí)間單相接地往往會(huì)發(fā)展為相間短路故障，繼而引發(fā)嚴(yán)重的電纜溝、開關(guān)柜、甚至變電站起火事故[1-5]。2017年發(fā)布的Q/GDW 10370-2016《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》中要求現(xiàn)代配電網(wǎng)具備一定的自愈能力和應(yīng)急處理能力，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障處理技術(shù)原則由“2 h運(yùn)行+接地選線”改為“選線選段、就近快速隔離”，在提高故障處理能力的同時(shí)降低線路接地對人身安全的危害。因此如何控制并降低配電網(wǎng)單相接地故障發(fā)生后的風(fēng)險(xiǎn)成為必要的研究課題[6-9]。

國網(wǎng)浙江省電力有限公司為提高配電網(wǎng)單相接地選線和滅弧能力，引進(jìn)國內(nèi)首臺(tái)GFN（接地故障綜合保護(hù)）設(shè)備。GFN設(shè)備通過與消弧線圈相互配合實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)單相接地故障電流的全補(bǔ)償，以達(dá)到快速熄弧、故障選線和防止事故擴(kuò)大目的，保障人身安全，提升配電網(wǎng)搶修效率和運(yùn)行可靠性。文中介紹了GFN設(shè)備功能驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施過程，并對功能驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析，提出了相關(guān)建議。

1 GFN設(shè)備簡介

GFN設(shè)備并聯(lián)安裝于變電站母線消弧線圈，設(shè)備主要由RCC（逆變模塊）、電容器組、升壓變、控制柜等部分組成。故障處理的基本原理是當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后進(jìn)行接地點(diǎn)殘流全補(bǔ)償，達(dá)到快速熄弧和精準(zhǔn)選線的目的，保障人身安全，提升運(yùn)行可靠性。GFN設(shè)備電氣連接如圖1所示。

圖1 GFN設(shè)備電氣連接

GFN設(shè)備主要功能概述如下：

（1）接地電流全補(bǔ)償功能。

當(dāng)接地故障發(fā)生后，GFN設(shè)備通過調(diào)節(jié)中性點(diǎn)電壓幅值及相角，反向注入與消弧線圈補(bǔ)償后故障點(diǎn)殘流大小相等、方向相反的電流，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)殘流全補(bǔ)償，達(dá)到抑制接地點(diǎn)殘流，保障人身安全的目的。

（2）單相接地選線功能。

設(shè)備具備故障錄波功能，通過綜合暫態(tài)特征法和自適應(yīng)零序?qū)Ъ{法進(jìn)行接地選線研判。暫態(tài)特征選線法基本原理為在接地故障發(fā)生瞬間比較各線路零序電流幅值、相位并對比序電壓極性；故障線路具備瞬時(shí)暫態(tài)電流方向與非故障線路相反，且幅值較非故障線路大的特征[10]；零序?qū)Ъ{選線法基本原理為對比故障前后各線路零序?qū)Ъ{值，故障線路具備線路導(dǎo)納值及相位均發(fā)生較大變化的特征[11-13]。GFN設(shè)備同時(shí)具備上述兩種選線功能，通過綜合研判實(shí)現(xiàn)故障線路選線功能。

2 GFN設(shè)備功能驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

為進(jìn)行GFN設(shè)備功能驗(yàn)證，進(jìn)行現(xiàn)場單相接地模擬試驗(yàn)，以杭州某110 kV變電站10 kV側(cè)一出線間隔為模擬故障線路，故障模擬出線至10 kV開關(guān)站Ⅰ母，10 kV開關(guān)站Ⅰ母備用間隔引出電纜約700 m至110 kV變電站站內(nèi)空地進(jìn)行單相接地試驗(yàn)。試驗(yàn)回路如圖2所示。

2.2 故障類型設(shè)置

為了充分進(jìn)行功能驗(yàn)證，現(xiàn)場模擬4種單相接地故障：金屬性接地故障、經(jīng)過渡電阻（500 Ω/16 000 Ω）接地故障、電纜弧光接地故障、斷線接地故障。

