吳建宇

基于中電阻法的小電流接地選線方法研究

吳建宇

（福州市閩江公園管理處，福州 350000）

變電站小電流接地選線存在正確率偏低、漏報(bào)率和誤報(bào)率高等問題，直接影響配電網(wǎng)主站研判結(jié)果，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)隔離、供電可靠性大大降低。鑒于此，本文提出一種通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切，并配合投入變電站10kV線路零序過電流保護(hù)及10kV柱上開關(guān)的零序過電流保護(hù)，快速切除單相接地故障的方法。該方法充分發(fā)揮中電阻選線的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高配電網(wǎng)單相接地時(shí)選線選段的準(zhǔn)確率，且具有改造投資省、效率高，改造時(shí)停電時(shí)間短、停電范圍小的優(yōu)點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)中電阻長時(shí)間投入并流過短路電流時(shí)易燒毀的缺點(diǎn)。

小電流接地選線；中電阻法；配電網(wǎng)；單相接地故障

0 引言

變電站小電流接地故障存在故障信號(hào)強(qiáng)度低、選線難度大等問題[1-3]，直接導(dǎo)致故障研判和處理時(shí)間長，影響配電網(wǎng)供電可靠性?，F(xiàn)有故障選線方法按照利用信號(hào)的方式不同，可分為被動(dòng)式選線方法和主動(dòng)式選線方法[4-6]。被動(dòng)式選線方法利用故障時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行故障識(shí)別，主要包括基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)故障信息的識(shí)別法兩大類?；诜€(wěn)態(tài)故障信息的識(shí)別方法有群體比幅比相法、有功分量法、五次諧波法等，基于暫態(tài)故障信息的識(shí)別方法主要有暫態(tài)比幅比相法、暫態(tài)電流方向法和半波法等。主動(dòng)式選線方法主要有注入信號(hào)法、殘留增量法、中電阻法等[7-11]。

綜合分析各小電流接地選線裝置選線方法及原理可知，除中電阻選線法外，各選線方法的選線準(zhǔn)確率均受制于以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，零序電流過小，導(dǎo)致故障特征不明顯，影響選線準(zhǔn)確率；系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，暫態(tài)過程太短，故障特征轉(zhuǎn)瞬即逝，選線裝置難以捕捉導(dǎo)致選線準(zhǔn)確率低；選線準(zhǔn)確率嚴(yán)重依賴母線上所有間隔所安裝的零序CT的精度、安裝的規(guī)范性、性能的完好性等[12-17]。

中電阻法通過并聯(lián)中電阻放大故障電流特征進(jìn)行故障識(shí)別選線。在故障時(shí)短時(shí)投入中電阻，運(yùn)用零序電流或有功功率變化量的選線原理來選線。由于中電阻的放大作用，所利用信號(hào)強(qiáng)度較大，選線正確率較好。該方法的主要不足在于增加了一次設(shè)備，易形成安全薄弱點(diǎn)；影響故障點(diǎn)熄弧，易燒毀形成安全隱患[18-21]。

針對(duì)上述被動(dòng)和主動(dòng)選線方案的不足，本文提出一種通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切并配合投入零序過電流保護(hù)跳閘的方法，充分發(fā)揮中電阻選線法的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，以提高配電網(wǎng)單相接地時(shí)的選線選段準(zhǔn)確率。

1 原理分析與現(xiàn)場情況

1.1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障特征

圖1為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)，各相電壓對(duì)稱，中性點(diǎn)對(duì)地電壓為零，消弧線圈沒有電流流過，與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相比各分量相同。發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相各參數(shù)的分布情況與不接地系統(tǒng)也相同。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的不同之處在于，在消弧線圈處增加了一個(gè)電感電流，即

此時(shí)，流過故障線路的電流變成經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償過的系統(tǒng)電容電流，即

電感電流大小與消弧線圈有關(guān)。對(duì)于消弧線圈的選取，定義脫諧度為

式中，CΣ為整個(gè)配電網(wǎng)的對(duì)地電容電流。通常選取適當(dāng)?shù)南【€圈電感值，使＜0，即令系統(tǒng)運(yùn)行于過補(bǔ)償狀態(tài)，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)接地電流為感性，可以避免引起諧振過電壓。

