10kV自閉貫通線單相接地故障判斷方法的研究

馮巨祥

（北京鐵路局 機(jī)務(wù)處，北京100086）

10kV自閉、貫通電力線路屬中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，不會造成對地短路跳閘，可以繼續(xù)運(yùn)行2h。但在接地期間非故障相對地電壓會升高，金屬性接地時，可以升高1.732倍的相電壓，長時間運(yùn)行會危及線路、設(shè)備和人身安全。

目前非有效性接地系統(tǒng)的單相接地故障的準(zhǔn)確定位是一個較大的難題，尤其是高阻性單相接地，由于接地處存在電弧及接地阻值的不確定性，使故障點的排除難度加大。傳統(tǒng)接地故障的查找方法比較落后，一般采用配電所接地報警配合線路二分之一人工拉閘法，這種查找方法不僅時間長，而且降低了供電的可靠性，隨著鐵路的不斷提速，對信號電源可靠性的要求更高，接地故障查找的現(xiàn)狀已遠(yuǎn)不能滿足要求，為了保證鐵路的正常運(yùn)營及行車安全，需要一種新型的單相接地故障檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)接地故障的快速、準(zhǔn)確標(biāo)定，并配合電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)快速切除故障點。

北京鐵路局以邢臺至邯鄲自閉線路為試點，研制開發(fā)了10kV單相接地故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況自動投入，自動檢測接地故障點的位置，并在可選擇的情況下自動隔離故障區(qū)段，恢復(fù)非故障區(qū)段的正常供電。

1 檢測方案

中性點不接地系統(tǒng)單相接地位置的檢測，除上述的線路二分之一人工拉閘法之外，還有其他應(yīng)用零序功率方向、諧波電流和接地故障首半波電流3種原理構(gòu)成的檢測裝置。大量的應(yīng)用實踐表明，這些方法在中性點不接地系統(tǒng)單相接地位置的檢測中均不能取得滿意的效果。經(jīng)過方案比較，確定應(yīng)用外加高頻信號電流的原理，實現(xiàn)中性點不接地系統(tǒng)單相接地位置的檢測。

外加高頻信號電流原理是當(dāng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，在不影響線路供電的情況下，在線路首端通過主變壓器中性點向母線接地相注入一種外加高頻信號電流，該信號電流主要延故障線路接地相的接地點入地。用電磁感應(yīng)及諧波原理制成的信號電流探測器（接地故障指示器）安裝在線路導(dǎo)體上，用于接收該線路故障相流過的信號電流，判斷故障線路段與非故障線路段。

高頻信號電流發(fā)生器由電壓互感器開口三角的電壓啟動。選用的高頻信號電流的頻率與工頻及各次諧波頻率不同，因此，工頻電流各次諧波電流對信號探測器［接地故障指示器］無感應(yīng)信號。

應(yīng)用外加高頻信號電流原理構(gòu)成的檢測裝置，可以自動啟動檢測，與電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)可以實現(xiàn)接地故障的自動判斷和自動隔離，該技術(shù)的關(guān)鍵部分是信號源和接收裝置。檢測原理見圖1。

圖1 檢測原理圖

2 檢測系統(tǒng)構(gòu)成

檢測系統(tǒng)由4部分組成：中性點信號注入裝置、單相接地故障指示器、FTU及通信線路、調(diào)度主站判斷及自動隔離軟件。

2.1 中性點信號注入裝置

中性點信號注入裝置由一臺高壓真空接觸器、接觸器的邏輯控制部分、串入電阻組成。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，由電壓互感器開口三角產(chǎn)生零序電壓啟動信號源，閉合真空接觸器將產(chǎn)生的矩型電流這一特殊信號通過隔離變壓器耦合到線路上，該信號通過接地點流回。線路上流過這一矩型電流的接地故障指示器，翻牌指示或發(fā)信傳輸回調(diào)度中心后臺，以區(qū)分故障區(qū)段。

如圖2所示，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障，信號源內(nèi)的高壓真空接觸器瞬時閉合，變壓器中性點與故障相構(gòu)成單相短路電流，這一電流的大小由回路的電阻決定。流過線路故障相的電流互感器電流，由正常的負(fù)荷電流、所有非故障相電容電流、單相短路電流3個電流矢量疊加而成。這一電流不應(yīng)超過自閉柜斷路器的保護(hù)整定值，或這一電流的持續(xù)時間小于保護(hù)的啟動時間，不能因為檢測接地故障，而造成斷路器保護(hù)跳閘，影響供電的可靠性。因此，必須限制該信號的幅值或保持時間。