從10 kV開關(guān)站Ⅰ母備用間隔引出電纜約700 m，至110 kV變電站站內(nèi)空地接地樁，電纜B相進(jìn)行人工模擬接地故障，在接地引線處串接電流互感器，用于現(xiàn)場接地點(diǎn)電流波形測錄。回路如圖3所示。

圖2 GFN設(shè)備功能驗(yàn)證試驗(yàn)電氣回路

圖3 故障模擬回路示意

2.2.1 金屬性接地

電纜B相引出后通過接地引線直接接入接地樁，示意如圖4所示。電纜A與C相終端做絕緣包覆處理。

圖4 金屬性接地接線示意

2.2.2 過渡電阻接地

電纜B相引出后通過過渡電阻（R=500/16 000 Ω）接入接地銅排。過渡電阻設(shè)備絕緣按照線電壓水平，容量按照消弧線圈補(bǔ)償后最大的可能電流選擇，并留有一定的裕度。現(xiàn)場接線示意圖如圖5所示。

圖5 經(jīng)過渡電阻接地接線示意

2.2.3 電纜單相弧光接地接地

將電纜B相出線固定后進(jìn)行鉆孔（直徑5 mm鉆頭），破壞鎧裝層絕緣，屏蔽層接地，電纜A與C相終端做絕緣包覆處理，現(xiàn)場接線示意圖如圖6所示。

圖6 電纜單相弧光接線示意

2.2.4 斷線故障接地

將電纜B相出線固定后連接240 mm2架空導(dǎo)線段（2 m），并將架空導(dǎo)線段置于干草地，對電纜A與C相終端做絕緣包覆處理，現(xiàn)場接線示意圖如圖7所示。

圖7 斷線故障接線示意

2.3 試驗(yàn)運(yùn)行工況

試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式：110 kV變電站1號、2號主變壓器（簡稱主變）分列運(yùn)行，1號主變低壓側(cè)帶10 kVⅠ段母線，10 kVⅠ段母線帶故障模擬線路。10 kVⅠ段母線中性點(diǎn)通過1號接地所用變后經(jīng)消弧線圈接地，消弧線圈采用預(yù)調(diào)式過補(bǔ)償方式運(yùn)行。

3 試驗(yàn)過程

編制試驗(yàn)方案后，分別進(jìn)行金屬性接地、經(jīng)500 Ω電阻接地、經(jīng)16 000 Ω電阻接地、電纜弧光接地、斷線接地等接地模擬試驗(yàn)，每種試驗(yàn)分別在GFN設(shè)備投入、GFN設(shè)備退出2種情況下進(jìn)行。

3.1 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)接線。確認(rèn)安全措施完備后，按照試驗(yàn)工況要求進(jìn)行接地試驗(yàn)回路接線和各個(gè)測點(diǎn)布置，完成后站內(nèi)10 kV故障線出線開關(guān)由檢修改熱備用操作。

（2）對站內(nèi)10 kV故障線開關(guān)進(jìn)行合閘操作，模擬單相經(jīng)過渡電阻接地故障，測錄接地試驗(yàn)波形，記錄變電站及開關(guān)站相關(guān)設(shè)備電氣狀態(tài)量，記錄變電站、開關(guān)站、用戶側(cè)相關(guān)事件。

（3）對站內(nèi)10 kV故障線開關(guān)進(jìn)行分閘操作，切換至檢修狀態(tài)，更改試驗(yàn)工況。

各試驗(yàn)工況下現(xiàn)場如圖8—12所示。

3.2 數(shù)據(jù)測錄

運(yùn)用數(shù)字錄波儀分別測錄Ⅰ段母線A，B，C相電壓，故障線路A與C相及零序電流，非故障線路零序電流，消弧線圈電流、電壓，GFN設(shè)備輸出電流、現(xiàn)場接地點(diǎn)電流等暫態(tài)參數(shù)，如表1所示。同時(shí)記錄各參數(shù)穩(wěn)態(tài)值和每次故障工況下GFN設(shè)備選線結(jié)果、現(xiàn)場接地點(diǎn)熄弧效果等。

