小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 鵬，周玉國，張景景，于婷婷

（青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266033）

在我國6～66 kV中低壓供電電網(wǎng)中，一般采用的是中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高阻接地的方式。這些接地方式在發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于故障電壓仍然對稱，故不必立即切斷電源，提高了供電的可靠性。但是在發(fā)生故障時(shí)，非故障相相電壓升高到線電壓幅值，長時(shí)間帶故障運(yùn)行就可能造成輸電線路的絕緣擊穿或是發(fā)生相間短路等電力事故，所以這類接地故障需要在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行解決，一般規(guī)定設(shè)備可以在此類故障下運(yùn)行2 h[1]。

中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高阻接地的配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生比較小的零序電流，三相電壓對稱性沒被破壞，設(shè)備運(yùn)行正常，所以這類故障十分隱蔽，為檢測帶來一定困難?；诠收锨昂箅娏髋c電壓的變化關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)時(shí)性、可靠性與便于操作性的實(shí)時(shí)小電流檢測系統(tǒng)。

1 小電流選線方案分析

目前，對于小電流選線的方法主要分為基于暫態(tài)分量的選線方案與基于穩(wěn)態(tài)分量的選線方案兩種[2]。其中基于暫態(tài)分量的選線方案，主要包括小波變換法、首半波法及最大基波法等?；诜€(wěn)態(tài)分量的選線方案，主要包括零序電流比幅法、群體比幅比相法等。此外，還有注入基波法，S注入法等選線方法[3]。

雖然基于暫態(tài)分量的選線方法對于線路的瞬間接地尤其是間歇性電弧接地故障判斷實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但是由于該選線方法存在較大的理論缺陷，目前沒有使用經(jīng)驗(yàn)[4]，故本系統(tǒng)沒有采用暫態(tài)分量選線方案。注入信號(hào)方法需要在電網(wǎng)中注入所需要頻率的信號(hào)，這不僅提高了傳感器精度的要求，而且對于電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，故本選線系統(tǒng)也不采用。為了開發(fā)切實(shí)可靠的小電流選線系統(tǒng)，而且考慮到暫態(tài)分量檢測對于電弧接地等一些瞬時(shí)性接地，在電弧消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常，故本文采用的選線方案主要是基于穩(wěn)態(tài)分量的方案。

小電流接地系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)，變化量最明顯的是電路中相電壓升高到線電壓幅值，故本系統(tǒng)首先是對于輸電線路的電壓值進(jìn)行檢測。在小電流接地故障發(fā)生后，電路產(chǎn)生的零序電流值變大，系統(tǒng)可以進(jìn)一步對電路的零序電流進(jìn)行檢測，以提高檢測的可靠性。對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，在過補(bǔ)償方式下，故障線路的穩(wěn)態(tài)零序電流為過補(bǔ)償時(shí)產(chǎn)生的過剩電感電流，其方向與非故障線路相同。所以這種情況下，對于零序電流的檢測方法可能會(huì)失效。在系統(tǒng)中采用了零序補(bǔ)償導(dǎo)納法[5]進(jìn)行最后的判別。

2 小電流選線方案設(shè)計(jì)

采用零序補(bǔ)償導(dǎo)納法對小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行選線，通過判斷輸電線路的導(dǎo)納的夾角所在坐標(biāo)軸區(qū)域來確定輸電線路是否發(fā)生故障。由于涉及到電流的方向及相位角的檢測，本系統(tǒng)采用的是直接檢測零序?qū)Ъ{模值的方法來判斷電路是否為故障線路[6-7]。

正常運(yùn)行線路基波零序電流可以表示為：

式中，Idi0為故障情況下第i條非故障條件下的零序電流；Ud0為故障情況下中性點(diǎn)的零序電壓；Ci=CiA+CiB+CiC，為第i條非故障線路對地的總電容。