1.2 中電阻法的基本原理

中電阻選線方法系統(tǒng)示意圖如圖2所示，接地后短時(shí)投入與消弧線圈并聯(lián)的中電阻，運(yùn)用零序電流變化量選線原理或有功功率選線原理，可實(shí)現(xiàn)選線。該方法所利用信號(hào)強(qiáng)度較大，因而選線正確率較高。

1.3 現(xiàn)場情況調(diào)查

本文對(duì)不同廠家的選線裝置進(jìn)行全面檢測與對(duì)比，開展小電流接地選線裝置調(diào)研，重點(diǎn)分析裝置配置、運(yùn)行情況及220kV變電站內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)工作。目前，各站的小電流接地選線裝置主要有五類，分別為獨(dú)立型選線裝置、與消弧線圈控制器集成的選線裝置、基于柱上三遙開關(guān)的選線裝置、低勵(lì)磁阻抗變壓器接地保護(hù)裝置及基于變電站監(jiān)控后臺(tái)的軟件選線。接地選線裝置類型見表1。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，所測范圍內(nèi)共有986臺(tái)接地選線裝置。其中，上海思源的有499臺(tái)，超過總數(shù)一半；其次依次是河北旭輝的115臺(tái)，山大電力的83臺(tái)，廣州智光的77臺(tái)，許繼電氣的39臺(tái)，廣東中鈺的30臺(tái)，南瑞科技的26臺(tái)，山東科匯的23臺(tái)，廣東順特的17臺(tái)，保定邁科特的16臺(tái)。上海思源、河北旭輝、廣州智光、廣東順特、廣東中鈺、許繼電氣、遼寧拓新、北京電力等廠家都是消弧線圈廠家，其接地選線裝置均為與控制器一體的裝置，其他廠家均為獨(dú)立的接地選線裝置。各地接地選線準(zhǔn)確率見表2。

表1 接地選線裝置類型

表2 各地接地選線準(zhǔn)確率

由表2可見，各地市公司提供的選線準(zhǔn)確率普遍不高，最低的僅有28.5%，最高的為69.0%。各地區(qū)選線準(zhǔn)確率均未達(dá)到規(guī)定要求的準(zhǔn)確率不應(yīng)低于90%的標(biāo)準(zhǔn)。

2 改進(jìn)中電阻法及模型測試

2.1 改進(jìn)措施

為了解決上述問題，本文提出一種零序過電流保護(hù)配置方法，通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切，并配合投入變電站10kV線路零序過電流保護(hù)及10kV柱上開關(guān)的零序過電流保護(hù)，能夠快速切除單相接地故障，有效解決中電阻長時(shí)間流過短路電流而燒毀的問題，同時(shí)天然形成了配電網(wǎng)單相接地故障的選線選段切除能力，可極大提升故障處理效率，保證配電網(wǎng)供電可靠性。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序過電流保護(hù)配置如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序過電流保護(hù)配置

中電阻投入后，故障線路的零序電流顯著增大，變電站10kV線路零序過電流保護(hù)具備動(dòng)作跳閘切除單相接地故障的條件，故可以投入變電站及柱上開關(guān)10kV線路保護(hù)零序過電流保護(hù)進(jìn)行有選擇地出口跳閘，快速切除故障。同時(shí)，零序電流測量改由保護(hù)裝置使用的線路三相CT，并由保護(hù)裝置自產(chǎn)零序進(jìn)行故障判別。10kV柱上開關(guān)投入零序保護(hù)并形成3段級(jí)差配合，具有選段能力。對(duì)于變電站10kV母線未配置消弧線圈的不接地系統(tǒng)，配置控制中電阻投切的小電流接地選線裝置來實(shí)現(xiàn)中電阻投切的功能。

2.2 模型試驗(yàn)

使用RTDS數(shù)字動(dòng)模仿真測試系統(tǒng)，對(duì)裝置的選線、選相準(zhǔn)確率等動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)接線示意圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)接線示意圖

測試系統(tǒng)包括2條母線、7條支路，考慮經(jīng)消弧線圈接地方式，并且可以模擬母線分列運(yùn)行、并聯(lián)運(yùn)行及環(huán)網(wǎng)供電等不同運(yùn)行方式。7條支路按照電纜分別占支路100%、50%、10%、0%的比率進(jìn)行搭建，支路長度在3～30km之間。設(shè)置多個(gè)故障點(diǎn)，包括母線故障和不同線路的出口、中間、末端故障。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

