劉捷

摘 要：配電網(wǎng)接地故障的檢測和保護是中性點不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)中的難題之一，故障電流雖小，但帶來的后續(xù)危害卻很大。為提高供電可靠性，把故障造成的損壞降低到最小限度，就要對接地故障進行有效保護。文中闡述了接地保護的重要性、故障發(fā)生的原理、檢測關(guān)鍵技術(shù)及問題注意點和保護參數(shù)設(shè)定的建議，推薦了一種可靠精確的接地保護開關(guān)設(shè)備，介紹了其實際應用效果，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：接地故障;方向性接地保護方法;接地保護定值的設(shè)置;配電設(shè)備;接地檢測;零序?qū)Ъ{

0 引 言

解決接地故障是10 kV配網(wǎng)中性點小電流接地系統(tǒng)中的難題之一，如果不進行有效保護將發(fā)展為短路故障，造成更大損害。目前接地故障的檢測和保護越來越被重視，配電網(wǎng)技術(shù)導則也做了很大修改，要求在躲過瞬時接地故障后，快速就近隔離故障。本文闡述了接地故障的現(xiàn)象和檢測原理，幫助相關(guān)人士掌握檢測知識，正確選用開關(guān)設(shè)備，以縮短停電時間，提高供電可靠性。

1 接地故障保護的重要性及規(guī)則要求的變遷

國內(nèi)10 kV配電的中性點接地方式與運行規(guī)程均沿用原蘇聯(lián)的規(guī)定，采用非接地方式和消弧線圈接地方式。目前非接地方式占比約為69%，消弧線圈接地方式占比約為28%。

非接地和消弧線圈接地系統(tǒng)的重點在于接地故障檢測和保護。配電網(wǎng)中接地故障發(fā)生率為80%～90%，過流故障為10%～20%，但在實際保護時過流故障占比為60%～70%。過流故障會對設(shè)備造成極大傷害，引起設(shè)備劣化，加之外部惡劣因素的影響，還將引發(fā)各類故障，形成惡性循環(huán)。為了抑制設(shè)備的損害和劣化，切斷惡性循環(huán)，在接地故障演化為過流故障之前進行保護至關(guān)重要。配電設(shè)備劣化循環(huán)如圖1所示。

目前國內(nèi)多通過選線或人工拉路的方式尋找故障線路，考慮到選線裝置雖投入較多，但準確率低，故部分地區(qū)已不再采用該設(shè)備。而人工拉路會造成非故障線路短時停電，在進一步查找接地故障區(qū)段時還需要逐段線路停電，導致非故障區(qū)域的連帶停電，無法提高供電可靠性，并且還有人身觸電風險。因此，帶故障運行2小時的檢修方式已無法滿足當下配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求[1]。將配電網(wǎng)技術(shù)導則（Q/GDW 10370-2016）中原有的系統(tǒng)及故障處理“2小時運行+接地選線”原則優(yōu)化為：在躲過瞬時接地故障后，快速就近隔離故障，即“選段跳閘”[2]。

2 接地故障發(fā)生時的現(xiàn)象

2.1 零序電流

為正確檢測接地故障，需要了解接地故障發(fā)生時的現(xiàn)象。正常時和接地時的電壓矢量如圖2所示，發(fā)生接地故障時，中性點從N移到N'。

圖2（b）所示為C相發(fā)生完全接地故障時的矢量圖，可認為是在與正常時C相電壓相反方向產(chǎn)生了零序電壓（V0）。

零序電壓（V0）根據(jù)接地故障的形態(tài)（變壓器/高壓電機等的絕緣劣化、高壓線異物搭接、瓷套裂紋等）變化。V0對零序電流（I0）、接地電流（Ig）造成很大影響。

圖3所示為C相F點發(fā)生接地故障時流通的故障電流。對地間靜電容量為供給源，故障點流通的電流（Ig）為零序電流（I0），流過變電站內(nèi)設(shè)置的接地變壓器（GPT）的電流為（IN），Ig=I0+IN。

2.2 多回路中接地故障電流的流向

在實際的配電系統(tǒng)中，一般情況下從一個變壓器中引出多條出線。例如在用戶2高壓受電設(shè)備的界內(nèi)發(fā)生接地故障時，配電系統(tǒng)的接地電流流向如圖5所示。

在用戶2的界內(nèi)發(fā)生接地故障時，由ZPD檢測出零序電壓（V0）;在接地電流Ig中，界內(nèi)靜電容上流通的IC21經(jīng)由電源側(cè)返回故障點，因此相抵消，用戶分界的ZCT無法檢測。在電源側(cè)，其他線路（健全線路）及配電用變電所的EVT中性點上流通的電流（IC22+IC11+IC12+IN）返回故障點，可被受電ZCT檢測。該電流相對V0而言，相位超前0～90°，但在其他線路發(fā)生接地故障時，受電ZCT檢測出的接地電流與其相反，相位滯后90°～180°。接地方向繼電器DGR基于該原理判別接地故障點[3-5]。

