小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究

陳鵬

摘 要：在我國的配電網(wǎng)中，小電流接地系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，且在配電網(wǎng)中小電流接地系統(tǒng)也是最容易發(fā)生單相接地故障的一種系統(tǒng)，當(dāng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，由于短路回路不能構(gòu)成，因而產(chǎn)生的故障電流小，故障選線也較為困難。所以為了將小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的準(zhǔn)確性提高，該文以KY-WJ2000型小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置為例，首先分析該裝置的選線工作原理與技術(shù)特點(diǎn)，然后對(duì)基于穩(wěn)態(tài)量與暫態(tài)量?jī)蓚€(gè)方面來對(duì)其裝置的選線方法進(jìn)行分析，并對(duì)單相接地故障選線準(zhǔn)確性的影響因素進(jìn)行分析，最后研究KY-WJ2000型小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置中采用的抗干擾措施。

關(guān)鍵詞：小電流接地系統(tǒng) 單相接地故障 故障選線 穩(wěn)態(tài)量 暫態(tài)量

中圖分類號(hào)：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0083-02

雖然在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障的時(shí)候，供電線路中的故障通道并未形成，產(chǎn)生的故障電流也較小，線路電壓的對(duì)稱性仍然能夠得到保證，負(fù)荷的連續(xù)供電也不會(huì)受到影響，線路可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，線路不會(huì)出現(xiàn)跳閘。但是，隨著用電需求的增加，線路逐漸增加，配電網(wǎng)的復(fù)雜程度也是在不斷的增加，相應(yīng)的也會(huì)增加線路中的電容電流，如果對(duì)故障處理不及時(shí)，可能引起系統(tǒng)跳閘的現(xiàn)象，嚴(yán)重的可能損壞電網(wǎng)設(shè)備。所以將單相接地故障選線的準(zhǔn)確性提高，有效地將單相接地故障線路排除，提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性顯得尤為重要。

1 KY-WJ2000型小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置

1.1 裝置故障選線工作原理

待裝置通電之后，循環(huán)監(jiān)視系統(tǒng)的PT開口三角就將零序電壓輸出。若單相接地故障發(fā)生，且接地線路的母線PT開口三角零序電壓3U0比設(shè)定好的啟動(dòng)值大，裝置就會(huì)立即將采樣零序電流3I0轉(zhuǎn)入到系統(tǒng)中，然后立即對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與分析，并將選線結(jié)果輸出，與此同時(shí)，裝置還是保持循環(huán)監(jiān)視的工作狀態(tài)。

1.2 該裝置的技術(shù)特點(diǎn)

（1）KY-WJ2000型選線裝置中運(yùn)用了多種選線方法，來進(jìn)行綜合故障選線，并能實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障信號(hào)進(jìn)行采集。該裝置對(duì)各種選線方法的有效域的確定是采用的粗糙集理論，能夠根據(jù)故障信號(hào)的特征來自動(dòng)及可信度量化的評(píng)估每一種選線方式得出故障選線結(jié)果，并通過證據(jù)理論有機(jī)的融合多種選線方法，保證各種選線方法之間能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。為了使故障信號(hào)受到干擾而出現(xiàn)誤選的情況能夠有效地避免，還將連續(xù)選線方法運(yùn)用在了裝置中，在一定的時(shí)間內(nèi)就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采集與分析，電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障不消失，該裝置中的選線計(jì)算也不會(huì)停止。

（2）該裝置中也具有故障錄波的功能，能有效地將故障前后的波形提供出來，其中發(fā)生故障之前的1個(gè)周期與之后的5個(gè)周期的波形也都包括在內(nèi)，且能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)400萬次的故障選線結(jié)果與錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，裝置也能自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，并自動(dòng)刪除某些存滿一年的數(shù)據(jù)。

（3）該裝置不僅適用于經(jīng)固定消弧線圈接地、中性點(diǎn)不接地、經(jīng)高阻接地極經(jīng)自動(dòng)調(diào)諧式消弧線圈接地等多種接地方式，其適用于不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)與母線加裝消弧裝置的系統(tǒng)。