該模型的測試項(xiàng)目見表3，共包括18項(xiàng)，模擬故障個(gè)數(shù)超過600個(gè)，充分檢驗(yàn)該方法在不同故障情況下的選線、選相準(zhǔn)確率。

圖5 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表3 模型測試項(xiàng)目

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 選線準(zhǔn)確率測試

對(duì)不同廠家的選線裝置進(jìn)行測試，配合使用消弧線圈控制器及投入柱上零序保護(hù)，得到各廠家裝置的選線準(zhǔn)確率見表4。

表4 各廠家裝置的選線準(zhǔn)確率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法在不同廠家設(shè)備上的選線準(zhǔn)確率均在93%以上，基本符合相關(guān)技術(shù)原則的要求，配合使用的中性點(diǎn)消弧線圈控制器及投入的配合動(dòng)作的零序保護(hù)在大多數(shù)情況下均能正確動(dòng)作。

3.2 其他性能測試

1）靜態(tài)測試

零序電壓電流定值測試結(jié)果正確，夾角動(dòng)作區(qū)間與廠家提供數(shù)值一致。

2）動(dòng)模試驗(yàn)

模擬區(qū)內(nèi)區(qū)外發(fā)生金屬性接地故障和高阻接地故障，裝置均能正確反應(yīng)故障行為。

3）現(xiàn)場波形回放試驗(yàn)

波形回放試驗(yàn)基于A公司和B公司提供的現(xiàn)場故障波形開展，以檢測裝置實(shí)際告警性能，不同故障的現(xiàn)場波形如圖6所示。

由于現(xiàn)場波形長度只有250～300ms，裝置接地告警判據(jù)最小時(shí)限只能整定10s，波形回放試驗(yàn)中需要將波形穩(wěn)態(tài)部分重復(fù)復(fù)制，直至大于10s，因此試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場裝置判定結(jié)果可能存在差異。圖6（a）、圖6（b）分別為62號(hào)線路故障、RTDS動(dòng)模試驗(yàn)的現(xiàn)場波形，由圖可見，故障暫態(tài)特征明顯，暫態(tài)法判據(jù)準(zhǔn)確性高。圖6（c）為5號(hào)線路故障的現(xiàn)場波形，當(dāng)暫態(tài)特征不明顯時(shí)，暫態(tài)法動(dòng)作情況隨機(jī)性較大。

圖6 不同故障的現(xiàn)場波形

若A公司、B公司對(duì)現(xiàn)場波形動(dòng)作行為認(rèn)定正確，僅暫態(tài)法動(dòng)作情況與其他廠家裝置動(dòng)作行為進(jìn)行比較，使用該方法時(shí)設(shè)備同樣存在誤動(dòng)、漏報(bào)現(xiàn)象，誤報(bào)漏報(bào)情況見表5。由表5可見，暫態(tài)法是綜合判據(jù)的關(guān)鍵，暫態(tài)法的不正確動(dòng)作將直接導(dǎo)致區(qū)內(nèi)故障漏判，區(qū)外故障可能誤報(bào)；在暫態(tài)法正確動(dòng)作前提下，零序電流整定值是正確判定區(qū)內(nèi)永久性接地故障的關(guān)鍵，若整定合理，則正確動(dòng)作，反之則出現(xiàn)漏報(bào)。

表5 誤報(bào)漏報(bào)情況

3.3 改進(jìn)方法的優(yōu)勢(shì)及存在的問題

改進(jìn)方法的優(yōu)勢(shì)如下：

1）對(duì)于已配置帶中電阻投切功能消弧線圈的變電站，可通過投入10kV線路保護(hù)及柱上開關(guān)零序過電流保護(hù)的方式來提升選線選段準(zhǔn)確率，方便快捷。

2）對(duì)于已配置消弧線圈但未配置中電阻的情況，可通過加裝中電阻的方式滿足中電阻投切要求。改造過程中，可采用10kV母線并列運(yùn)行，輪流停運(yùn)各母線消弧線圈的方式進(jìn)行改造，不影響10kV線路運(yùn)行。

