小電流接地選線裝置原理及其應(yīng)用

師萍，王勇，張靜波

(甘肅蘭州石化公司電儀儀表廠，甘肅 蘭州 730060)

1 引言

6～35kV配電網(wǎng)一般采用小電流接地方式，即中性點非有效接地方式。由于石化行業(yè)的特殊性、負荷的復(fù)雜性和容量的增加導(dǎo)致6～35kV配電網(wǎng)電容電流有很大的增加，如不采取有效措施，將危及配電網(wǎng)的安全運行和生產(chǎn)的穩(wěn)定。中性點非有效接地方式主要可分為以下三種:不接地、經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)電阻接地。在中性點非有效接地系統(tǒng)中最常見的故障是單相接地。此類電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，非故障兩相的對地電壓將升高至線電壓(UL)，發(fā)生單項接地故障時，凡是對地有電容的線路都將有零序電流通過，但由于零序電流較小，又有很大的分散性，選擇接地線路有一定困難;若系統(tǒng)中有消弧線圈，困難更大。單相接地時接地電流較小，按電力系統(tǒng)安全運行規(guī)程的規(guī)定，發(fā)生單相接地故障后可繼續(xù)運行1～2小時，但此時系統(tǒng)非故障相對地電壓升高為線電壓，若不及時處理，極易發(fā)展成兩相短路使故障擴大，弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓。通過小電流接地選線裝置 可以準確找出接地線路以便及時處理故障。

2 小電流接地選線裝置工作流程圖以及理論依據(jù)

2.1 零序功率方向原理

中性點非有效接地系統(tǒng)在正常運行時，各相對地電壓是對稱的，中性點對地電壓為零，電網(wǎng)中無零序電壓。如果線路各相對地電容量相同，在各相電壓作用下各相電容電流相等并超前于相應(yīng)相電壓90°。

單發(fā)生單相金屬性接地時，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓為電網(wǎng)的線電壓，零序電壓大小等于電網(wǎng)正常的相電壓;非故障線路零序電流3I0等于本線路的充電電流，其相位超前于零序電壓90°;故障線路零序電流3I0等于全部非故障線路充電電流的總和，其相位滯后于零序電壓90°;接地故障處電流的大小等于全部線路接地充電電流的總和，其相位超前于零序電壓90°。所以，故障線路與非故障線路出現(xiàn)零序電流相差點180°。零序功率方向原理的小電流接地裝置就是利用在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障進，故障與非故障線路零序電流反相，由零序功率繼電器判別故障與非故障電流。在實際應(yīng)用時，由于零序電流互感器、二次側(cè)波形畸變，電流互感器測量誤差，信號干擾，線路長短差別懸殊，接地電阻的影響以及電壓互感器的非線性特性等影響，將造成零序方向繼電器存在死區(qū)。雖然裝置本身都設(shè)置了排序法和采用相對相位法概念，在現(xiàn)行運行方式下取前三個最大的進行比較鑒別，但誤判斷總是難免的，對裝有消弧線圈的中性點不接地系統(tǒng)更為明顯。

圖1 流程圖

2.2 諧波電流方向原理

當中性點非有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障進，在各線路中都會出現(xiàn)零序諧波電流。由于諧波次數(shù)的增加，相對應(yīng)的感抗增加，容抗減小，所以總可以找到一個m次諧波，這時故障線路與非故障線路m次諧波電流方向相反，同時對所有大于m次諧波的電流均滿足這一關(guān)系。這種判斷諧波電流方向原理構(gòu)成的接地選線裝置不受系統(tǒng)運行方式變化及過渡電阻的影響，諧波電流相位關(guān)系與幅值無關(guān)，只要計算機能識別即可。對相位容差大，即相位大于90°即認為反相，小于90°則認為同相。

2.3 外加高頻信號電流原理

當中性點非有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，通過電壓互感器二次繞組向母線接地相注入一種外加高頻信號電流，該信號電流主要沿故障線路接地相的接地點入地，部分信號電流經(jīng)其他非故障線路對地電容入地。用一只電磁感應(yīng)及諧波原理制成的信號電流探測器，靠近線路導(dǎo)體接收該線路故障相流過信號電流的大小(故障線路接地相流過的信號電流大，非故障線路接地相流過的信號電流小，它們之間的比值大于10倍)判斷故障線路與非故障線路。在單相接地故障時，用信號電流探測器，對注入系統(tǒng)接地相的信號電流進行尋蹤，還可以找到接地線路和接地點的確切位置。

