新型小電流接地選線裝置的研發(fā)與應用

唐克義，李也白，張霄霄

(長興縣供電局，浙江 長興 313100)

單相接地故障時的小電流接地系統(tǒng)，由于其故障電流很小，三相線電壓保持對稱關系，不影響對負荷的持續(xù)供電，被廣泛應用于國內(nèi)的配電系統(tǒng)[1，2].但由于接地點的出現(xiàn)，系統(tǒng)中非故障相的對地電壓由相電壓升至線電壓，使系統(tǒng)中出現(xiàn)工頻過電壓，最終導致線路的絕緣破壞.伴隨著電力線路總長度的增加、系統(tǒng)容量的提升，電容電流也越來越大，這對安全生產(chǎn)造成了極大的影響.當出現(xiàn)系統(tǒng)操作過電壓時，在電網(wǎng)的薄弱地點會輕易接地，進而產(chǎn)生相間短路的現(xiàn)象.因此，一旦發(fā)生單相接地故障，就應及時進行故障定位和故障排除，以提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制伴隨故障的產(chǎn)生.

在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，迅速、準確地進行接地故障選線仍是繼電保護領域尚未徹底解決的難題.目前，現(xiàn)場大多采用基于傳統(tǒng)零序電流穩(wěn)態(tài)特征的提取、比較等原理設計的接地選線裝置，其檢測有效性較低.因此，有必要進一步研究開發(fā)新型實用的配電網(wǎng)單相接地故障選線裝置，以保障電力系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性.

1 新型選線原理

當小電流接地系統(tǒng)單相接地時，接地電容電流的暫態(tài)分量往往比其穩(wěn)態(tài)值大幾倍到幾十倍.此時，為了能夠顯著提高故障選線的成功率，應充分利用暫態(tài)信號中的特征分量.與傅里葉變換相比，小波變換作為一種時頻分析工具具有分析局域波形的能力，故可通過小波函數(shù)的伸縮和平移產(chǎn)生可變的時頻窗，以便從暫態(tài)信號中提取出特征分量[3].從技術(shù)方面來說，與中性點直接接地電網(wǎng)單相接地瞬時動作的短路保護不同，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置允許一定的延時動作，這就為小波的應用提供了條件.為了驗證該方法的可行性，采用電磁暫態(tài)程序進行仿真試驗，結(jié)果表明，該方法具有較高的可靠性和靈敏度.

為了實現(xiàn)相電壓過零點附近和相電壓過峰值附近的故障選線，方案采用比較特征頻帶重構(gòu)后電流瞬時值符號的方法進行綜合智能選線.根據(jù)該方法，研制成TS4430型小電流接地選線裝置，并在此裝置中使用小波包算法進行時頻分析.小波包分解過程將信號分解為低頻和高頻兩部分，上一層分解序列的點數(shù)是本列的一倍，分解的點數(shù)越多，時域分辨率越低，頻域分辨率就越高.

當單相接地短路故障發(fā)生在相電壓的峰值附近時，線路的暫態(tài)電容電流決定了各線路的零序電流暫態(tài)特性.暫態(tài)特性中的電感電流比電容電流小，暫態(tài)電容電流的自由振蕩頻率主要集中在300～1 500 Hz.因此，選線裝置采樣頻率取為4 000 Hz.對各條線路的零序電流進行db小波包的4層分解，實際上是將零序電流分成16個子頻段，每個子頻段寬度為125 Hz，然后按能量譜函數(shù)確定出能量最大的子頻段，也就是故障暫態(tài)特征最明顯的特征頻段.

當單相接地短路故障發(fā)生在相電壓過零點附近時，線路的暫態(tài)電感電流決定了線路暫態(tài)零序電流的特性.暫態(tài)特性中電容電流的自由振蕩分量等于零，其頻率主要集中在0～50 Hz.對故障和非故障的線路進行4層分解后可知，第一個子頻段的能量是最大的.對各線路在該頻段進行單枝重構(gòu)，重構(gòu)信號偏向于時間軸的一側(cè)，因此故障線路的零序電流中有大量的直流分量，這與周期變化的非故障線路是不同的，據(jù)此就可以定位線路故障.當故障發(fā)生在相電壓過零點時，無論接地點是否有過渡電阻，采用比較重構(gòu)后電流瞬時值的符號進行選線的方法都是有效的.選線流程如圖1所示.