圖2 單相接地時的電流分布

當(dāng)金屬性接地時，零序電壓最高為相壓值，取線電壓的平均值為10kV，則相壓為10kV／1.732=5.774 kV，要求流過電流互感器的電流不大于15A，則接地短路回路的總電阻應(yīng)大于5 774V／15A=385Ω，串入電阻應(yīng)在總電阻抗減去變壓器阻抗、線路阻抗及接地點的阻抗，由于出口發(fā)生單相短路時產(chǎn)生的電流大，可不計算線路阻抗，則串入電阻為總阻抗385Ω減去變壓器阻抗21.3Ω和接地點阻抗10Ω，為了可靠選串入電阻為450Ω，這樣，即使在出口發(fā)生單相短路也不會造成斷路器過流跳閘。自閉饋線的定時限過電流保護(hù)延時調(diào)整為0.5s，可以實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)于信號源所發(fā)信號的種類，首先應(yīng)短時投入，不能長時間造成單相短路。其次這一信號應(yīng)不同于正常的負(fù)荷電流，并與負(fù)荷變化能明顯區(qū)分。綜合各種因素，設(shè)計信號源的信號類型，如圖3示。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，由于故障相流過所有非故障相的電容電流，所以故障相的電流在正常負(fù)荷電流的基礎(chǔ)上疊加了電容電流，當(dāng)信號源裝置啟動后，再讓一組矩形波與原電流相疊加，這一組矩形波有其特殊性，第一個脈寬350ms，周期1 000ms，第二個脈寬250 ms，周期1 250ms?？梢钥闯鲞@一信號即與正常負(fù)荷電流有明顯區(qū)別，又與暫載性負(fù)荷不同。并且，由于投入的時間很短，不會造成大量的有功功率損失。

圖3 信號源信號類型示意圖

這一信號的形成由斷路器控制器來完成?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)作為主控元件，內(nèi)設(shè)時序電路，由電壓互感器開口三角電壓啟動門電路，以躲過瞬時接地故障，串入電阻設(shè)有過電流保護(hù)回路。

2.2 接地故障指示器

接地故障指示器采樣檢測單元是接地故障指示器的核心部分，決定了接地故障指示器的靈敏性和可靠性。從圖3可以看出中性點信號注入裝置所發(fā)的信號是一組矩形波，為了提高它的可靠性，將矩形波的幅值設(shè)為＞5A。該單元中設(shè)有兩個計數(shù)器和一個比較單元，比較單元檢測電流是否為大于5A的突變信號，并配合一個計數(shù)器檢測它的持續(xù)時間是否為250ms或350ms，以判斷接收到的脈沖是否為信號源所發(fā)脈沖。當(dāng)連續(xù)檢測到4個信號源所發(fā)脈沖后，指示器即認(rèn)為該指示器所掛接的線路流過了接地故障電流，如圖4。

圖4 原理方框圖

2.3 FTU及通信線路

京廣線柏莊至竇嫗電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)實現(xiàn)了調(diào)度對26個信號樓、38架高壓戶外遠(yuǎn)動負(fù)荷開關(guān)及4個配電所的監(jiān)控管理。電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)由計算機(jī)調(diào)度自動化系統(tǒng)（控制站）和微機(jī)遠(yuǎn)動終端裝置RTU、FTU（被控站）以及聯(lián)系二者的傳輸通道構(gòu)成。傳輸通道采用由鐵通公司提供的鐵路專用數(shù)據(jù)傳輸通道，與遠(yuǎn)動設(shè)備的接口為音頻4線，點對點結(jié)構(gòu)。在26個信號樓內(nèi)分別裝有FTU遠(yuǎn)動終端單元，用它來實現(xiàn)被控設(shè)備與調(diào)度主站的連接。利用FTU內(nèi)的遙信子系統(tǒng)，完成對接地故障指示器的信號采集、處理及傳輸，并提供給調(diào)度主站作為判斷故障點的依據(jù)并在調(diào)度主站保存事件記錄。

2.4 調(diào)度主站判斷及自動隔離軟件

接地故障點的判斷與隔離軟件由C++語言編寫，運(yùn)行于UNIX操作系統(tǒng)平臺。當(dāng)調(diào)度主站接到各FTU上傳的接地信號后，啟動主站判斷及自動隔離軟件，判斷出接地故障的區(qū)段，并彈出提示信息，讓調(diào)度值班員選擇是否將接地故障區(qū)段自動切除，值班員選擇自動后，由軟件自動判斷現(xiàn)場運(yùn)行方式，并遙控分開故障點兩側(cè)的高壓遠(yuǎn)動開關(guān)，遙控合上備用配電所的高壓斷路器，實現(xiàn)故障點的自動隔離與非故障區(qū)段的正常供電。