圖8 金屬性接地

圖9 經(jīng)500 Ω電阻接地

圖10 經(jīng)160 000 Ω電阻接地

圖11 斷線接地

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對比GFN設(shè)備投入、退出工況下各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對接地點(diǎn)電流抑制效果、選線效果及投運(yùn)前后電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較分析。

圖12 電纜弧光接地鉆孔

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集位置

4.1 接地點(diǎn)電流抑制效果分析

比較不同工況下GFN設(shè)備投入前后現(xiàn)場接地點(diǎn)電流的有效值和峰值，如表2所示。

表2 現(xiàn)場接地點(diǎn)不同工況下電流值比較

GFN設(shè)備投入后，在經(jīng)過渡電阻接地、電纜弧光接地、斷線接地工況下，接地電流有效值均小于0.5 A，并在弧光接地和導(dǎo)線斷線接地工況下將接地電流峰值由21.73 A和11.57 A抑制到0.94 A和0.53 A，補(bǔ)償效果較好；但金屬性接地工況下GFN設(shè)備對接地電流抑制效果不明顯。

在電纜單相弧光接地故障工況下，GFN設(shè)備退出時(shí)接地后電纜擊穿點(diǎn)持續(xù)放電，直至開關(guān)站遙分操作后熄弧；GFN設(shè)備投入時(shí)接地后電纜模擬擊穿點(diǎn)瞬間熄弧。接地點(diǎn)電流波形及試驗(yàn)現(xiàn)場如圖13—14所示。

圖13 弧光接地GFN設(shè)備退出、投入前后接地點(diǎn)電流錄波

圖14 GFN設(shè)備退出工況下電纜弧光接地

在導(dǎo)線斷線接地故障工況下，GFN設(shè)備退出時(shí)接地后對地持續(xù)放電，持續(xù)出現(xiàn)火花并伴隨接地點(diǎn)干草灼燒后冒煙，直至開關(guān)站遙分操作后熄?。籊FN設(shè)備投入時(shí)導(dǎo)線接地點(diǎn)瞬間熄弧，未出現(xiàn)燃弧現(xiàn)象，滅弧效果較明顯。接地點(diǎn)電流波形及試驗(yàn)現(xiàn)場如圖15—16所示。

4.2 選線結(jié)果分析

GFN設(shè)備在其投入與退出狀態(tài)下均具備單相接地故障選線功能，總結(jié)各試驗(yàn)工況下GFN設(shè)備選線結(jié)果，如表3所示。在金屬性接地、經(jīng)500 Ω電阻接地、弧光接地和斷線接地工況下，GFN設(shè)備選線結(jié)果均正確；經(jīng)16 000 Ω電阻接地工況下，GFN設(shè)備退出狀態(tài)因接地電阻較高，各研判參數(shù)變化量小，GFN設(shè)備無法啟動(dòng)選線功能；GFN設(shè)備啟動(dòng)情況下，GFN設(shè)備選線正確。

4.3 電壓分析

比較不同試驗(yàn)工況下1號母線各相電壓接地前后穩(wěn)態(tài)值和接地瞬間暫態(tài)峰值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，GFN設(shè)備退出時(shí)，接地故障發(fā)生后，故障相電壓均有不同程度降低，其中金屬性接地降低幅度最高，16 000 Ω高阻接地壓降幅度最低。GFN設(shè)備投入后，各種試驗(yàn)工況下故障相電壓均降低至50～400 V，非故障相電壓將抬升至線電壓。

另外對比接地瞬間電壓暫態(tài)峰值，每種試驗(yàn)工況下故障相在GFN設(shè)備投入較設(shè)備退出情況暫態(tài)過電壓略有降低，非故障相在GFN設(shè)備投入較設(shè)備退出情況暫態(tài)過電壓有不同程度升高；試驗(yàn)中各過電壓數(shù)據(jù)符合GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.1暫時(shí)過電壓及限制相關(guān)要求。

圖15 斷線接地GFN設(shè)備退出、投入前后接地點(diǎn)電流錄波

圖16 斷線試驗(yàn)GFN設(shè)備投入、退出現(xiàn)場對比

表3 GFN設(shè)備各試驗(yàn)工況下選線結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 不同試驗(yàn)工況下1號母線電壓值