圖1 TS4430型小電流接地選線裝置的選線流程

2 新型選線裝置的優(yōu)勢

暫態(tài)量的頻率成分和大小受多種因素，如故障時刻、網(wǎng)絡參數(shù)等的影響，因此通過選擇暫態(tài)量比較集中的線路頻率段來完成選線是比較困難的[4].本原理可以自動選擇暫態(tài)特征最明顯的特征頻段進行對比和研究，充分高效地利用了故障暫態(tài)過程中的信息，極大地提高了選線的可靠性，不會出現(xiàn)由于干擾和測量誤差而忽略故障特征的情況.

選擇125 Hz的選線頻帶寬度，同時利用db小波包對暫態(tài)電容電流進行4層分解，不僅達到了良好的選線效果，還解決了小波分頻不細的問題，并便于利用DSP+CPLD的硬件平臺實現(xiàn)選線.

另外，通過比較各線路暫態(tài)零序電流中直流分量和基頻分量的重構(gòu)信號的大小，使TS4430型小電流接地選線裝置實現(xiàn)了無死區(qū)的故障選線.

3 新型選線裝置的應用

TS4430型小電流接地選線裝置采用了基于小波變換與重構(gòu)的技術(shù)，可操作性強且安裝簡單[5，6].裝置采用箱體式結(jié)構(gòu)、插件式設計，可方便地安裝在各種屏柜上.裝置通過138 mm×64 mm的LCD液晶屏幕顯示接地的母線號、線路號及接地時間，同時對其他母線的故障采用堆棧式處理，使故障總是顯示為最新信息.當故障解除后，則自動檢查上一次的最新故障是否解除，如果沒有就繼續(xù)顯示該信息.

本選線裝置的采集量為4段母線零序電壓及32路出線零序電流，其中零序電壓用于構(gòu)成啟動判據(jù)，零序電流用于構(gòu)成選線判據(jù).裝置的輸出信號為RS485通訊CDT協(xié)議的報警信息，采用屏蔽雙絞線通過一臺規(guī)約轉(zhuǎn)換器接入變電所Lonworks的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡.該裝置不響應下行命令，每1 s向上行發(fā)一次遙信量，當發(fā)生接地故障時，相應的遙信點將出現(xiàn)變位.選線裝置的通訊系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示.

圖2 TS4430型小電流接地選線裝置通訊系統(tǒng)

2012年，在長興35 kV里塘變電站安裝投運了TS4430型小電流接地選線裝置，將選線裝置與變電站的監(jiān)控主機和遠動信息管理主機聯(lián)網(wǎng)，通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場單相接地故障進行遠方實時監(jiān)控和管理，以實現(xiàn)對配電網(wǎng)系統(tǒng)接地故障的集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息共享.設備投運后，實現(xiàn)了無死區(qū)的接地故障選線，提高了接地選線的準確性與可靠性，運行效果良好.

4 結(jié)語

通過對TS4430型小電流接地選線裝置的研究與實施，改善和加強了配電網(wǎng)暫態(tài)接地保護的性能.該選線技術(shù)不受故障時刻和補償度的影響，抗過渡電阻能力強，能實現(xiàn)無死區(qū)的故障選線，具有高度的靈活性和可靠性.而且該裝置可以迅速查找出故障線路，縮短停電時間，保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，有較強的推廣應用價值，并將獲得良好的社會和經(jīng)濟效益.

[1]王晶，束洪春，陳學允.小波變換電力系統(tǒng)工學應用綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(6):52-63.

[2]賈清泉，劉連光，楊以涵，等.應用小波檢測故障突變特性實現(xiàn)配電網(wǎng)小電流故障選線保護[J].中國電機工程學報，2001，21(10):78-82.

[3]崔錦泰.小彼分析導論[M].西安:西安交通大學出版社，1995:28-56.

[4]要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[M].北京:中國電力出版杜，2000:42-58.

[5]王建賾，李威，冉啟文，等.解析信號小波分析及其在電力系統(tǒng)中的應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24(22):28-31.

[6]陳靖，張承學.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中精確時標的CPLD實現(xiàn)方法[J].繼電器，2004(32):30-33.