調(diào)度接地故障判斷與隔離軟件的原理框如圖5所示。

圖5 調(diào)度接地故障判斷及隔離軟件原理方框圖

3 設(shè)備安裝

3.1 中性點信號注入裝置的安裝

邢臺至邯鄲自閉線路全長50.812km，其中架空線路長47.657km，型號為LGJ-3＊35，電纜線路長3.155km，型號YJLV22-3＊50。自閉線路由邢臺和邯鄲兩個配電所互供，調(diào)壓變壓器容量200kVA。以此區(qū)段做為試驗段，中性點信號注入裝置安裝于邯鄲配電所自閉調(diào)壓器間內(nèi)，與自閉調(diào)壓器中性點相連。

為了與既有設(shè)備保持一致，將調(diào)壓器二次側(cè)的饋出電纜支架加寬，增加一個直瓶，將中性點用母排引上電纜支架，接引35mm2高壓單芯電纜，從電纜溝引入中性點信號注入裝置內(nèi)。中性點信號注入裝置安裝于底座上，其底座固定于電纜溝上的水泥地面。

3.2 接地故障指示器的安裝

信號傳輸型單相接地故障指示器安裝于高壓遠(yuǎn)動負(fù)荷開關(guān)引線上，每相一只。由于指示器直接掛接在高壓線路上，為了防止高壓串入低壓，將遠(yuǎn)動負(fù)荷開關(guān)的引入線全部更換為交聯(lián)絕緣線，在指示器掛接處安裝高壓熱縮管和防雨裙，以增大爬弧距離，傳輸光纖穿入絕緣管后沿電桿引入至遠(yuǎn)動開關(guān)的控制箱內(nèi)。

非傳輸型接地故障指示器在區(qū)間每隔一公里安裝一處，安裝在距電桿絕緣子500mm處的架空線路上，與信號傳輸型故障指示器配合使用，實現(xiàn)接地故障點精確標(biāo)定。

4 接地故障判斷試驗

為了檢測中性點信號注入裝置和接地故障指示器的動作情況，分別在邯鄲至邢臺自閉供電臂的遠(yuǎn)端（小康莊遠(yuǎn)動開關(guān)北側(cè)）和近端（黃梁夢遠(yuǎn)動開關(guān)北側(cè)）做了金屬性接地和高阻性接地的多次試驗，并對每次試驗的電流電壓進(jìn)行了波形記錄，分析故障指示器動作的情況。

試驗地點：邢臺至小康莊自閉46＃遠(yuǎn)動開關(guān)北側(cè)A相接地。

試驗條件：信號源串入電阻450Ω，調(diào)壓器短路阻抗21Ω，線路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，線路長度47km，線路阻抗47×1.08=50.76Ω。

接地類型：金屬性接地（將接地極打入地下）。

信號源動作情況：信號源動作，高壓接觸器分合閘7次。

接地故障指示器動作情況：小康莊站、留客站、沙河站、臨名關(guān)站、黃梁夢站5站動作并上傳調(diào)度。

信號源所發(fā)信號：開口三角電壓6 362V；UA=248 V；UB=10 581V；UC=10 316V；接地后 A 相電流4.12A；發(fā)信后A相電流11A；矩形波幅度11-4.12=6.88A。

由于接地點選在邯鄲至邢臺供電臂的遠(yuǎn)端，當(dāng)發(fā)生金屬性接地故障后，其最大電流為11A，沒有超過配電室的過流保護(hù)定值15A。由于信號源所發(fā)矩形波的幅度為6.88A，超過了指示器要求的矩形波的幅度5A，各接地故障指示器可靠動作，遠(yuǎn)動通道將動作信號傳至調(diào)度。

試驗地點：邢臺至小康莊自閉46＃遠(yuǎn)動開關(guān)北側(cè)A相接地。

試驗條件：信號源串入電阻450Ω，調(diào)壓器短路阻抗21Ω，線路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，線路長度47km，線路阻抗47×1.08=50.76Ω。

接地類型：高阻性接地（將接地極放在生長的玉米桿上）。

信號源動作情況：信號源動作，高壓接觸器分合閘7次。

接地故障指示器動作情況：5站全部未動作，信號也沒有上傳調(diào)度。

信號源所發(fā)信號：開口三角電壓4 827V；UA=3 877V；UB=10 487V；UC=6 965V；接地后 A相電流3.54A；發(fā)信后A相最大電流5.22A；發(fā)信后A相最小電流4.45A；矩形波最大幅度5.22-3.54=1.68A；矩形波最小幅度4.45-3.54=0.91A。