5 結(jié)論

通過基于運(yùn)行工況進(jìn)行單相接地試驗(yàn)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場實(shí)施，完成國內(nèi)首臺(tái)GFN設(shè)備現(xiàn)場功能驗(yàn)證和評價(jià)，得出以下結(jié)論：

（1）GFN 設(shè)備對經(jīng) 500 Ω 電阻、 經(jīng) 16 000 Ω電阻、弧光接地及斷線接地工況補(bǔ)償后接地點(diǎn)殘流均小于1 A，全補(bǔ)償效果較明顯；金屬性接地工況補(bǔ)償后接地點(diǎn)殘流大于5 A，全補(bǔ)償效果不明顯。金屬性接地、500 Ω接地、弧光接地和斷線接地補(bǔ)償時(shí)間小于100 ms，16 000 Ω補(bǔ)償時(shí)間小于200 ms，補(bǔ)償響應(yīng)速度較快。

（2）電纜單相弧光接地工況，GFN設(shè)備退出狀態(tài)，接地后電纜擊穿點(diǎn)持續(xù)放電；GFN設(shè)備投入狀態(tài)，接地后電纜擊穿點(diǎn)瞬間熄弧，滅弧效果較明顯。

（3）斷線接地工況，GFN設(shè)備退出狀態(tài)，接地點(diǎn)持續(xù)放電，持續(xù)出現(xiàn)火花并伴隨接地點(diǎn)干草灼燒后冒煙，直至開關(guān)站遙分操作后熄??；GFN設(shè)備投入時(shí)導(dǎo)線接地點(diǎn)瞬間熄弧，未出現(xiàn)燃弧現(xiàn)象，滅弧效果較明顯。

（4）金屬性接地、經(jīng)500 Ω電阻接地、弧光接地、斷線接地工況下，GFN設(shè)備選線結(jié)果均正確；16 000 Ω電阻接地工況下，GFN設(shè)備退出情況下GFN設(shè)備無法啟動(dòng)選線功能；GFN設(shè)備投入下，GFN設(shè)備選線結(jié)果正確。

（5）不論金屬性接地、經(jīng)過渡電阻阻接地、弧光接地或斷線接地，GFN設(shè)備投入后，故障相電壓有效降低，非故障相電壓將抬升至線電壓，建議設(shè)備運(yùn)維單位在運(yùn)行中予以關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1]董振亞．城市配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的發(fā)展和改進(jìn)[J]．中國電力，1998，31（8）∶38-41．

[2]蔡澤祥，周全．配網(wǎng)接線方式對供電可靠性影響分析[J]．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22（4）∶85-88．

[3]李景祿，周羽生．關(guān)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的探討[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24（8）∶85-86．

[4]余衛(wèi)成，徐劍峰.一起非典型的10 kV母線單相接地故障分析[J]．浙江電力，2013，32（1）∶17-19.

[5]丁愛佳，鮑炫羽，季玲玲.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法研究[J].浙江電力，2017，36（5）∶8-11.

[6]謝成，金涌濤，胡葉舟.基于相關(guān)系數(shù)分析的配電網(wǎng)單相接地故障研判方法與試驗(yàn)研究[J].浙江電力，2017，36（3）∶17-23.

[7]劉健，沈兵兵，趙江河，等．現(xiàn)代配電自動(dòng)化系統(tǒng)[M]．中國水利水電出版社，2013．

[8]牟龍華.零序電流有功分量方向接地選線保護(hù)原理[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（9）∶60-62.

[9]唐艷波.10 kV配電網(wǎng)單相接地電容電流補(bǔ)償方式的研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，1999，19（4）∶52-55.

[10]要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京：中國電力出版社，2000.

[11]曾祥君，尹項(xiàng)根，張哲，等．零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（4）∶5-10.

[12]薛永瑞，徐丙垠，等．小電流接地故障暫態(tài)方向保護(hù)原理研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（7）∶51-56.

[13]吳青軍，黃駕駕，劉東紅.零序過流保護(hù)在單相接地故障選線中的應(yīng)用[J].浙江電力，2016，35（5）∶47-49.