2.4 首半波原理

首半波原理是基于接地故障信號發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間這一假設(shè)。當電壓接近最大值時，若發(fā)生接地故障，則故障相電容電荷通過故障線路向故障點放電，故障線路分布電感和分布電容使電流具有衰減振蕩特性，該電流不經(jīng)過消弧線圈，故不受消弧線圈影響。

3 裝置工作原理

我單位所轄各配電系統(tǒng)多采KLDX-D10型小電流接地選線裝置，該應(yīng)用INTEL 80C196KC微處理機多CPU系統(tǒng)，結(jié)合多種新型技術(shù)做到多路信號同時采集，采集系統(tǒng)獨立工作不占用主CPU工作時間。具有采集速度快，抗干擾能力強等特點。

3.1 工作方式

電流方式:一接地就顯示接地的電容電流值，不選線，繼電器不報警輸出，不記憶，不打印。

幅值方式特點:對現(xiàn)有零序CT選取的信號中幅值最大的選為故障線，如信號電流太小則不動作。

配合方式特點:對現(xiàn)有零序CT選取的信號中兩個階段中增量最大的一路為故障線。如信號電流太小則不動作。

配合方式工作原理:裝置在啟動工作后，當發(fā)生接地時，零序電壓會觸發(fā)裝置進入采集狀態(tài)采集各回路零序電流，取出數(shù)據(jù)后進行第一階段運算。如1、2、3、4號線的電流分別為-15A、+4A、+5A、+6A。此時消弧設(shè)備判斷接地類型，如果是金屬接地，消弧設(shè)備不動作;如果是弧光接地，消弧設(shè)備把弧光接地強行變?yōu)榻饘俳拥?，裝置再進行采集狀態(tài)采集各回路零序電流，根據(jù)本次數(shù)據(jù)進行第二階段運算。如果是金屬接地，此時接地1、2、3、4號線的電流將可能約為-15A、+4A、+5A、+6A，故障線(1號線)電流與非故障線電流相反且至較大，故可直接判斷選線。如果是弧光接地，此時接地1、2、3、4號線的電流方向一致，可能約為+5A、+4A、+5A、+6A，此時四條線路電流分別與第一階段的-15A、+4A、+5A、+6A分別相減的增量差為20A、0A、0A、0A，故障線(1 號線)的增量為 20A，是增量最大的一路線，即可選出故障線。然后把所選出的接地信息在液晶顯示屏上顯示，并打印出來，若接地現(xiàn)象消失、排除，本機返回工作狀態(tài)，否則接地信息會一直在液晶顯示屏上顯示。

4 裝置模擬實驗和案例分析

以石化廠30變6kV系統(tǒng)模擬事故為例說明小電流選線裝動作情況:

(1)在控制室查看30變后臺機相電壓變化情況(系統(tǒng)正常時，三相電壓分別為3.5kV左右，如發(fā)生A相單相接地故障時，則A相電壓下降，最小到0kV，B相、C相電壓升高，最大到線電壓6kV)，以盡快確定單相接地的故障相;在控制室查看28變、24變、35變、丙烯腈變、33變后臺機有無零序接地報警或零序接地跳閘回路信息;

(2)檢查30變小電流選線裝置及6kV消弧及過電壓裝置報警信息:

在控制室查看小電流選線裝置報警信息，根據(jù)報警信息描述“××段××線”查找對照表確定零序接地回路;在6kV室查看消弧及過電壓裝置斷路器動作情況，以再次確認單相接地的故障相;

(3)檢查30變6kV PT柜和消弧及過電壓裝置的相電壓參數(shù):

查看6kV PT柜上電壓表的相電壓(通過選擇開關(guān)查看相電壓，系統(tǒng)正常時，三相電壓分別為3.5kV左右，如發(fā)生A相單相接地故障時，則A相電壓下降，最小到 0kV，B相、C相電壓升高，最大到線電壓6kV);查看消弧及過電壓裝置控制器相電壓變化情況(顯示二次值:正常是各相顯示58V左右，若A相斷路器合閘，則A相電壓下降，最小到0V，B相、C相電壓升高，最大到線電壓100V);查看消弧及過電壓裝置上電壓表的相電壓(通過選擇開關(guān)查看電壓:系統(tǒng)正常時，三相電壓分別為3.5kV左右，如發(fā)生A相單相接地故障時，則A相電壓下降，最小到0kV，B相、C相電壓升高，最大到線電壓6kV);