由于接地點類型為高阻性接地，其接地電阻值不確定，并且在接地點產(chǎn)生電弧，造成零序電壓的不穩(wěn)定，形成的矩形波幅值小，最大幅度僅1.68A，遠(yuǎn)沒有達(dá)到指示器要求的矩形波幅度5A，因此各接地故障指示器不動作，遠(yuǎn)動通道沒有信號傳至調(diào)度。

由于設(shè)備在實際運(yùn)行中，很少有真正的金屬性接地，一般都是接地電阻較大的非金屬性接地，若只當(dāng)金屬性接地時能表示出故障點的話，在實際運(yùn)用中意義不大。因此，決定將中性點注入裝置的串入電阻減小，以保證非金屬性接地時，接地故障指示器可靠動作。但是，減小串入電阻后，勢必造成短路電流的增大，為了保證配電所內(nèi)的自閉斷路器保護(hù)不動作，將自閉斷路器定時限過電流保護(hù)的時間整定值由原來的0.2s調(diào)整為0.5s，自閉調(diào)壓變壓器的定時限過電流整定值由原來的0.3s調(diào)整為0.8s。由于中性點注入裝置發(fā)信持續(xù)時間最大為350ms，因此即使發(fā)信時的最大電流超過了定時限過電流保護(hù)的電流整定值，雖然電流互感器啟動，但由于時間繼電器常開延時接點沒有吸合，因此過電流保護(hù)不動作。瞬時速斷過電流保護(hù)的電流整定值為60A。我們通過控制中性點注入裝置的串入電阻來保證在線路始端發(fā)生單相接地短路時，電流不超過60 A。先將中性點信號注入裝置的串入電阻由原來的450 Ω調(diào)整為200Ω，進(jìn)行高阻接地試驗。

試驗地點：邢臺至小康莊自閉46＃遠(yuǎn)動開關(guān)北側(cè)A相接地。

試驗條件：信號源串入200Ω電阻，調(diào)壓器短路阻抗21Ω，線路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，線路長度47km，線路阻抗47×1.08=50.76Ω。

接地類型：高阻性接地（將接地極放在濕磚頭上）

信號源動作情況：信號源動作，高壓接觸器分合閘7次。

接地故障指示器動作情況：小康莊站、留客站、沙河站接地故障指示器動作并上傳此信號，臨名關(guān)站、黃粱夢站接地故障指示器沒有動作和發(fā)信。

信號源所發(fā)信號：開口三角電壓5 155V；UA=3 417V；UB=10 685V；UC=7 434V；接地 后 A 相電流3.2A；發(fā)信后A相最大電流6.4A；發(fā)信后A相最小電流5.3A；矩形波最大幅度6.4-3.2=3.2A；矩形波最小幅度5.3-3.2=2.1A。

由于接地點類型為高阻性接地，雖然中性點信號注入裝置的串入電阻減成了200Ω，但由于接地電阻值不確定，并且在接地點產(chǎn)生電弧，造成零序電壓的不穩(wěn)定，形成的矩形波幅值小，最大幅度僅3.2A，遠(yuǎn)沒有達(dá)到指示器要求的矩形波幅度5A，因此只有部分接地故障指示器動作和發(fā)信。

中性點注入裝置的串入電阻還需要減小，但到底應(yīng)串入多大的電阻才合適呢？由于接地點高阻時電阻的不確定性，使得理論計算較脫離實際。采用實測的方法，分別將串入電阻調(diào)整為118Ω、77Ω、45Ω進(jìn)行高阻接地試驗，接地方式采用放在潮濕的地上、水泥地上、磚頭上及樹枝上。最后，確定將串入電阻確定為45Ω，并在邯鄲至邢臺自閉供電臂的遠(yuǎn)端和近端分別做了高阻接地，在各種情況下5站的接地故障指示器可靠動作，在近端做了金屬性接地，其最大電流為42A，沒有超過瞬時速斷過電流的電流啟動值60A。

試驗地點：臨名關(guān)至黃梁夢自閉129＃遠(yuǎn)動開關(guān)北側(cè)C相接地。

試驗條件：信號源串入電阻45Ω，調(diào)壓器短路阻抗21Ω，線路阻抗每公里0.97+j0.37=1.08Ω，線路長度8.9km，線路阻抗8.9×1.08=9.6Ω。

