10kV線路單相接地保護問題分析及改進

鄭繼遠

?

10kV線路單相接地保護問題分析及改進

鄭繼遠

（萬華化學集團股份有限公司，山東煙臺 264000）

針對中性點不接地系統(tǒng)中的單相接地故障，可以采用7SJ68綜保裝置的靈敏接地故障保護。本文詳細分析了這種保護配置存在的問題，提出了合理的改進思路，并給出具體的實施方案，同時現(xiàn)場驗證了其應用效果。

10kV線路；靈敏接地故障保護；GOOSE；CFC；改進

目前，中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，一般采用微機小電流接地選線裝置，快速判斷故障線路并予以告警或切除。如果系統(tǒng)中電氣間隔數(shù)量過多，采用小電流接地選線裝置在工程實施上就相對困難。針對這種情況，有文獻提出在各饋線裝設西門子7SJ68綜保裝置，配置靈敏接地故障保護，也能很好地反應被保護元件上的單相接地故障。靈敏接地故障保護是利用故障線路和非故障線路零序功率方向不同的特點，實現(xiàn)有選擇性保護。實際運行中，這種分散式配置的單相接地保護因缺乏綜合全系統(tǒng)狀態(tài)分析的手段，仍存在一定的安全隱患，亟需提出有效的改進方案。

1 問題研究背景

某工業(yè)園石化生產(chǎn)區(qū)10kV供電系統(tǒng)采用中心區(qū)域變帶多個裝置變的兩級配電模式，各站一次主接線均為單母線分段、雙電源互為備用的形式，如圖1所示。各級10kV母線分段裝設快切裝置，用于實現(xiàn)兩路電源之間的快速、平穩(wěn)切換。各站10kV饋線裝設7SJ68綜保裝置，配置靈敏接地故障保護等。由于10kV配電網(wǎng)中大量使用電力電纜，系統(tǒng)對地電容電流較大，接地電弧難以自行熄滅，故將單相接地保護動作方式設定為跳閘，上下級設時間級差。下面選取典型故障點K1、K2和K3，詳細分析各處分別發(fā)生單相接地時的保護動作情況。

當故障點K1發(fā)生單相接地時，僅有A05饋線7SJ68綜保裝置判定為正向接地故障，靈敏接地故障保護應動作于跳閘，若保護或開關拒動，則后臺監(jiān)控會持續(xù)發(fā)出系統(tǒng)接地告警，提醒人工介入及時處理。同樣，當故障點K2發(fā)生單相接地時，也僅有A03饋線7SJ68綜保裝置判定為正向接地故障，其余饋線均判定為反向接地故障。然而，當故障點K3發(fā)生單相接地時，A站A03饋線和B站B03饋線的7SJ68綜保裝置均能判定為正向接地故障，理論上應該由B03饋線保護優(yōu)先動作切除故障。此時，如果B03饋線保護或開關拒動，A03饋線接地保護就將延時動作于跳閘，使得B站Ⅰ段母線失電，Ⅰ母失壓啟動快切跳#1進線開關B01，合分段開關B00。B站Ⅰ母及其饋線恢復帶電后，因K3點接地故障并未被切除，又會進一步引起A站A04饋線（即B站#2電源進線上級）靈敏接地故障保護動作，最終造成B站全站失電。某化工企業(yè)就曾發(fā)生過此類事故，使正常生產(chǎn)的工藝裝置緊急停車，帶來十分嚴重的經(jīng)濟損失。

從穩(wěn)定生產(chǎn)運行的角度上看，對于A站饋出至下級站的電源線路，僅希望在本線路上（如故障點K2）發(fā)生單相接地故障時，接地保護才動作于跳閘，而對本線路以外的接地故障不需要跳閘。因此，解決問題的關鍵在于，如何判斷和區(qū)分接地故障點是發(fā)生在電源線路的內部還是外部。

2 改進思路分析

中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)各處的零序電壓基本相同，但由于故障點位置的不同，系統(tǒng)中對地電容電流的分布發(fā)生變化，使得流過各保護安裝處的零序電流方向也并不統(tǒng)一，這或許是解決問題的入手點。