3）該方法需使用線路三相CT，零序電流保護(hù)采用保護(hù)裝置自產(chǎn)零序的方法，不再依靠開關(guān)柜后部的零序CT。運(yùn)行過程中可通過查看保護(hù)裝置的三相電流情況，判斷CT極性及CT回路的正確性和完整性，解決了零序CT運(yùn)行時(shí)無法判斷完好性和正確性、安裝位置日常難以巡視、維護(hù)和查看的問題。

4）對(duì)于原線路只有兩相CT的情況，可以分間隔停電改造成三相CT，并且改造一個(gè)間隔，零序過電流保護(hù)直接投運(yùn)一個(gè)間隔，選線選段正確與否不受未改造間隔的影響。在改造周期內(nèi)，若已投入零序過電流保護(hù)的間隔未發(fā)生跳閘，通過投切中電阻的方式可直接試?yán)赐度肓阈虮Ｗo(hù)間隔，縮小故障處理的試?yán)秶?，一定程度上仍可提升故障處理效率，提高供電可靠性?/p>

5）該方法可不增加配置單獨(dú)的小電流接地選線裝置，減少改造工作量且選線選段的準(zhǔn)確率只與本間隔CT及故障時(shí)零序電流大小有關(guān)，不受其他間隔運(yùn)行狀態(tài)的影響。

6）該方法解決了小電流接地選線裝置需母線上所有間隔的零序CT完好，且滿足選線要求時(shí)才有較高選線準(zhǔn)確率這一苛刻條件的問題。

7）對(duì)于未配置消弧線圈的不接地母線，可配置帶小電阻投切功能的小電流接地選線裝置。

8）通過延時(shí)10s后投切中電阻的方法，可以有效過濾配電網(wǎng)瞬時(shí)單相接地故障，不依賴通信、不需綜合研判、不依賴裝置錄波研判功能。

依舊存在的缺陷如下：

1）大部分廠家裝置配置有母線零序電壓及三相電壓輸入，這種方式不僅具有故障選線功能還具有選相和PT斷線判斷功能。個(gè)別廠家裝置僅配置零序電壓輸入，僅具有選線功能，不具有選相及PT斷線功能。

2）支路發(fā)生接地故障時(shí)，同一段母線（并列運(yùn)行的母線視為同一段母線）上的支路每次僅能選出一條故障線路。同一母線上兩條支路同時(shí)發(fā)生接地故障時(shí)，僅能選出其中一條。分列運(yùn)行的不同母線上兩條支路發(fā)生接地故障時(shí)，兩條故障線路均能被正確選出。

3）部分廠家裝置在PT發(fā)生二次斷線情況下同一母線上支路發(fā)生接地故障時(shí)，選線準(zhǔn)確，相別會(huì)選為PT斷線相；非PT斷線母線上支路發(fā)生接地故障時(shí)，選線選相均正確。

4）模擬支路零序CT極性接反情況下支路發(fā)生接地故障，此時(shí)故障選線基本都不正確，會(huì)選為母線故障。有些裝置未配置零序CT極性校準(zhǔn)功能，不能通過參數(shù)設(shè)置修改裝置的CT極性。

5）大多數(shù)裝置無環(huán)網(wǎng)供電相關(guān)設(shè)置選項(xiàng)，并且模擬環(huán)網(wǎng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)均選線不正確。

4 結(jié)論

針對(duì)目前中電阻選線法存在中電阻長時(shí)間投入且流過短路電流時(shí)易燒毀的缺點(diǎn)，通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切，并配合投入零序過電流保護(hù)跳閘的措施，充分發(fā)揮中電阻選線方法的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，有效提高了配電網(wǎng)單相接地時(shí)選線選段的準(zhǔn)確率，且改造范圍小、改造投資省、改造效率高，改造時(shí)停電時(shí)間短、停電范圍小，部分難以停電的間隔可不改造也不影響選線準(zhǔn)確率。

[1] 李志川, 蘭生, 魏柯. 基于MRSVD-GRU的混合三端特高壓直流輸電線路單極接地故障定位方法[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(3): 1-8, 63.

[2] 牟之豫, 牟龍華, 朱吉然, 等. 小電流接地系統(tǒng)接地故障大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(6): 6-11.