（4）該裝置能夠根據(jù)各段母線的零序電壓變化來對(duì)系統(tǒng)各段母線是分段還是并列運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)判斷。

（5）裝置中有輸出控制的功能，不但能連接斷路器跳閘回路，并使選線后的故障切除能有效實(shí)現(xiàn)，且自動(dòng)重合閘也能與裝置結(jié)合。

（6）裝置能夠?qū)﹂g接性弧光接地、經(jīng)電阻接地、經(jīng)弧光接地及直接接地等復(fù)雜的故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，且通過現(xiàn)場(chǎng)工作人員的配合，不同線路兩點(diǎn)同接地故障問題也能有效地將其解決。

（7）選線裝置不但具有死機(jī)自動(dòng)恢復(fù)與自檢等功能，且能對(duì)各段母線零序電壓與各線路出口處一次接地電容電流進(jìn)行監(jiān)視。

（8）因?yàn)楦鞣N原因而出現(xiàn)的意外斷電，值班人員也不用啟動(dòng)裝置，電網(wǎng)再次通電時(shí)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)裝置，將更多的方便提供給了無人值守的變電站。

2 基于穩(wěn)態(tài)量的單相接地故障選線方法

2.1 零序電流方向法

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相接地健全線路上的零序電流的方向是從母線流向線路，而單相接地故障線路上的零序電流方向則是從線路流向母線，因而要想將故障線路找出，就只要確定線路零序電流流動(dòng)的方向。然而，當(dāng)故障點(diǎn)離電流互感器比較遠(yuǎn)且線路又短的時(shí)候，零序電流與電壓都比較小，利用這種方法很難將其方向準(zhǔn)確的判斷出來。

2.2 零序電流比幅法

利用故障線路零序電流幅值大于非故障線路零序電流幅值的特點(diǎn)來將故障線路選擇出來，就是零序電流比幅法，這種選線方法適用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。在以前，一般采用電流繼電器，當(dāng)零序電流大于繼電器的整定值時(shí)，電流繼電器就通過動(dòng)作將故障線路指示出來；而如今群體比幅法是使用較多的，利用微機(jī)技術(shù)將接地母線上所有的出現(xiàn)零序電流進(jìn)行采集并比較，故障線路就是幅值最大的線路，由于系統(tǒng)中某條線路的電容電流比其他線路電容電流之和大的情況可能會(huì)存在，因而此方法在理論上并不完善。所以，通常是將其他線路上的零序電流幅值之和與單條線路上的零序電流幅值相比較，故障線路就是與其幅值相等的線路。

2.3 電流諧波選線方法

因?yàn)楣收宵c(diǎn)、變壓器及消弧線圈等電氣設(shè)備的非線性的影響，會(huì)有含量較大的諧波信號(hào)存在于故障電流中，而且諧波的含量會(huì)隨著諧波頻率次數(shù)的增加而減少。在變壓器三角形繞組的一側(cè)，3次諧波電流會(huì)形成環(huán)流，因而通常認(rèn)為其諧波含量較少，所以就主要采用5次諧波來作為故障選線的判斷依據(jù)。因?yàn)橄【€圈對(duì)5次諧波的補(bǔ)償作用就相當(dāng)于工頻時(shí)的1/25，就能將其影響忽略。所以，故障線路的5次諧波零序電流不僅是大于非故障線路的5次諧波電流，而且其方向也是相反的，因此就可以將故障線路選擇出來，這種故障選線方法又稱為5次諧波法。

3 基于暫態(tài)量的單相接地故障選線方法

3.1 首半波法

首半波單相接地故障選線方法的原理是假設(shè)在相電壓接近最大值得瞬間發(fā)生接地故障。由于在零序參考電壓與首半波的暫態(tài)零序電流之間有固定的相位關(guān)系存在，致使非故障線路與故障線路暫態(tài)零序電流相位相反，由此就可以將故障線路選出來。但是在相位電壓過零附近發(fā)生故障時(shí)，首半波電流暫態(tài)分量比較小，而過濾電阻對(duì)其的影響又比較大，因而工作中存在死區(qū)。

