兗州煤業(yè)榆林能化有限公司 伊永臣
X-B9000型小電流選線裝置在10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),小電流選線裝置自動(dòng)捕捉到故障時(shí)的零序電壓、零序電流的暫態(tài)突變量,利用接地故障發(fā)生初期暫態(tài)量是穩(wěn)態(tài)量的幾倍到幾十倍的特點(diǎn),從捕捉暫態(tài)量的角度出發(fā),裝置捕捉到暫態(tài)量后自動(dòng)計(jì)算和分析,并從中選擇暫態(tài)量最集中的特征頻帶,利用特征頻帶內(nèi)暫態(tài)零序分量在故障線路與非故障線路中最明顯的幅值和相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)選線[1]。
中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),單相接地故障對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備安全及人身造成威脅,容易引發(fā)事故。但是大部分接地故障信號(hào)量小,受互感器和測(cè)量誤差、消弧線圈補(bǔ)償、接地電阻和故障類(lèi)型等影響,接地選線非常困難?;诠收闲盘?hào)穩(wěn)態(tài)分量,信號(hào)量小、可靠性差,保護(hù)裝置又不能反應(yīng)單相接地故障,傳統(tǒng)選線裝置正確率較低。
X-B9000型小電流選線裝置所采用的“自適應(yīng)特征頻帶的暫態(tài)量選線法”超越了傳統(tǒng)的“穩(wěn)態(tài)量選線法”和“首半波暫態(tài)量選線法”,除具有跟“注入法”和“殘流增量法”一樣不受系統(tǒng)運(yùn)行情況影響的全部?jī)?yōu)點(diǎn)以外,不再需要增加其它一次設(shè)備與之配合、安裝接線和調(diào)試簡(jiǎn)單、可以快速捕捉到瞬時(shí)性故障的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)該選線技術(shù)可以應(yīng)用到集中或分散繼電保護(hù)中,廣泛適應(yīng)中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)的發(fā)展需求。綜上所述,自適應(yīng)特征頻帶的暫態(tài)量選線法技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯,方案最佳。
廠內(nèi)10kV供電系統(tǒng)建廠初期已配置小電流選線裝置和繼電保護(hù)裝置,經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)警現(xiàn)象,而當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)真正發(fā)生接地故障時(shí),原小電流選線裝置無(wú)法精準(zhǔn)選擇出故障回路、且報(bào)警混亂。如不及時(shí)切除故障點(diǎn)則極易造成事故擴(kuò)大,對(duì)電氣設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)、人身安全構(gòu)成威脅,甚至引起生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)鎖跳車(chē),嚴(yán)重影響到廠內(nèi)安全穩(wěn)定生產(chǎn)。
X-B9000小電流接地選線裝置屬于選線技術(shù)前沿產(chǎn)品,適用于66kV及以下電壓等級(jí)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或系統(tǒng)經(jīng)電阻、消弧線圈間接接地的電力系統(tǒng),該裝置具有靈敏、可靠、選擇、快速的繼電保護(hù)特性,能夠精準(zhǔn)地隔離不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障的線路或設(shè)備,選線準(zhǔn)確率近100%;裝置以每周波1024點(diǎn)的高頻率監(jiān)測(cè)各線路。出現(xiàn)接地故障時(shí),高速采樣保障了把暫態(tài)過(guò)程完整清晰的捕捉的可能性,從而進(jìn)行有效的分析,找到故障的癥狀,保障了正確的選線;借助分析軟件能在線的對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)被保護(hù)線路的絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估并發(fā)出預(yù)警信號(hào),輔助決策。
2.2.1 項(xiàng)目實(shí)施目的
為保證10kV系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后,單相接地事故迅速得到控制不再擴(kuò)大,在不影響生產(chǎn)系統(tǒng)的情況下,暫時(shí)采用消弧消諧裝置復(fù)位及倒負(fù)荷的方式先排除故障段位及變電所,再對(duì)故障回路進(jìn)行切除,由于饋出回路較多,造成故障回路排查時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)處理時(shí)間長(zhǎng),容易造成事故擴(kuò)大。
2.2.2 X-B9000小電流接地選線裝置選線原理
