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]。

1 項(xiàng)目實(shí)施背景

1.1 選線技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

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。

1.2 選線原理比較

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。

1.3 10kV電氣系統(tǒng)選線裝置實(shí)施背景

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)。

2 內(nèi)涵和主要做法

2.1 成果內(nèi)涵

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 主要做法

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 X-B9000小電流接地選線裝置技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

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。

3 實(shí)施效果

3.1 整體效益

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。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

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。

3.3 社會(huì)效益

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。