3.2 暫態(tài)能量法

能夠以能量的觀點(diǎn)來解釋系統(tǒng)發(fā)生故障后的全部過程的選線方法就是暫態(tài)能量法。將電流的參考方向考慮在內(nèi)，故障線路的能量一直低于零，而非故障線路的能量一直高于零，且其他線路能量的總和與故障線路的絕對(duì)值相等，由此就可以將故障線路選出。

3.3 小波分析法

小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行單相接地時(shí)，故障電流在電壓的暫態(tài)過程不會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，但特征量豐富，且大于穩(wěn)態(tài)值，所以選擇合適的分析方法來對(duì)暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)故障選線會(huì)很有利。小波分析能夠精確的分析信號(hào)，尤其是在微弱信號(hào)與暫態(tài)突變信號(hào)等的變化方面，比較的靈敏，并能可靠的將故障信號(hào)提取出來。小波分析法以非故障線路上暫態(tài)零序電流特征分量的幅值小于故障線路，以及非故障線路特征分量的相位與故障線路相反的特點(diǎn)為依據(jù)，就可以形成有效的故障選線判據(jù)。但是因?yàn)樵趯?shí)際的運(yùn)行過程中，電力系統(tǒng)是復(fù)雜且多變的，所以需要對(duì)各出線零序電流與母線零序電壓的小波變換系數(shù)進(jìn)行綜合分析，才能夠準(zhǔn)確的判斷出故障線路。

4 單相接地故障選線準(zhǔn)確性的影響因素分析

4.1 判斷故障依據(jù)小，保護(hù)裕度低

在小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，由于短路回路不能形成，產(chǎn)生的接地故障電流也較小，而且中性點(diǎn)接地方式、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、接地故障點(diǎn)過渡電阻以及電網(wǎng)參數(shù)等多種因素都會(huì)使各線路零序電流的大小受到影響，各線路零序電流特別是在高阻接地故障時(shí)會(huì)更小，與此同時(shí)，由于檢測(cè)裝置誤差、零序電流互感器誤差以及干擾信號(hào)等因素的影響，一定會(huì)減小故障線路與非故障線路之間的故障特征差別。而且任何一個(gè)準(zhǔn)確性及可靠性較高的線路保護(hù)，其保護(hù)裕度都是比較高的。因此，單項(xiàng)接地故障選線準(zhǔn)確性會(huì)受到故障與非故障線路判斷故障依據(jù)小、保護(hù)裕度低的因素的影響。

4.2 單相接地故障的復(fù)雜性

穩(wěn)定性與非穩(wěn)定性接地故障是小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的主要體現(xiàn)方式。其中穩(wěn)定性接地故障主要體現(xiàn)為高電阻接地、低電阻接地極金屬性接地等類型；非穩(wěn)定性接地故障主要體現(xiàn)為不穩(wěn)定的間歇性電弧接地故障，以及如電器元件弱絕緣擊穿、絕緣子閃絡(luò)、樹枝接觸與風(fēng)雷使導(dǎo)體短時(shí)等短時(shí)性的電弧接地故障。在這些接地故障發(fā)生時(shí)，各線路零序電流中有可能只有工頻暫態(tài)分量或者是穩(wěn)態(tài)分量，又可能兩者兼具。因?yàn)?，單純的基于暫態(tài)分量或是穩(wěn)態(tài)分量分析出的單相接地故障選線方法，很難使其準(zhǔn)確性得到有效的保障。所以單項(xiàng)接地故障選線準(zhǔn)確性也會(huì)受到單相接地故障的復(fù)雜性與單相接地故障選線原理的單一性因素的影響。

4.3 中性點(diǎn)接地方式影響

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)單相接地故障的時(shí)候，除了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障點(diǎn)接地電阻及系統(tǒng)對(duì)地電容等與故障線路零序基波電流的大小有關(guān)之外，系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式也與其有著重要的關(guān)聯(lián)。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，故障線路零序電流會(huì)由于消弧線圈電感電流的補(bǔ)償作用，明顯的減小，而且隨著補(bǔ)償電流大小的變化其方向也會(huì)發(fā)生一定的變化。所以，就減小了故障與非故障線路間的故障特征差別，從而使單相接地故障選線的準(zhǔn)確性受到影響。