[3] 林駿捷, 林佳壕, 郭謀發(fā). 基于多暫態(tài)特征量聚類的配電網(wǎng)接地故障區(qū)段定位方法[J]. 電氣技術(shù), 2023, 24(5): 16-22.

[4] 賀中華. 小電流接地選線裝置誤動(dòng)作原因分析及整改措施[J]. 電工技術(shù), 2020(3): 114-115, 118.

[5] 劉紅文, 郭輝, 王科, 等. 高精度配網(wǎng)單相接地故障檢測與定位系統(tǒng)研發(fā)[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(1): 60-66.

[6] 王俊杰. 小電流接地選線裝置的測試與仿真研究[D]. 南昌: 南昌大學(xué), 2016.

[7] 徐宏坤, 李樹龍, 孫希峰, 等. 小電流接地選線裝置現(xiàn)狀分析及治理措施[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2021(5): 157-158.

[8] 武全. 小電流接地選線系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2021, 57(4): 180-181.

[9] 邱翡翠. 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法的探討[J]. 科技與創(chuàng)新, 2014(20): 29-30.

[10] 彭華, 朱永利. 基于apFFT頻譜校正和XGBoost的風(fēng)電場集電線路單相接地故障測距[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(23): 4931-4939.

[11] 朱以屏. 消弧線圈接地系統(tǒng)采用中電阻選線的原理及應(yīng)用[J]. 華東電力, 2004, 32(11): 20-22.

[12] 周蘭, 尚超. 小電流接地選線跳閘技術(shù)分析探討與試點(diǎn)建設(shè)[J]. 四川電力技術(shù), 2021, 44(1): 35-37, 82.

[13] 吳建梅. 新型小電流接地選線裝置的研制[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2014.

[14] 惠曉輝, 張杰, 趙宏松, 等. 自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈并聯(lián)中電阻及其接地選線方法[J]. 科技尚品, 2015(10): 49, 48.

[15] 史澤兵, 余江, 丁曉兵, 等. 一種新型小電流接地選線裝置設(shè)計(jì)方案[J]. 供用電, 2018, 35(8): 9-13, 20.

[16] 鄭顧平. 配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)小電流接地故障定位方法[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2012.

[17] JIANG Xinzheng, JIANG Nan. Research and analysis of small current grounding line selection system[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2022, 2320(1): 012003.

[18] 俞小勇, 高立克, 高艷亮, 等. 小電流接地選線裝置性能評(píng)價(jià)方法研究[J]. 廣西電力, 2012, 35(1): 1-4, 20.

[19] 戴軍瑛. 采用消弧線圈并聯(lián)中電阻的小電流接地系統(tǒng)故障選線方式[J]. 電力科學(xué)與工程, 2006, 22(4): 45-47.

[20] 王建元, 朱永濤, 秦思遠(yuǎn). 基于方向行波能量的小電流接地系統(tǒng)故障選線方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(19):4 085-4096.

[21] 張建偉, 張然, 龔棟梁, 等. 基于RTDS的配電網(wǎng)單相接地選線方法驗(yàn)證[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(10): 40-43, 49.

Research on fault line selection method based on medium resistance for low current grounding system

WU Jianyu

(Fuzhou Minjiang Park Office, Fuzhou 350000)

The low current grounding line selection in the substation has problems such as low accuracy rate, high omission rate and high false alarm rate, which directly affect the evaluation results of the main station of the distribution network. As a result, the automatic failure isolation cannot be realized, and the power supply reliability is greatly reduced. This paper presents a method to quickly remove the single phase grounding faults by using the arc-reducing coil controller and combining the 10kV line zero-sequence over-current protection and the 10kV column switches zero-sequence over-current protection. This method utilizes the advantages of the medium resistance to effectively improve the accuracy of line selection when single phase grounding. It has the advantages of saving investment, high efficiency, short power outage time and small power failure range. At the same time, it can effectively make up for the disadvantages of medium resistance being easily burnt out when it is put into operation for a long time and flows through short-circuit current.

low current grounding line selection; medium resistance; distribution network; single phase grounding fault

2023-09-05

2023-09-14

吳建宇（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、人工智能、控制工程、電力物聯(lián)網(wǎng)等研究工作。

國家自然科學(xué)基金（51777106）