由式（1）可得：

式中，Ydi0為故障情況下測得的第i條非故障線路的零序?qū)Ъ{。

線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的零序?qū)Ъ{分別討論。

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地

故障線路的零序電流為：

可以得到故障線路的零序?qū)Ъ{為：

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)的單相接地

可得到故障線路的零序?qū)Ъ{為：

由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)沒有消弧線圈的補(bǔ)償，如果該種電路發(fā)生小電流接地故障，通過檢測電路中的零序電流與零序電壓的變化即可判斷出接地故障。因此，本文主要討論中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的補(bǔ)償導(dǎo)納法判斷接地故障。根據(jù)上述公式，非故障線路的零序?qū)Ъ{為：

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地線路故障時(shí)的零序?qū)Ъ{：

由于輸電線路敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，對于相位角的測量難度較大，很難完成對于線路相位角的精確測量。在本系統(tǒng)中對于零序?qū)Ъ{的角度不做處理，通過對零序?qū)Ъ{模值的比較判斷是否是小電流接地故障。則根據(jù)式（9）可得非故障線路的零序?qū)Ъ{的模值為：

故障線路的零序?qū)Ъ{模值為：

如果各輸電線路的外部環(huán)境是相同的，則有：

則零序?qū)Ъ{的變化量為：

對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，在過補(bǔ)償?shù)那闆r下電路呈現(xiàn)感性，有：

在國內(nèi)的小電流接地電力系統(tǒng)中，頻率均為50Hz，則：

對于輸電線路的對地電容，可根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]進(jìn)行計(jì)算，在此不做詳述。

本系統(tǒng)對于補(bǔ)償零序?qū)Ъ{的判斷是根據(jù)這個(gè)測量零序?qū)Ъ{與設(shè)定的零序?qū)Ъ{的偏差進(jìn)行監(jiān)測。對于輸電線電壓升高，線路中產(chǎn)生的零序電流明顯增大或是補(bǔ)償導(dǎo)納偏差增大的線路，即可判定為是故障線路。采用零序補(bǔ)償導(dǎo)納方法進(jìn)行對于輸電線的監(jiān)測，既增加了檢測系統(tǒng)的可靠性，又沒有造成硬件上的太大改變。采用零序補(bǔ)償導(dǎo)納法配合零序電壓與零序電流方法監(jiān)測小電流接地電路理論上比較合理，現(xiàn)實(shí)中也易于實(shí)現(xiàn)，方案可行。

3 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要包括零序電流和零序電壓的采樣、濾波及信號(hào)調(diào)理、觸摸屏輸入輸出、時(shí)鐘、電源以及中央處理單元S3C2440。小電流監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能有：

（1）對于線路的零序電壓的實(shí)時(shí)檢測。當(dāng)電路的零序電壓大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)零序電流以及零序?qū)Ъ{檢測任務(wù)。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)故障，啟動(dòng)報(bào)警程序。

（2）觸摸屏是系統(tǒng)最主要的人機(jī)交互通道。系統(tǒng)中各種門限值參數(shù)的設(shè)定以及系統(tǒng)內(nèi)部的輸出信息，主要是通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)的。

（3）對于系統(tǒng)的外加時(shí)鐘，采用獨(dú)立鋰電池供電確保時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)在一次校正時(shí)鐘以后，不必再校正。

（4）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測的電路信息，在顯示器上都會(huì)有顯示。如出現(xiàn)問題時(shí)，故障信息也能夠正確清晰顯示。

圖1 小電流監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

小電流監(jiān)測系統(tǒng)的主要任務(wù)流程如圖2所示。

軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)有零序電壓監(jiān)測任務(wù)、零序電流監(jiān)測任務(wù)、補(bǔ)償導(dǎo)納監(jiān)測任務(wù)、時(shí)間任務(wù)、按鍵任務(wù)以及顯示任務(wù)。其中的主要流程如下：

（1）為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，系統(tǒng)首先對于輸電線路的零序電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)零序電壓的測量值超過設(shè)定的門限值時(shí)，啟動(dòng)零序電流監(jiān)測任務(wù)與補(bǔ)償導(dǎo)納監(jiān)測任務(wù)。

（2）零序監(jiān)測任務(wù)的檢測值超過設(shè)定電流或是補(bǔ)償導(dǎo)納發(fā)生變化，系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警程序。