(4)故障現(xiàn)象記錄:

①30變饋33變II段保護單元箱顯示:零序接地報警;

②30變饋41變II段保護單元箱顯示:零序接地報警;

③30變饋106罐區(qū)變電所II段保護單元箱顯示:零序接地報警;

④30變饋28變II段保護單元箱顯示:零序接地報警;

⑤30變后臺監(jiān)控機主要報警信息顯示見表1;

⑥28變后臺監(jiān)控機報警信息顯示:

2010-03-16 15:16:51.703 6212柜P-101A石腦油泵零序接地保護動作

⑦小電流選線顯示6231柜28變II段饋線單相接地。

綜合以上信息，最后現(xiàn)場確認是30變6kV系統(tǒng)6231柜28變II段饋線單相接地，采用小電流選線裝置后準確率和處理故障的及時性有了很大提高。

5 小電流接地選線裝置的應(yīng)用效果

在我廠35kV變電站6kV系統(tǒng)中，由于消弧線圈與系統(tǒng)對地電容的存在，使得系統(tǒng)中產(chǎn)生傳遞過電壓或虛接地現(xiàn)象。由于消弧線圈的存在，使得流過故障線路的電容電流減少，線路中的選線裝置靈敏降低甚至無法選線。因此采用消弧及過電壓保護裝置和小電流接地選線裝置相配合，在采用消弧及過電壓保護裝置后，弧光接地過電壓未再發(fā)生，小電流選線的靈敏度也有很大提高。

由于消弧及過電壓保護裝置采用非補償方式，所以發(fā)生單相接地故障時，流過故障點電容電流是系統(tǒng)對地最大的電流。小電流選線裝置采用最大增量法的先進算法，使微機小電流選線裝置靈敏性、可靠性及準確性得到了較大提高。

表1 事件記錄

6 結(jié)論

(1)如果單相接地故障為弧光接地，則其過電壓的最高值可達3.5倍正常運行相電壓的峰值，此過電壓若數(shù)小時作用于電網(wǎng)，勢必造成電氣設(shè)備內(nèi)絕緣的積累性損傷，特別是在健全相的外絕緣薄弱點造成對地擊穿進而引發(fā)相間短路故障;

(2)由于線路自身的電容電流可能大于系統(tǒng)中其他線路的電容電流之和，所以按零序電流大小整定的過電流繼電器理論上就不完善，它還受系統(tǒng)運行方式、線路長短等許多因素的影響而導(dǎo)致誤選、漏選、多選;

(3)“功率方向”原理采用逐條檢測零序電流功率方向來完成選線功能，當用于短線路時，由于該線路的零序電流小，再加之功率方向受干擾，在一定程度上選線是不可靠的，更多地發(fā)生誤、漏選情況;雖然現(xiàn)在大多選線裝置都采用各線路零序電流作比較，選出零序電流最大的線路為故障線路的“最大值”原理，但在多條線路接地或線路長短相差懸殊的情況下，很可能造成誤選和多選;“首半波”原理不能很好的反映相電壓較低時的接地故障，且受接地過渡電阻影響較大，同時存在工作死區(qū);利用5次或7次諧波電流的大小或方向構(gòu)成選擇性接地保護的“諧波方向”原理，由于5次或7次諧波含量相對基波而言要小得多，且各電網(wǎng)的諧波含量大小不一，故其零序電壓動作值往往很高，靈敏度較低，在接地點存在一定過渡電阻的情況下將出現(xiàn)拒動現(xiàn)象;

(4)總的來說小電流接地選線裝置調(diào)試簡單，維護量少，自動選擇顯示故障線路，顯現(xiàn)方案先進，具有較高的準確性，可以區(qū)分線路和母線接地，記錄接地初始時刻以及累積時間，具有判斷瞬間接地故障，可配置接地跳閘系統(tǒng)，減少了故障查找時間，提高了工作效率。

［1］何仰贊.電力系統(tǒng)分析［J］.華中科技大學出版社.

［2］LDX-D10型小電流接地選線裝置說明書［Z］.安徽凱立科技股份有限公司.

［3］國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護規(guī)定匯編［M］.2版.中國電力出版.2000年.