接地類型：高阻性接地（將接地極放玉米桿上）。

信號源動作情況：信號源動作，高壓接觸器分合閘7次。

接地故障指示器動作情況：小康莊站、留客站、沙河站、臨名關(guān)站接地故障指示器全部動作并上傳信號。

信號源所發(fā)信號：開口三角電壓5 619V；UA=10 587V；UB=8 784V；UC=1 932V；接地后 A相最小電流0.72A；發(fā)信后A相最大電流23.21A；發(fā)信后A相最小電流9.89A；矩形波最大幅度23.21-0.72=22.49 A；矩形波最小幅度9.89-0.72=9.17A。

中性點信號注入裝置的串入電阻減小至45Ω，由于接地點類型為高阻性接地，在接地點產(chǎn)生了電弧，使得所發(fā)信號的矩形波幅度懸殊較大，但其矩形波的最小幅度為9.17A，最大幅度為22.49A，都超過了指示器要求的矩形波幅度5A。

配合試驗結(jié)果，只要是接地故障指示器上傳的信號正確，調(diào)度軟件都能準(zhǔn)確地判斷故障區(qū)段，并正確提示，通過調(diào)度員的選擇后執(zhí)行相應(yīng)開關(guān)的分合操作，將故障區(qū)段隔離，并恢復(fù)非故障區(qū)段的正常供電。

試驗結(jié)論：通過在不同地點，以不同的方式進(jìn)行接地故障試驗，研制的10kV電力線路單相接地故障檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確標(biāo)定出故障區(qū)段，并在可選擇的情況下自動隔離故障區(qū)段。尤其對高阻性接地故障的排查這一較難的故障，也收到了明顯的效果。

5 性能分析

（1）先進(jìn)性：10kV電力線路單相接地故障檢測系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)人工拉閘、諧波功率方向、離線控測、大電流跳閘、注入低頻信號、暫態(tài)分析等方法的各種局限性，有效解決了各種單相接地故障的探測與定位問題。

（2）安全性：中性點信號注入裝置注入的信號是安全的，不會影響配電所設(shè)備及線路的正常運(yùn)行。中性點信號注入裝置運(yùn)行位置在系統(tǒng)中性點處，平時無高壓，并且該信號裝置的內(nèi)置單相接觸器平時是在開斷狀態(tài)，完全與高壓系統(tǒng)隔離。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、耐壓水平高、簡單可靠，對外接口只有一根高壓絕緣線，與中性點相連。注入的信號是一組矩形波，其持續(xù)時間短，不會抬高中性點電壓，不會引起系統(tǒng)諧振和過電壓。內(nèi)置單相接觸器采用獨(dú)立的微機(jī)速斷保護(hù)，對系統(tǒng)安全運(yùn)行提供多重保障。

（3）可靠性：中性點信號注入裝置設(shè)計嚴(yán)格，抗外界干擾能力強(qiáng)、動作可靠。在探測到系統(tǒng)有接地故障后，可自動延時一段時間，在確認(rèn)為永久性接地故障的情況下，才短時注入信號。接地故障指示器與FTU響應(yīng)速度快，探測可靠，不受外部電磁場干擾，不受系統(tǒng)負(fù)荷波動的影響，不會誤動。

（4）實用性：中性點信號注入裝置安裝簡單，接地故障指示器掛接位置靈活，可根據(jù)需要掛接在架空線上、電纜上或母排上等，可帶電進(jìn)行安裝和摘卸，免維護(hù)，與電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)配合使用，當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，在很短的時間內(nèi)在調(diào)度中心給出故障點位置，并可自動將故障區(qū)段隔離，恢復(fù)非故障區(qū)段的正常供電，大大提高供電的可靠性，同時大大減少故障巡線人員，提高工作效率。尤其對于高阻性接地故障點的成功標(biāo)定，使該系統(tǒng)在實際運(yùn)行中具有很高的實用性，大大降低了單相接地故障的查找時間及所耗費(fèi)用，有效地確保了行車信號供電的可靠性。

［1］鐵道部專業(yè)設(shè)計院主編.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊——電力［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.

［2］鐵道部鐵運(yùn)［1999］103號.鐵路電力管理規(guī)則［S］.中國鐵道出版社，2000.

［3］韓國良.淺談10kV配電線路單相接地故障的選線和定位［J］.電氣市場，2002，（4）：33-34.

［4］石家莊開發(fā)區(qū)新導(dǎo)配電自動化有限公司.10kV電力線路單相接地故障定位系統(tǒng)說明書［R］.2009.