中性點不接地系統(tǒng)故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式的研究

唐傳佳, 魏曼榮, 朱匯靜

1. 蚌埠供電公司 安徽蚌埠 233000 2. 安慶供電公司 安徽安慶 246000

筆者所研究的中性點不接地系統(tǒng)故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式，可以實現(xiàn)對小電流接地系統(tǒng)單相接地燃弧的徹底熄弧，無殘弧。當(dāng)人員或動物發(fā)生電擊事故時，可進行快速保護，避免人身傷害事故。這一技術(shù)對提高供電可靠性與安全性具有重要意義。

1 現(xiàn)狀分析

目前我國35kV及以下系統(tǒng)大多采用中性點非有效接地方式，包括中性點不接地方式和中性點經(jīng)消弧線圈接地方式[1]。非有效接地方式運行時一旦發(fā)生單相接地，沒有有效的熄弧措施。

由此可見，中性點不接地方式和中性點經(jīng)消弧線圈接地方式存在一定的缺陷，具體表現(xiàn)在如下幾個方面。

(1) 人畜電擊而發(fā)生單相接地故障時，由于線路不會快速跳閘，人畜將無法得到有效保護，后果就是電擊時間延長，造成重大傷害事故。

(2) 中性點不接地系統(tǒng)沒有任何熄弧措施，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，消弧線圈只能補償接地電流中的工頻無功分量，無法補償接地電流中的工頻有功分量和高頻分量，熄弧效果有限。一旦電弧產(chǎn)生，將引起弧光過電壓，造成電網(wǎng)連鎖故障。同時電弧會引發(fā)火災(zāi)等事故，給電網(wǎng)和用戶造成重大損失[2]。

(3) 目前隨著架空線路長度的增加和電纜線路的增多，系統(tǒng)電容電流越來越大。當(dāng)電容電流增大到一定程度時，消弧線圈的制造將非常困難，而且成本過高。為了解決這個問題，35kV及以下系統(tǒng)將中性點的接地方式改為經(jīng)小電阻接地，這樣就犧牲了中性點非有效接地方式供電可靠性高的優(yōu)點。

(4) 單相接地故障選線和故障定位問題沒有得到很好的解決，很多變電站通過人工拉路的方法進行故障選線，并通過人工巡線的方法進行故障定位，延長了停電時間，增加了帶故障運行的風(fēng)險，也降低了供電可靠性[3]。

2 經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式的優(yōu)勢

在發(fā)展智能電網(wǎng)的大背景下，為了提高供電安全性、可靠性和經(jīng)濟性，需要建立一個全新的接地方式并形成一個集監(jiān)測、保護、控制于一體的綜合成套系統(tǒng)，在不改變中性點非有效接地方式優(yōu)勢的前提下，徹底解決上述問題。

故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地是單相接地故障綜合保護裝置的一個組成部分，單相接地故障綜合保護裝置是集消弧、抑制過電壓、人身電擊保護，以及接地選相、選線、定位與保護自動復(fù)歸功能于一體的智能化設(shè)備。通過快速接地轉(zhuǎn)移，可減輕對電擊人員的傷害，避免間歇性接地引發(fā)系統(tǒng)過電壓和單相接地引發(fā)相間短路故障，同時實現(xiàn)接地故障自動識別，方便檢修人員快速定位接地點，對保證電力企業(yè)安全生產(chǎn)、可靠供電及社會群眾的生命安全有重要意義。

3 技術(shù)原理

在小電流接地系統(tǒng)中，系統(tǒng)線路的多少決定對地電容電流的大小，10kV系統(tǒng)一般為10～100A。由于電力設(shè)施的相間距離相對較大，多數(shù)人身電擊均為單相接地電擊，系統(tǒng)對地電壓較高，電擊后電弧不能熄滅，使被電擊人員不能脫離電源。電流的長時間作用一般會給被電擊人員帶來致命傷害，電擊對人體的傷害取決于電流大小和作用時間長短兩個因素，由于接地電流由系統(tǒng)決定，所以縮短電流作用時間是減輕電擊傷害的決定性因素[4]。

應(yīng)用故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式，在每個變電所的不接地系統(tǒng)中每相裝設(shè)一臺能夠自動投入的接地器，由一組單相斷路器來控制，當(dāng)分相開關(guān)控制系統(tǒng)在母線電壓互感器測量到系統(tǒng)接地并判別相別后，將接地相接地器以最短時間投入，同時閉鎖其它相。由于接地器實現(xiàn)了低電阻接地，使該相對地電壓鉗制到與地基本等電位，使電擊人員接地電流降至很小，且使電弧不能保持，人員脫離導(dǎo)電部分。由于作用在人體的電流時間很短，一般為0.05～0.2s，因此該接地方式能對電擊人員起到有效的保護。