2.1 接地故障分析

以A站饋出至B站的10kV線路L01為例，假定線路兩端均裝設有零序電流互感器并接入7SJ68綜保裝置，對故障點K1、K2和K3發(fā)生金屬性單相接地時流過保護安裝處的零序電流方向分別進行分析。由于正常運行時各站10kV母線均分列運行，故只以各站的Ⅰ段母線來考慮。

1）K1點故障的情況分析

當外部線路上故障點K1發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)Ⅰ段的零序等效網(wǎng)絡如圖2所示。

由圖2可知：①始端零序CT感受到的零序電流為母線流向線路，7SJ68綜保判定為反向接地故障；②末端零序CT感受到的零序電流為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障。

圖2 K1點故障時的零序等效網(wǎng)絡

2）K2點故障的情況分析

當本線路上故障點K2發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)Ⅰ段的零序等效網(wǎng)絡如圖3所示。

由圖3可知：①始端零序CT感受到的零序電流為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障；②末端零序CT感受到的零序電流也為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障。

3）K3點故障的情況分析

當外部線路上故障點K3發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)Ⅰ段的零序等效網(wǎng)絡如圖4所示。

由圖4可知：①始端零序CT感受到的零序電流為線路流向母線，7SJ68綜保判定為正向接地故障；②末端零序CT感受到的零序電流為母線流向線路，7SJ68綜保判定為反向接地故障。

2.2 保護改進思路

通過以上分析可知，當線路外部發(fā)生單相接地故障時，兩側7SJ68綜保裝置對接地方向的判定互不相同，而在線路自身發(fā)生單相接地故障時，始端和末端的7SJ68綜保裝置均判定為正向接地故障，這些特點和區(qū)別將是改進保護的直接依據(jù)。如果將兩側的接地方向判定信號綜合起來，作為單相接地保護的動作或閉鎖條件，理論上完全就能有效區(qū)分線路內、外部故障。對于7SJ68綜保裝置，使用DIGSI CFC（連續(xù)功能圖）編程，可以實現(xiàn)擴展的用戶定義邏輯，如保護閉鎖等。因此，選擇適當?shù)耐ㄐ欧绞?，將兩側的接地方向判定信號分別發(fā)給對側，同時改進靈敏接地故障保護動作邏輯，使其僅在線路內部故障時動作于跳閘。

3 現(xiàn)場具體實施

3.1 零序CT接線

系統(tǒng)三相電壓和零序電壓已經(jīng)分別通過線路PT或母線PT引入各進出線間隔的7SJ68綜保裝置，此處不必再考慮零序電壓的測量問題。在10kV線路兩側開關柜內均設計零序CT，選擇LXZK2型號，額定電流比取50/1，準確度等級為10P10，額定容量為2VA，安裝接線如圖5所示。

圖5 零序CT安裝接線示意圖

3.2 選擇通信方式

繼電保護一般依賴硬接線來傳遞信號，而當控制電纜長度較長且保護裝置I/O端口有限時，將會產(chǎn)生諸多不便。近年來，隨著IEC 61850標準的頒布以及相關工程的推廣實施，采用GOOSE機制的跳閘及聯(lián)閉鎖解決方案已得到廣泛應用。GOOSE是IEC 61850標準定義的一種快速報文傳輸機制，以高速網(wǎng)絡通信為基礎，為變電站保護裝置間的信息交互提供了高效可靠的方法。GOOSE通信取代傳統(tǒng)的硬接線二次回路，主要用于繼電保護中以傳輸跳閘、起動和閉鎖等實時信號。10kV線路兩側的7SJ68綜保裝置通過IEC 61850協(xié)議接入變電站自動化系統(tǒng)中，可以很容易利用GOOSE通信的方式完成接地方向判定等信號的傳輸，如圖6所示。