接地電流Ig通過大地流入系統(tǒng)各部的靜電容量和變電站的接地變壓器（EVT）中性點，之后經(jīng)配電變壓器的線圈流回接地點。

2.3 零序電流的暫態(tài)特征

依據(jù)現(xiàn)有錄波技術(shù)錄取的各線路小電流接地故障波形，比較同母線上暫態(tài)零序電流的特征，發(fā)現(xiàn)故障線路的接地電流幅值明顯大于非故障線路，且故障線路零序電流的極性與非故障線路相反;故障線路暫態(tài)零序電壓的導數(shù)與零序電流相反，非故障線路暫態(tài)零序電壓與零序電流相同。

3 接地故障檢測方法和關(guān)鍵點

3.1 依據(jù)接地電流（Ig）的檢測方法

僅依靠接地電流（Ig）的大小來判斷用戶界內(nèi)是否存在接地故障的方法被稱為非方向性檢測法。非方向性檢測法利用接地電流的大小和線路對地間靜電容量的比例關(guān)系，根據(jù)線路長短來設(shè)定接地電流保護值，當流通的接地電流值大于保護定值時開關(guān)進行保護操作[6-7]。

由于該方式忽略了接地點產(chǎn)生的接地電阻（Rg）的影響，故不完全接地時容易出現(xiàn)不保護現(xiàn)象，“不能保護領(lǐng)域”隨著整定值的增大而增大，在內(nèi)部發(fā)生高阻接地及弧光接地時難以檢測，開關(guān)對于故障無動作。在高壓用戶內(nèi)部線路較長或電纜使用較多時，靜電容量變大，當配電線路上（電源側(cè)）發(fā)生接地故障時，會產(chǎn)生誤動作。該方式雖然成本較低，但由于會出現(xiàn)誤動作和不動作現(xiàn)象，故只能使用在用戶分界處，無法使用到主干線的分段、聯(lián)絡和T節(jié)點處。

3.2 依據(jù)零序電壓（V0）和接地電流（Ig）的檢測方法

該方式是日本目前主要采取的方向性接地檢測方式，分別利用零序電壓互感器（ZPD）、零序電流互感器（ZCT）檢測出零序電壓（V0）和接地電流（Ig），根據(jù)V0，Ig及兩者相位差（φ）的關(guān)系來判斷為負荷側(cè)故障或電源側(cè)故障。該方式不僅適用于中性點非接地系統(tǒng)，也適用于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。圖6所示為V0和Ig，I0的向量關(guān)系圖，圖7所示為負荷側(cè)故障的相位范圍。

方向性接地檢測法判定精度高，適合干線或分支分界點的接地故障檢測。

圖8所示為方向性接地檢測原理圖。零序電流及零序電壓分別達到整定值以上時，各自的電平檢測回路輸出才會有信號。該信號輸出到相位辨別回路后，輸出信號被增幅，使輸出繼電器動作、開關(guān)跳閘保護。

3.3 暫態(tài)零序檢測方法

依據(jù)暫態(tài)零序特征，一般在變電站的小電流選線裝置上可采用暫態(tài)零序電流群體幅值比較法和暫態(tài)零序電流群體極性比較法、暫態(tài)零序電流方向比較法進行接地故障選線，但不適用于線路開關(guān)接地故障的方向性辨別。一般采用暫態(tài)零序?qū)Ъ{法判定接地故障的方向，判定原理：將各條線路零序電壓和零序電流計算出的測量導納構(gòu)成保護判據(jù)，即對于非故障線路，零序測量導納等于線路自身導納，電導和電納均為正數(shù)。對于故障線路，零序測量導納等于負的電源零序?qū)Ъ{與非故障線路零序?qū)Ъ{之和。兩者在復導納平面中的范圍存在明顯界限，據(jù)此作為保護判據(jù)。將暫態(tài)波形（控制器帶有故障錄波功能，一個周期錄波80個點）取出后濾波，求出C0。

式中，C0為線路對地電容參數(shù)，以此參數(shù)為負數(shù)時為界內(nèi)，以此參數(shù)為正數(shù)時為界外。該方式也較適合于消弧線圈接地系統(tǒng)。