應(yīng)用故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式的關(guān)鍵是使用電氣設(shè)備保護人身安全，屬于一種新的思路，一組自動控制的單相斷路器是技術(shù)的核心，快速實現(xiàn)接地轉(zhuǎn)移是技術(shù)的關(guān)鍵點。

4 研究內(nèi)容與技術(shù)方案

單相接地故障是系統(tǒng)發(fā)生頻次最多的一種故障，對于涉及到單相接地故障的消弧、抑制過電壓、人身電擊保護、接地選相選線、測距、故障定位等技術(shù)，多年來受系統(tǒng)接地方式制約，一直未能得到很好解決。

基于以上原因，筆者提出了故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式，其實質(zhì)是故障相自動經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地。這一技術(shù)采用以降低故障相對地電壓的方式熄滅單相接地故障電弧，以將故障相、人體、大地三者強迫等電位的方式實現(xiàn)對人身電擊保護，以穩(wěn)態(tài)保護接地方式限制間歇性接地過電壓，以零序電壓模角比較的穩(wěn)態(tài)選相方法和相電壓斜率比較的間歇性接地選相方法進行選相，以保護接地前后零序電流轉(zhuǎn)移特征方程的選線方法準確選擇接地線路，以低阻抗變壓器二次線圈注入信號進行單相接地保護狀態(tài)下的故障定位和自動復(fù)歸[5]。這一技術(shù)理想解決了現(xiàn)有單相接地故障時消弧、抑制過電壓、人身電擊保護、接地選相選線、測距、故障定位困難等問題。

4.1 人身電擊保護

35kV及以下供電系統(tǒng)具有分布區(qū)域廣、離人居住地近的特點，針對人身電擊事故，應(yīng)著重解決人身單相電擊保護措施。影響人身電擊傷害的因素很多，但人體電擊電流為系統(tǒng)接地電流，其大小、途徑等因素是不可控的，唯一能夠控制的就是電擊時間的長短。高壓人身單相電擊事故發(fā)生時人體距離高壓帶電體短于安全距離，高壓帶電體對人體放電，在高壓帶電體和人體間由放電電弧形成回路。由于我國多數(shù)采用小電流接地方式，規(guī)程規(guī)定可帶單相接地運行1～2h，發(fā)生人身單相電擊事故，系統(tǒng)正常運行，放電電弧無法自行熄滅。

根據(jù)上述研究，提出了人身單相電擊的保護方法： 快速轉(zhuǎn)移系統(tǒng)接地電流，強迫故障相與大地等電位，使放電弧光沒有足夠電壓支持而熄滅，避免跨步電壓危害，從而使受電擊人員脫離。參照國際電工委員會對低壓漏電保護器動作時間的規(guī)定，保護動作時間應(yīng)小于100ms。

4.2 接地方式

故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式在正常運行時不接地，只有發(fā)生單相接地時，快速使故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地。故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地強迫故障相與大地等電位，同時與接地點并聯(lián)。由于低勵磁阻抗變壓器阻抗小于1Ω，并且直接接入地網(wǎng)，接地電阻值很小，因此具有很好的分流效果，使電弧不能維持而自動熄滅。單相間歇性電弧在20ms時間內(nèi)可在非故障相形成3.5倍過電壓，但系統(tǒng)中的無間隙金屬氧化物避雷器可以將過電壓限制到2.5倍，持續(xù)時間僅1～2s。故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式在100ms內(nèi)將間歇性接地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)接地，與無間隙金屬氧化物避雷器相配合，實現(xiàn)過電壓保護。

這一接地方式的優(yōu)點為： 無論是工頻電弧還是高頻電弧，均可實現(xiàn)熄弧徹底，無殘??；不受系統(tǒng)接地電流大小限制；不影響系統(tǒng)正常供電；可抑制間歇性過電壓。

4.3 故障定位

經(jīng)過對S注入法的研究分析[6]，提出了經(jīng)低勵磁阻抗變壓器注入信號進行故障定位的方法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，使故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地，此時故障相、接地點與低勵磁阻抗變壓器同大地構(gòu)成回路，通過低勵磁阻抗變壓器二次線圈向系統(tǒng)注入信號。注入信號在故障相變電站與接地點間流通，通過檢測設(shè)備沿線查找此注入信號，即可查找出接地點的確切位置，實現(xiàn)故障定位。

低勵磁阻抗變壓器二次額定電流為50A，匝比為1∶3，根據(jù)i1/i2=1/n計算，二次注入信號為40A時，得到注入電網(wǎng)信號最大為13A，是原方法注入信號的25倍，即使經(jīng)10kΩ過渡電阻[7]，仍具有較高的定位精度。