小電流系統(tǒng)單相接地故障基本特征分析。當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)(例如A相接地故障),如果忽略負(fù)荷電流和電容電流在線路阻抗上的電壓降,全系統(tǒng)A相對(duì)地電壓均為零,A相對(duì)地電容電流也為零,同時(shí)B相和C相的對(duì)地電壓和電容電流都升高√3倍。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),在接地故障點(diǎn)要流過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)地電容電流,如果電容電流達(dá)到一定程度,在接地點(diǎn)就會(huì)燃起電弧、引起弧光過(guò)電壓,從而造成非故障相對(duì)地電壓升高,容易使非故障相絕緣損壞,導(dǎo)致兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地,造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大甚至停電。針對(duì)以上此問(wèn)題避免事故,用戶在系統(tǒng)的中性點(diǎn)與地之間加上消弧線圈,一般采用5%~10%的過(guò)補(bǔ)償方式。
中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)暫態(tài)電流分布特征。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(小電流系統(tǒng))中發(fā)生饋出線路單相接地故障,其暫態(tài)電流故障分量的分布如圖1,圖中箭頭標(biāo)示出暫態(tài)電流故障分量的流通回路。從圖中電流回路流向可以看出,故障線路J故障相(A相)的暫態(tài)電流故障分量由本線路B、C相的暫態(tài)電流分量和健全線路I各相暫態(tài)電流分量組成。
圖1 電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)電流的分布
經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)暫態(tài)電流分布特征。接有消弧線圈接地的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相同的是:在故障線路故障相中,暫態(tài)電流分量是由本線路非故障相的暫態(tài)電流分量和其他健全線路暫態(tài)電流分量組成。但由于消弧線圈補(bǔ)償?shù)拇嬖?,在故障線路故障相有感性暫態(tài)電流分量流過(guò),而所有非故障相則仍然保持流過(guò)自身容性暫態(tài)電流分量。
暫態(tài)零序電流相頻特性分析。任何線路都有一個(gè)最低的容性頻帶,在這個(gè)頻帶里,各健全線路的零序電流都為容性。而影響暫態(tài)零序電流相位的主要因素為線路的零序阻抗角,即隨著頻率升高,暫態(tài)零序電流相位在正負(fù)90°交變出現(xiàn),且在最低的頻帶為容性電流。
解決頻帶內(nèi)暫態(tài)電流分量選線原理。在一個(gè)健全線路暫態(tài)零序電流相位一致的頻帶內(nèi),故障線路暫態(tài)零序電流幅值大于健全線路暫態(tài)零序電流幅值,具有最大暫態(tài)電容電流。因此通過(guò)選擇一個(gè)健全線路電流相位一致的頻帶,利用此頻帶內(nèi)暫態(tài)電流分量幅值比較,選擇故障線路,這就是基于暫態(tài)零序電流特征頻帶的選線理論。一般說(shuō)來(lái),系統(tǒng)中最大兩條線路的零序電容之和不會(huì)超過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的89%。因此,特征頻帶內(nèi)故障線路電流幅值大于或等于∑I0(f)/2,而健全線路電流模值小于∑I0(f)/2。
2.3.1 自適應(yīng)零序電流暫態(tài)分量特征頻帶的選線理論
X-B9000小電流接地選線裝置選線的基本原理,是利用零序電流暫態(tài)分量自適應(yīng)捕捉特征雙頻帶選線理論,利用最先進(jìn)的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)單相接地故障選線,再輔助采用其它選線方法,不受系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障條件、故障時(shí)刻和故障位置的影響,針對(duì)不同系統(tǒng)、不同故障類(lèi)型,故障特征不同,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)尋找不同故障類(lèi)型的故障特征,動(dòng)態(tài)找到故障特征提取方法,實(shí)現(xiàn)接地選線的可靠。
2.3.2 采用雙突變量啟動(dòng)技術(shù),有效捕捉故障啟動(dòng)點(diǎn)
故障啟動(dòng)點(diǎn)的捕捉是算法可靠的保證。
表1 技術(shù)突破1:暫態(tài)分量
表2 技術(shù)突破2:特征頻帶
表3 技術(shù)突破3:自適應(yīng)特征
特征頻帶幅值比較法。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí),捕捉其零序電流的暫態(tài)分量,在首個(gè)容性頻帶內(nèi)故障線路的幅值最大。裝置自適應(yīng)捕捉特征頻率f1(50~5000Hz),計(jì)算特征頻帶的范圍,從而通過(guò)特征頻帶(f0~f1)的幅值比較來(lái)選擇故障線路。若系統(tǒng)未能進(jìn)行零序CT的極性校驗(yàn),本算法是首選算法。本算法不能反應(yīng)母線故障,選線正確率在95%以上。
