配電網(wǎng)開閉所選線方式

吳傳璽

（本溪供電公司,遼寧 本溪 117000）

開閉所常用于電力系統(tǒng)及大型工礦企業(yè)。企業(yè)因負(fù)荷比較分散,為方便配線,降低線損,主電源首先接入開閉所,再分出多路出線到各負(fù)荷集中的變配電室或車間變電所。開閉所僅有開關(guān)柜,根據(jù)需要和負(fù)荷大小,電氣接線可以是二進(jìn)線4-6出線、4進(jìn)線8-10出線（均單母分段）,出線供各配電站。配電站有環(huán)網(wǎng)式（用環(huán)網(wǎng)柜）、終端式,配電站帶有配變,一般可設(shè)2臺(tái)配變,以提高供電可靠性。

我國10～66 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)多采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[1-4],該接地方式存在嚴(yán)重的選線準(zhǔn)確性問題,消弧線圈的感性電流補(bǔ)償線路系統(tǒng)的電容電流,使流過故障線路的電流較小,開閉所的接地故障很難判定。常規(guī)的故障方法很難區(qū)別故障線路和非故障線路,原有選線方案存在原理性缺陷,因此需要一種更有效的選線方式解決這一問題。

圖1 帶開閉所的配電網(wǎng)系統(tǒng)

1 配電網(wǎng)的開閉所

隨著負(fù)荷的增加、城市電網(wǎng)的擴(kuò)建,配電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)了越來越多的開閉所,使系統(tǒng)負(fù)荷配置靈活,帶開閉所的配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。變電站出線的部分線路接開閉所,開閉所的部分出線再接用戶或開閉所。目前,故障選線大多集中在變電站,由于配電網(wǎng)系統(tǒng)分支較多,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),很難找到故障線路,如果對(duì)系統(tǒng)的開閉所也進(jìn)行故障選線,則很容易找到故障點(diǎn),因此對(duì)開閉所進(jìn)行故障選線是必要的。

2 故障選線方法

配電網(wǎng)消弧線圈接地系統(tǒng)故障電流較小,故障選線比較困難,特別對(duì)于單相接地故障,現(xiàn)有的故障選線方法存在不足之處。目前單相接地故障的選線方法主要有零序電流法、首半波法、5次諧波法等。

a.零序電流法

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí),非接地線路零序電流等于該線路三相對(duì)地電容電流的向量和,方向是從母線向線路;而接地線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流的向量和,方向是從線路流向母線。消弧線圈接地系統(tǒng)由于消弧線圈的補(bǔ)償作用,流過非接地線路的零序電流仍為自身的電容電流,但流過接地點(diǎn)的零序電流為消弧線圈提供的感性電流與電網(wǎng)中所有非接地線路電容電流之和的迭加,零序電流幅值和相位隨消弧線圈補(bǔ)償度的不同而變化,故障選線的準(zhǔn)確性受到影響。

b.首半波檢測(cè)法

圖2 故障選線系統(tǒng)

首半波檢測(cè)法利用發(fā)生單相接地瞬間,故障線路電容電流和電壓首半波幅值和方向均與正常情況不同的特點(diǎn)進(jìn)行單相接地故障檢測(cè)。首半波法的前提條件是故障發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間,但是如果接地故障發(fā)生在電壓零點(diǎn)附近,其值很小,是首半波檢測(cè)死區(qū),即首半波法理論上有死區(qū)。

c.5次諧波檢測(cè)法

當(dāng)小電流接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),系統(tǒng)中含有鐵心的設(shè)備,由于三相電壓不平衡而進(jìn)入磁飽和狀態(tài)（磁化曲線在非線性區(qū)）,產(chǎn)生大量5次諧波。盡管理論上5次諧波在單相接地時(shí)有非常明顯的特征,但在實(shí)際運(yùn)行中非故障相5次諧波電流也有增加的現(xiàn)象,很難準(zhǔn)確判斷故障線路。

3 并聯(lián)中電阻選線原理

較長時(shí)間以來,配電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式,由于其很高的運(yùn)行可靠性,受到廣泛認(rèn)同。但由于消弧線圈的存在,接地發(fā)生時(shí),故障點(diǎn)容性接地電流會(huì)自動(dòng)被消弧線圈產(chǎn)生的感性電流所補(bǔ)償,接地電流很小,傳統(tǒng)的選線方法不再適用,需要考慮新的方法。為此采用投并聯(lián)中電阻的方式[5],使接地點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)阻性分量電流,再利用這個(gè)阻性分量電流作為選線依據(jù)。

在變電站中性點(diǎn)安裝并聯(lián)中電阻裝置,在開閉所安裝故障選線裝置,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),短時(shí)間投切并聯(lián)中電阻,故障線路的零序電流發(fā)生變化,開閉所的故障選線裝置根據(jù)變化特征值選出故障線路,故障選線系統(tǒng)如圖2所示。

消弧線圈并聯(lián)中電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)等值零序電路如圖3（a）所示,單相接地一定時(shí)間后,ZT0閉合,投入接地電阻R0,發(fā)揮故障選線功能,故障點(diǎn)電流矢量如圖3（b）所示。

R0投入后產(chǎn)生一有功零序電流分量,該有功電流流向故障線路,選擇合適的接地電阻可使該有功電流很容易被線路零序TA識(shí)別,達(dá)到故障選線的目的。

當(dāng)發(fā)生永久性單相接地故障時(shí),投入并聯(lián)中電阻進(jìn)行選線。計(jì)算機(jī)對(duì)所有出線零序電流進(jìn)行快速采樣。利用快速傅立葉變換對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,幾個(gè)周波后再斷開中電阻。在并聯(lián)中電阻投入的時(shí)間內(nèi)（幾個(gè)周期即可）,零序電流信號(hào)差異相當(dāng)顯著,故障線路很容易區(qū)分,對(duì)高阻、低阻和金屬性接地及間隙性弧光接地都能準(zhǔn)確識(shí)別。