3.4 接地檢測的問題點和關(guān)鍵點

3.4.1 三相合成零序電流

在非接地/消弧線圈接地系統(tǒng)中，單相接地時的接地電流較小，在不完全接地時大多不到1 A。因此在檢測負荷電流中所包含的微接地電流時，一般使用一次側(cè)三相一并穿過的ZCT。而一部分產(chǎn)品有時采用依靠3個CT檢測零序電流的3CT方式。三相合成零序電流包括軟件合成和硬件合成， 采用測量CT進行硬件合成，由于一般保護接入的設(shè)備多，發(fā)生接地故障時會產(chǎn)生較大誤差，但計量CT容量較小，因此不采用。合成零序需要采用專用線圈，三相串聯(lián)，兩端加一個電阻，輸出零序電流。軟件合成則依據(jù)零序電流的定義，根據(jù)A，B，C三相電流及相序進行矢量合成。

這兩種方式誤差較大，原因在于每相需要一個專用線圈，但3個鐵芯的加工工藝和材料無法保持一致。3個線圈存在差異將導致產(chǎn)生殘留/剩磁特性差，在三相不平衡或電機啟動時會有較大的零序電流輸出，造成開關(guān)誤動作。而零序電流互感器/ZCT由一個線圈加工而成，其工藝及材料一致，故殘留特性稍好，不會因三相不平衡引發(fā)零序電流而造成誤動作。

3.4.2 電磁式零序電流互感器的局限性

常規(guī)電磁式零序電流互感器的通頻帶寬無法滿足小電流接地故障檢測的要求。在發(fā)生接地故障的瞬間（5～10 ms），采集零序電壓、電流的暫態(tài)波形變化趨勢時存在信息不完整現(xiàn)象，而故障發(fā)生瞬間零序電流波形為高頻振蕩波形，要求互感器可采集到高頻分量，但常規(guī)的電磁式互感器對高頻分量衰減較大。

目前采用的電磁式零序電流互感器變比為20 A/1 A，測量范圍為1～24 A，準確度可達0.5級，但發(fā)生高阻接地故障時，故障電流多小于0.5 A，將降低故障檢測成功率。

電子式零序電流傳感器（LPCT）在相同尺寸、同種材料及工藝水平下，LPCT匝數(shù)比傳統(tǒng)CT多出數(shù)倍，勵磁電流變小，磁滯相比傳統(tǒng)CT更小，因此頻響特性更好，在測量31次諧波（1 500 Hz）時較為準確。在故障初期5～10 ms，500～100 Hz下能夠準確測量一次零序電流。

3.4.3 關(guān)于接地保護定值的設(shè)置

對于接地保護而言，需要在終端設(shè)定零序電流、零序電壓和零序保護延時三個參數(shù)。關(guān)于零序電流的定值，主要依據(jù)設(shè)備安裝的位置確定;零序電流保護定值的計算主要依據(jù)開關(guān)后側(cè)的加快線路或電纜長度和對地電容值確定。每相的電容電流經(jīng)驗值一般為：架空線為0.02 A/km、電纜線路為1 A/km;零序電流的定值計算公式為I0=1.5×3×S×L（L為線路長度，S為電容電流經(jīng)驗值）;混合線路時，需分別計算兩者的對地電容后再相加，之后乘以安全系數(shù)即可。一般安全系數(shù)選1.5～3，建議在定值小時取大一些，在定值較大時取小一些;對于用戶分界開關(guān)，建議最小設(shè)定定值不小于0.4 A;在線路上安裝多臺接地保護開關(guān)時，零序電流的保護定值要取得級差配合，線路末端定值稍低，離變電站距離較近處稍高，以保證不會越級跳閘或同時跳閘。

零序電壓的保護定值與接地形態(tài)有很大關(guān)系，需對變電站的絕緣檢測裝置起到保護協(xié)調(diào)作用;一般變電站的開口三角處取得的零序電壓報警值在30%處接地，所以需比該參數(shù)保持同等或稍低水平，以早于或同時與變電站接地報警。

對于零序保護延時時間，中性點為小電流接地系統(tǒng)時，可選大于等于1S級，中性點經(jīng)低電阻接地時可選小于等于0S級。多臺開關(guān)串聯(lián)運行時，其動作時間取得時間級差配合，盡量避免越級跳閘和同時跳閘等問題出現(xiàn)。

4 結(jié) 語

目前國家電網(wǎng)在一二次融合柱開設(shè)備的招標中要求全部帶有方向性接地保護功能，接地保護的重要性愈加凸顯，選擇具有實際成功運行經(jīng)驗的優(yōu)良產(chǎn)品，將故障消除在接地故障萌芽階段，從而避免短路故障帶來的損壞，延長各配電設(shè)備的運行壽命，增強供電可靠性。

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