（3）系統(tǒng)時(shí)鐘采用電池單獨(dú)供電，確保時(shí)鐘的正常運(yùn)行，增加系統(tǒng)的可靠性。

圖2 小電流監(jiān)測系統(tǒng)主程序框圖

（4）系統(tǒng)的人機(jī)交互主要采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)。觸摸屏負(fù)責(zé)對小電流接地系統(tǒng)信息的顯示以及對于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。

對于零序補(bǔ)償導(dǎo)納法，系統(tǒng)通過檢測零序電流與零序電壓的相位角來進(jìn)行判別。線路正常運(yùn)行時(shí)，零序電流超前零序電壓90°；線路出現(xiàn)故障時(shí)，零序電流滯后零序電壓90°。根據(jù)零序電流與零序電壓的方向關(guān)系，判斷線路是否發(fā)生故障。

當(dāng)有線路發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路的零序電流與其余線路的零序電流符號(hào)相反。零序?qū)Ъ{產(chǎn)生差值，系統(tǒng)就會(huì)獲取相位角變送器的信號(hào)求出零序?qū)Ъ{的偏移角，通過比較測量偏移角與設(shè)定偏移角的關(guān)系，來判定是否發(fā)生小電流接地故障。為提高選線的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)連續(xù)兩次采樣相位角變送器信號(hào)，如果兩次采樣的信號(hào)與設(shè)定值的比較結(jié)果一致，則系統(tǒng)就會(huì)輸出診斷結(jié)果；如果采樣結(jié)果不一致，則會(huì)第三次讀取相位角變送器信號(hào)，并比較后兩次的結(jié)果。如果一次連續(xù)比較中的對相位角變送器信號(hào)的讀取次數(shù)等于5次，則認(rèn)為該線路發(fā)生故障，輸出故障信息并啟動(dòng)故障報(bào)警裝置。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息處理單元采用的是ARM處理器S3C2440，該處理器內(nèi)核采用的是RISC體系結(jié)構(gòu)，減小了開發(fā)難度。同時(shí)采用的是5級(jí)流水線，進(jìn)一步增大了系統(tǒng)的執(zhí)行速度，最高指令執(zhí)行速度可達(dá)500 MIPS。對于嵌入式系統(tǒng)的選擇上，充分考慮到實(shí)時(shí)性能的要求，采用實(shí)時(shí)性最好的μC/OS-II操作系統(tǒng)，這樣在軟件上也提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

針對小電流接地故障難發(fā)現(xiàn)、難確定的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于零序電流、零序電壓的選線方法，提出并利用了基于導(dǎo)線對地電容的選線判據(jù)。對于影響選線正確性的因素進(jìn)行了分析，提出解決措施。采用實(shí)時(shí)性與可靠性俱佳的嵌入式操作系統(tǒng)，大大提高了選線的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。在小電流接地的供電網(wǎng)中，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)線路中的接地故障。

[1]徐梅，楊文榮，吳淑梅，等.基于零序電流比值變化的小電流接地選線方法 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，7（37）：68-71.

[2]林湘寧，高艷，劉沛，等.基于零序補(bǔ)償導(dǎo)納的小電流接地系統(tǒng)單相故障保護(hù)新方 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（10）：45-49.

[3]曾祥軍，尹項(xiàng)根，張哲，等.零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（4）：5-10.

[4]張新慧，潘貞存，徐丙垠，等.基于暫態(tài)零序電流的小電流接地故障選線仿真[J].繼電器，2008，36（3）：5-9.

[5]薛永強(qiáng)，邵玉槐，劉寶勤.零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33（4）：396-399.

[6]易東，李群湛，黃彥全.零序?qū)Ъ{法接地保護(hù)原理[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2002，22（10）：40-42.

[7]索南加樂，薛曉輝，高峰，等.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2008，42（4）：471-473.

[8]王磊，賈清泉，蔡國偉.一種估計(jì)小電流系統(tǒng)線路對地電容的新方法[J].繼電器，2004，32（3）：29-31.