暫態(tài)信號(hào)波形比較法。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí),捕捉其零序電流、零序電壓的暫態(tài)分量,利用故障線路的波形突變總是最大,且具有與零序電壓方向相同、與非故障線路方向相反的特點(diǎn),自動(dòng)進(jìn)行波形比較,從而選擇故障線路。本算法是輔助算法,尤其適用于間歇性接地、弧光接地和系統(tǒng)多點(diǎn)接地。本算法選線正確率接近100%。
特征雙頻極性比較法。裝置自適應(yīng)選擇能量最大的一個(gè)高頻率點(diǎn)Fh和一個(gè)低頻率點(diǎn)Fl,通過(guò)兩個(gè)頻率點(diǎn)的極性比較來(lái)選擇故障線路。若系統(tǒng)已經(jīng)完成零序CT的極性校驗(yàn),本算法是首選算法。本算法選線正確率接近100%。
2.3.3 連續(xù)選線技術(shù)、輔助系統(tǒng)絕緣監(jiān)察
小電流選線裝置在單相接地故障沒(méi)有消失的情況下,每隔1s重復(fù)進(jìn)行選線計(jì)算,直到故障消失、有效排除誤選。借助小電流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)分析軟件在線對(duì)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、歸類(lèi)、分析后,對(duì)被保護(hù)線路的絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,反應(yīng)出線路絕緣狀態(tài),并發(fā)出預(yù)警信號(hào)、輔助決策。不僅可以快速準(zhǔn)確選擇出實(shí)際事故線路,還可以精準(zhǔn)判斷選擇出潛在絕緣薄弱點(diǎn),給值班運(yùn)行人員提供有力技術(shù)判斷支撐,對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行管理起到積極的指導(dǎo)作用。
2.3.4 完整暫態(tài)故障錄波
裝置以每周波1024點(diǎn)的高頻率監(jiān)測(cè)各線路,出現(xiàn)接地故障時(shí),高速采樣可以使暫態(tài)過(guò)程完整清晰捕捉,從而進(jìn)行有效的分析,找到故障的癥狀;豐富的錄波信息,有助于事故分析和二次選線;X-B9000小電流接地選線裝置典型故障錄波分析如下。
金屬性接地特征分析:故障零序電壓在100V左右,暫態(tài)過(guò)程信號(hào)豐富;間歇性弧光接地特征分析:零序電壓波形有畸變且幅值比較大、往往超過(guò)100V,同時(shí)零序電流呈周期性放電狀態(tài);電阻接地特征分析:故障零序電壓小于100V,接地電阻越大零序電壓越小,零序電壓呈緩慢上升趨勢(shì),零序電流暫態(tài)信號(hào)較弱;消弧系統(tǒng)接地故障特征分析:?jiǎn)蜗嘟拥毓收暇€路零序電流的暫態(tài)過(guò)程波形與非接地故障線路反相,穩(wěn)態(tài)過(guò)程波形與正常線路同相。
CT極性接反特征分析:系統(tǒng)所有CT極性接反的線路零序電流波形與單相接地故障線路零序電流同相。特別說(shuō)明的是,分段運(yùn)行的兩段母線也需要對(duì)出線零序CT極性進(jìn)行統(tǒng)一;CT開(kāi)路或短路特征分析:該線路如果未投入使用、路器處于斷開(kāi)或短線路狀態(tài),零序電流波形就會(huì)呈現(xiàn)直線狀,該線路零序電流并不明顯,這種現(xiàn)象可以判斷CT有可能出現(xiàn)開(kāi)路或短路。
借助分析軟件能在線對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)被保護(hù)線路的絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,并發(fā)出預(yù)警信號(hào)、輔助決策。不僅可以快速準(zhǔn)確選擇出實(shí)際事故線路,還可以精準(zhǔn)判斷選擇出潛在絕緣薄弱點(diǎn),給值班運(yùn)行人員提供有力技術(shù)判斷支撐。故障的快速排除,有效提高故障排查處置效率,大幅提升供電及生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。
系統(tǒng)一旦因單相接地導(dǎo)致故障,將可能引起系統(tǒng)跳車(chē),每次損失費(fèi)用約150萬(wàn)元。自2019年X-B9000小電流接地選線裝置應(yīng)用以來(lái),累計(jì)精準(zhǔn)判斷單相接地事故2次,精準(zhǔn)判斷潛在絕緣薄弱點(diǎn)1次,在2020年4月16日因302B氣化變電所4#氣化變因單相接地故障,小電流選線裝置精準(zhǔn)選線,10分鐘不到將故障回路退出并隔離,未影響正常生產(chǎn),共挽回直接經(jīng)濟(jì)損失約300余萬(wàn)元。
X-B9000小電流接地選線裝置技術(shù)先進(jìn),不依賴(lài)于其它操作系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的可靠性,滿足“選擇性、可靠性、靈敏性和速動(dòng)性”的要求,擁有最高的電磁兼容性能、擁有保護(hù)裝置一樣的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間,選線正確率接近100%。裝置的成功應(yīng)用,有效的提升了接地故障點(diǎn)選擇效率,使應(yīng)急處置人員能夠第一時(shí)間在保證生產(chǎn)系統(tǒng)不受影響的情況下切除故障點(diǎn),可在石油化工、礦山、金屬冶煉等重點(diǎn)危險(xiǎn)企業(yè)推廣使用。