計(jì)算機(jī)迅速掃描所有出線電流,并計(jì)算系統(tǒng)系數(shù)δ和線路系數(shù)K。系統(tǒng)系數(shù)δ由式（1）確定。

圖3 單相接地等值零序電路及接地點(diǎn)零序電流矢量圖

式中 ΔIi——第i條線路并聯(lián)中電阻投切前后零序電流變化量;

ΔIj——第j條線路并聯(lián)中電阻投切前后零序電流變化量;

Ij、Ij——分別為單相接地時(shí)第i、j條線路電流。

正常情況下,各出線的零序電流基本相同,即Ii≈Ij。如是母線接地,則各條線路零序電流增加的比率相同,δ≈Ii/Ij≈1;如δ與1差別很大,則認(rèn)為是線路接地,然后由式（2）計(jì)算出線線路系數(shù)K。

式中 gd——接地導(dǎo)納;

g0——并聯(lián)中電阻導(dǎo)納;

x——對(duì)地總電容導(dǎo)納-消弧線圈導(dǎo)納;

C——線路電容;

ω——角頻率。

歸納起來為

通過計(jì)算機(jī)分析線路系數(shù)K因子找出接地故障線路。

K的含義是線路零序電流I0和接地電流Id之比。對(duì)于正常線路,K因子和線路長短、連續(xù)電流相位無關(guān),只與系統(tǒng)參數(shù)和接地電阻有關(guān)。對(duì)于故障線路,K因子和線路參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。并聯(lián)中電阻投入后,有功零序電流將流向接地線路,故障線路比正常線路零序電流明顯增大,故障線路的線路系數(shù)將比正常線路大很多。因此,通過計(jì)算機(jī)分析線路系數(shù)K因子找出接地故障線路,根據(jù)系數(shù)δ判定是母線接地還是非母線接地。

該選線方法克服了殘流增量法接地后調(diào)整消弧線圈及對(duì)高阻接地選線不準(zhǔn)的缺點(diǎn),能夠正確對(duì)金屬接地、高阻接地進(jìn)行選線,選線準(zhǔn)確性達(dá)100%。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈并聯(lián)中電阻選線方法對(duì)瞬時(shí)性接地和永久性接地均能提供滅弧功能。在發(fā)生永久性接地時(shí),通過瞬時(shí)投入中電阻,準(zhǔn)確選出故障線路,同時(shí)又兼?zhèn)淞酥行渣c(diǎn)諧振接地系統(tǒng)殘流小、可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間的優(yōu)點(diǎn),是一種較為理想的新型接地方式。

4 實(shí)例分析

以某地區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)為例分析開閉所接地選線過程。該電網(wǎng)系統(tǒng)由變電站和若干開閉所組成,變電站與開閉所的電氣主接線如圖4所示。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí),安裝在變電站的消弧線圈可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電容電流的補(bǔ)償,但只能在變電站選線,不能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)開閉所選線,無法縮小故障范圍。所以有必要對(duì)類似系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和分析,實(shí)現(xiàn)在同等電網(wǎng)架構(gòu)下開閉所的故障選線。

針對(duì)該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)變電站、開閉所在發(fā)生接地時(shí)同時(shí)選線,變電站的選線裝置選出下轄哪個(gè)開閉所發(fā)生接地故障,開閉所選線裝置選出下轄哪條出線發(fā)生接地。通過在開閉所安裝選線裝置的方法,可找出故障線路。

在變電站采取并聯(lián)中電阻選線配置方式,當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)單相接地故障后,啟動(dòng)并聯(lián)中電阻選線流程。短時(shí)投入中電阻,在變電站處由選線裝置判斷是哪個(gè)開閉所的出線發(fā)生故障。在開閉所處,當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),啟動(dòng)選線控制器進(jìn)入選線流程,將所有出線的零序電流信號(hào)接入控制器,控制器實(shí)時(shí)采樣零序電流信號(hào),在投切并聯(lián)中電阻的過程中根據(jù)電流信號(hào)判斷接地線路。

圖4 變電站與開閉所電氣主接線

在每個(gè)開閉所安裝選線控制器,一旦發(fā)生單相接地故障,變電站的消弧線圈控制器首先判斷出哪個(gè)開閉所發(fā)生故障,然后該開閉所的選線控制器進(jìn)一步判斷出下一級(jí)開閉所的故障,一步步排查,最終找到故障線路。

5 結(jié)束語

中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)故障電流經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后,故障出線和非故障出線零序電流之間的明顯差異消失,因此傳統(tǒng)的選線方法失效。但通過并聯(lián)中電阻的方法,利用并聯(lián)中電阻產(chǎn)生的有功分量,提高選線正確率,既保持了中性點(diǎn)諧振接地系統(tǒng)供電可靠性,對(duì)短時(shí)和永久接地故障能夠滅弧,同時(shí)又解決了中性點(diǎn)諧振接地方式選線困難的問題,為解決小電流接地系統(tǒng)變電站及開閉所的接地選線問題提供了有效途徑。

[1] 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.

[2] 盧國慶,姜新宇,梅中健,等.配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地的新途徑[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,（2）32-35.

[3] 李孟秋,王耀南,王 輝,等.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障點(diǎn)探測(cè)方法的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001, 21（10）：6-9.

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[5] 王 東.消弧線圈并聯(lián)電阻接地在城市配網(wǎng)中的應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程,2005,24（3）：31-33.