圖6 GOOSE通信示意圖

3.3 保護邏輯優(yōu)化

利用DIGSI 4.87軟件對10kV線路兩側7SJ68綜保裝置的功能參數(shù)與CFC邏輯作如下修改。

1）在線路兩側的7SJ68綜保裝置中均啟用靈敏接地故障保護功能，具體參數(shù)設置見表1。

表1 7SJ68靈敏接地故障保護功能參數(shù)表

2）在線路兩側的7SJ68綜保裝置中分別定義相關GOOSE信號，并下裝GOOSE發(fā)信、閉鎖保護和聯(lián)跳對側等CFC邏輯，如圖7所示。

圖7 7SJ68靈敏接地故障保護擴展CFC邏輯

當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，如果其中一側7SJ68綜保裝置判定為正向接地，則發(fā)送“GOOSE：正向接地”信號給對側。在整定的動作延時內，若收到對側7SJ68綜保裝置發(fā)出的“GOOSE：正向接地”信號，即鎖定故障點在本線路上，便可開放接地保護出口，否則保護被閉鎖。另外，考慮線路末端開關處于分位（即充電空運狀態(tài)）的情況，末端7SJ68綜保裝置應將開關分位信號與正向接地信號做“或”邏輯后，發(fā)給始端7SJ68綜保裝置用于接地故障判斷。為提高保護動作的可靠性，允許本側保護跳閘的同時，發(fā)送“GOOSE：接地保護跳閘”命令聯(lián)跳對側。

4 測試驗證效果

以10kV線路L01為例，測試單相接地保護經(jīng)上述改進后的工作性能。其保護整定值見表2。

表2 10kV線路L01單相接地保護定值單

現(xiàn)場分別模擬故障點K1、K2和K3發(fā)生單相接地時的不同狀態(tài)，同時對線路兩側的7SJ68綜保裝置進行保護傳動試驗，試驗結果見表3。

表3 10kV線路L01單相接地保護試驗結果

將改進后的試驗結果與改進前分析的保護動作情況進行對比，見表4。

表4 10kV線路L01單相接地保護改進前后對比

通過對比不難看出，10kV線路單相接地保護經(jīng)改進后，僅在發(fā)生線路內部故障時才會動作于跳閘，而在發(fā)生外部故障時不會動作，有效避免了在下級饋線故障時引起的越級跳閘。

5 結論

采用GOOSE通信及CFC編程等方法對10kV線路單相接地保護進行優(yōu)化改進，實現(xiàn)了線路內部故障判別和接地保護選跳的目的，有力地保障了供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。需要注意的是，在實際運行中應當加強對綜保裝置、以太網(wǎng)交換機及通信線路等的日常檢查維護和定期試驗，使得改進后的單相接地保護能發(fā)揮其最佳性能。

[1] 熊婷婷, 曾祥君, 王媛媛, 等. 非有效接地電網(wǎng)單相接地故障選線技術綜述[J]. 電氣技術, 2013, 14(5): 1-6.

[2] 曹團結, 諸偉楠. 西門子高靈敏接地保護裝置的原理分析及應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2001, 25(3): 64-66.

[3] 賀家李, 李永麗, 董新洲, 等. 電力系統(tǒng)繼電保護原理[M]. 4版. 北京: 中國電力出版社, 2004.

[4] 梁睿, 楊學君, 薛雪, 等. 零序分布參數(shù)的單相接地故障精確定位研究[J]. 電工技術學報, 2015, 30(12): 472-479.

[5] 許鐵軍, 李岳. 開關柜中零序電流互感器設計選型[J]. 電氣技術, 2013, 14(3): 45-48, 69.

[6] 朱炳銓, 王松, 李慧, 等. 基于IEC 61850 GOOSE技術的繼電保護工程應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(8): 104-107.

[7] 劉建華, 劉鵬, 張少冉, 等. 智能變電站中性點非有效接地系統(tǒng)接地保護研究[J]. 中國電力, 2014, 47(11): 116-120.

Analysis and Improvement of Single Phase Earth Fault Protection for 10kV Line

Zheng Jiyuan

(Wanhua Chemical Group Co., Ltd, Yantai, Shandong 264000)

For the single phase earth fault in neutral non-grounded power system, the sensitive earth fault protection can be used in the 7SJ68 relay protection device. This paper analyzes the problems existing in the protection configuration, puts forward the reasonable improvement ideas, gives the specific implementation plan, and at the same time, verifies its application effect in the field.

10kV line; sensitive earth fault protection; GOOSE; CFC; improvement

鄭繼遠（1987-），男，山東莘縣人，本科，助理工程師，主要從事電氣運行和檢修工作。