故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式下的S注入法，既加大了注入信號的強度，提高了定位精度，又保證了系統(tǒng)正常運行，不影響向用戶供電，特別是在對故障相實施有效保護的狀態(tài)下，實現(xiàn)了故障定位。

5 系統(tǒng)組成

根據(jù)總體設(shè)計思想，在故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式的基礎(chǔ)上研發(fā)了故障相自動接地成套裝置，裝置由一次接地保護柜和二次控制屏組成，如圖1所示。一次設(shè)備包括單相斷路器、低勵磁阻抗變壓器、零序電流互感器、開關(guān)柜體及相關(guān)附屬配件，二次設(shè)備包括單相接地選相控制單元、接地選線單元、信號發(fā)生器、手持信號接收裝置等。

圖1 故障相自動接地成套裝置示意圖

故障相自動接地成套裝置實時采集變電所母線相/線電壓、零序電壓，根據(jù)零序電壓與線電壓的模角變化判斷系統(tǒng)有無單相接地故障及接地相別。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，控制故障相的單相斷路器快速合閘，在斷路器合閘后，強迫故障相對地等電位，實現(xiàn)人身電擊保護，熄滅接地電弧，避免人身傷害事故發(fā)生。當(dāng)接地性質(zhì)為間歇性接地時，這一裝置可以將不穩(wěn)態(tài)接地轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)金屬接地，避免產(chǎn)生間歇性過電壓。

接地選線單元在單相斷路器動作前后進行錄波，根據(jù)各線路零序電流在單相斷路器合閘前后的變化，采用零序電流特征方程確定接地故障線路[8]。

如接地故障長時間未能恢復(fù)，操作者持手持式信號接收裝置沿接地選線單元選擇的故障回路進行巡視，查找故障點。手持式信號接收裝置顯示接收信號由強變?nèi)鯐r，即為故障點，這樣就完成了單相接地故障定位。

6 主要技術(shù)難點

6.1 判斷接地故障相別

小電流接地系統(tǒng)自動分相接地保護成套裝置的關(guān)鍵在于小信號準確選相算法和快速啟動，也就是要保證系統(tǒng)的靈敏性和準確性。

采用零序電壓與線電壓模角比較方法判斷接地相別，同時采用零序電壓突變量啟動判斷，提高了裝置動作的靈敏性，并使用零序電壓修正法比較理論計算軌跡與實際采樣計算軌跡，提高了裝置動作的準確性。

6.2 選擇接地回路

小電流接地系統(tǒng)接地選線受信號幅值較小、零序電流變化不明顯等因素影響，一直較難解決。此外，自動分相接地保護裝置一般在故障發(fā)生后50ms 內(nèi)動作，要求選線裝置必須具備同步快速啟動的性能。

采用高速數(shù)字信號處理器，采樣速率達到每周波640次，多通道同步對單相斷路器動作前后各回路零序電流和系統(tǒng)零序電壓進行采樣，保證各信號的同步性。接地回路選線利用了自動分相接地保護裝置獨有的動作前后故障回路零序電流會發(fā)生變化的特點，準確率高。

6.3 故障定位

在有效保護狀態(tài)下，零序電壓為系統(tǒng)最大值，此時若故障消失，系統(tǒng)無法根據(jù)零序電壓的變化進行判斷，加之分相保護裝置保護效果明顯，故障點處沒有明顯痕跡，因此為巡視人員確定故障點帶來難度[9-10]。目前單相接地故障定位技術(shù)一般在停電或無有效保護狀態(tài)下實施，在單相接地保護狀態(tài)下的故障定位還基本處于空白[11-13]。將裝置按圖2方式與系統(tǒng)放電間隙、單相斷路器及接地裝置安裝在室外固定圍欄內(nèi)，由單相電力電纜與變電所閑置間隔相連。采用經(jīng)低勵磁阻抗變壓器的二次線圈耦合高頻信號注入系統(tǒng)的方法，有效解決了問題。

圖2 故障相自動接地成套裝置安裝示意圖

7 結(jié)論

中性點不接地系統(tǒng)故障相經(jīng)低勵磁阻抗變壓器接地方式具有消弧、接地選線、過電壓保護等功能，不但可以對人身電擊實現(xiàn)保護，而且可以保護系統(tǒng)設(shè)備，提高供電可靠性，是小電流接地系統(tǒng)的改進，使城區(qū)供電系統(tǒng)成為一種接地轉(zhuǎn)移小電流接地系統(tǒng)。接地方式理論簡單，容易接受，受到技術(shù)人員的歡迎，具有良好的社會效益。

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