4.4 諧波分量在電網(wǎng)中的影響

由于如今大量電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中的應(yīng)用，讓符合本身產(chǎn)生較多的諧波，而且負(fù)荷線路是以煉鋼或鑄鋼等為主的線路中，某時(shí)刻5次諧波電流的值可能與基波分量之比要大于10%。除此之外，諧波電流的大小變化值呈現(xiàn)為無確定規(guī)律可循的隨機(jī)函數(shù)，并不是固定不變的。因而，電網(wǎng)裝置如是采用諧波電流方向與大小原理構(gòu)成的，就一定會(huì)受到諧波分量的影響。

5 KY-WJ2000型單相接地故障選線裝置中采用的抗干擾措施

（1）開機(jī)自檢：將該裝置開機(jī)后，首先系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)硬件與軟件的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)有問題，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。通常ROM、RAM及I/O口狀態(tài)等的檢測(cè)，就是開機(jī)自檢程序所包含的。只有保證各項(xiàng)檢查都正常，該裝置中的其他程序才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行，反之就會(huì)提示程序出錯(cuò)。

（2）軟件陷阱：在程序儲(chǔ)存器中會(huì)存在未使用的區(qū)域，若因?yàn)楦蓴_而錯(cuò)置DSP芯片的指令計(jì)數(shù)器PC值，一旦程序跳到那些沒有使用的存儲(chǔ)區(qū)域，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因而，軟件陷阱就是在程序存儲(chǔ)器沒有使用的區(qū)域中，同時(shí)加上無條件跳轉(zhuǎn)指令與若干條空操作的輔助，若程序跳到那些沒有使用的存儲(chǔ)區(qū)域中，無條件跳轉(zhuǎn)指令就會(huì)執(zhí)行，并有效地將程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序出錯(cuò)處理程序中。

（3）軟件監(jiān)控：軟件陷阱是當(dāng)程序運(yùn)行到程序存儲(chǔ)器的非法區(qū)域時(shí)，對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行檢測(cè)的一種方法，而軟件監(jiān)控則是以程序在指定運(yùn)行時(shí)間間隔內(nèi)沒有進(jìn)行相應(yīng)的操作為主要依據(jù)，也就是程序未按時(shí)將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，從而對(duì)程序運(yùn)行出錯(cuò)進(jìn)行判斷的一種方法。

（4）輸出端口刷新：因?yàn)橥獠啃盘?hào)很容易干擾到DSP芯片的I/O口，因此就有可能改變裝置輸出端口的狀態(tài)。將輸出端口刷新指令周期性的添加到程序中，就可以使干擾對(duì)輸出口狀態(tài)的影響有效降低。在程序中，有效的對(duì)RAM單元存儲(chǔ)輸出口當(dāng)時(shí)應(yīng)保持的狀態(tài)進(jìn)行指定，在程序運(yùn)行時(shí)，就能以這些RAM單元的內(nèi)容為主要依據(jù)，來對(duì)DSP芯片的I/O口進(jìn)行刷新。

（5）運(yùn)用冗余算法：冗余算法是指多次運(yùn)算重要的數(shù)據(jù)，從而使運(yùn)算結(jié)果的正確性得到有效保證。在串口通信方面，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)發(fā)送，同時(shí)使校驗(yàn)碼增加，從而對(duì)通信出錯(cuò)問題進(jìn)行有效的防制。

6 結(jié)語

總而言之，無論是基于暫態(tài)分量還是穩(wěn)態(tài)分量下的單相接地故障選線方法，在實(shí)際的應(yīng)用中都會(huì)由于各方面因素的影響，而出現(xiàn)一些選線不準(zhǔn)確的問題，因而，在實(shí)際的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線中，要結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際情況，合理并合適地選擇故障選線方法與裝置來準(zhǔn)確選擇故障線路，有效地將單相接地故障選線的準(zhǔn)確性提高。

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