電力系統(tǒng)分界開關誤動問題的研究與解決方案

摘 要：分界開關是供電企業(yè)和用戶責任歸屬的分界點，目前在山東的應用范圍非常廣泛。當單相接地故障發(fā)生時，經消弧線圈補償后的故障電流較小，接地電弧不穩(wěn)定，使得基于穩(wěn)態(tài)量整定的分界開關存在誤動現(xiàn)象，從故障暫態(tài)原理入手，可以使該問題得到可靠解決。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；分界開關；暫態(tài)法；分界判據(jù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.157

0 引言

單相接地故障占電網故障的80%左右，根據(jù)故障持續(xù)時間分為瞬時性、間歇性和永久性故障。諧振接地方式不僅可以自動消除瞬間單相接地故障，還能降低間歇性故障發(fā)生概率，已成為國內中壓配電網主要接地方式。國際上，日本以及歐洲國家（德國、法國、意大利、俄羅斯等）也是采用小電流接地方式。國內外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，經消弧線圈接地故障跳閘率比小電阻接地減少50%左右。

目前，山東電網普遍采用在架空線路責任分界點處（或附近）裝設一臺分界開關，隔離用戶內部故障，確保對非故障用戶的供電。通過動作情況的匯報，發(fā)現(xiàn)其誤動作時有發(fā)生。因此，迫切需要找出諧振接地故障分界檢測技術中存在的問題，提高分界開關正確動作率，避免誤動對非故障用戶造成長時間停電，減小停電范圍，加快接地故障查找與修復速度，提高配電網安全運行水平與供電質量。

1 分界開關誤動原因

針對中性點經消弧線圈接地的配電系統(tǒng)，開展用戶分界開關性能測試，模擬區(qū)內外金屬接地、弧光接地、間歇接地故障，發(fā)現(xiàn)間歇接地故障時分界開關誤動幾率高。

1.1 穩(wěn)態(tài)原因

諧振接地補償電容電流，非故障線路零序電流比故障線路高，殘流小于10A，電流方向相同，不存在零序電流整定值區(qū)間，因整定值設置過低造成誤動。采用工頻濾波算法的普通分界開關控制保護器，濾波后的零序電流幅值偏大，易超過整定值也會引起分界開關誤動。

1.2 暫態(tài)原因

由于接地電流小，接地電弧易于熄滅和重燃，相當比例的接地故障為間歇性弧光接地故障。間歇性故障暫態(tài)過程持續(xù)時間長、暫態(tài)零序電流幅值大。如果按穩(wěn)態(tài)量整定動作值，在出現(xiàn)間歇性接地故障時，因為有一個持續(xù)的暫態(tài)信號搗亂，暫態(tài)幅值遠大于整定值，分界開關誤動。

綜上所述，諧振接地分界開關零序電流與電容電流難以從有效值上可靠區(qū)分，間歇性故障中暫態(tài)零序電流幅值偏大，傳統(tǒng)保護整定值失效，導致分界開關不能正確動作。暫態(tài)量不受消弧線圈的影響，利用其實現(xiàn)分界，能夠提高可靠性。

2 解決方案

2.1 原理分析

暫態(tài)信號的主頻在300～1000Hz，比消弧線圈中的阻抗主頻大6～20倍，可以忽略消弧線圈對暫態(tài)信號的影響，幾乎沒有電感電流存在，暫態(tài)信號幅值大是因為高頻下容抗小，容性電流大。接地故障時，故障相電壓出現(xiàn)下降，電容開始對地放電，非故障相電壓上升，電容進行充電。因此，信號幅值很大。我們的整定值躲過了暫態(tài)信號的最大值，就不會誤動了。

圖1給出了暫態(tài)零序電流分布等效圖，R近似等于3倍的接地電阻加上零序線路電阻；電感近似等于零序線路電感；3lp是接與母線中性點的諧振線圈，經過并聯(lián)C形成回路。電源突然接入瞬間，電感幾乎不起作用，電容相當于短路，暫態(tài)電流很大。因此暫態(tài)分界法不受諧振接地方式的影響。

發(fā)生電弧接地時，每一次重燃均有暫態(tài)分量產生，并且高頻零序電流衰減程度很大，數(shù)值出現(xiàn)明顯的變化，可以用來判斷故障。故障突然發(fā)生瞬間，消弧線圈幾乎不起作用，采用暫態(tài)零序電流法僅需要取故障發(fā)生后一個周波的暫態(tài)量進行分析計算，不受消弧線圈的影響，因此采用此種原理保護控制器的分界開關仍可正確感知故障。

2.2 分界判據(jù)

分界開關安裝在線路末端，其下游線路長度遠遠小于系統(tǒng)中其它部分線路長度之和。當接地故障為系統(tǒng)側時，分界開關處流過的暫態(tài)零序電流僅為用戶側的暫態(tài)零序電流，暫態(tài)零序電流幅值??；而當接地故障位于用戶側時，則分界開關處流過的暫態(tài)零序電流為系統(tǒng)側所有線路的暫態(tài)零序電流之和，將有很高的暫態(tài)零序電流。

線路發(fā)生故障后，沒有故障的區(qū)段兩端的暫態(tài)零序電流幅值相差不大，方向都是從線路流向母線，電流變化曲線相近；故障區(qū)內故障點上游的電流幅值遠大于故障點下游的幅值，區(qū)段兩端的電流方向相反，電流變化曲線存在差異。

暫態(tài)零序電流幅值法通過檢測暫態(tài)零序電流的峰值是否超過電流定值判斷接地故障的方向。整定值首先應可以躲過系統(tǒng)側故障，然后根據(jù)用戶側暫態(tài)零序電流的最大值來整定。因此可以避免間歇性接地故障時系統(tǒng)側誤動。故障出現(xiàn)在分界開關下游時，分界開關處的暫態(tài)零序電流與故障點的接地電流幅值相差不大，暫態(tài)零序電流法的電流定值遠小于流過分界開關電流的最大值，能夠正確識別接地點在下游用戶系統(tǒng)內。

2.3 故障檢測流程

（1）檢測到零序電流超過整定值時啟動算法。

（2）對故障前后數(shù)據(jù)進行錄波。

（3）判斷故障是否在用戶界內。

（4）若為用戶界內永久故障，執(zhí)行跳閘隔離故障。

（5）若為用戶界內瞬時性故障，上傳告警信息。

2.4 故障檢測算法

2.4.1 采集對象

分界開關控制器需采集線路零序電流，為保證檢測的可靠性，采用零序電流互感器直接采集方式。保證在接地電阻較大時的測量精度，合理選擇一次零序CT和二次零序CT的變比以及二者相互匹配。

2.4.2 定值整定

由于暫態(tài)零序電流存在多頻率組合以及其衰減、呈非周期性等特點，準確計算得到暫態(tài)零序的最大值是關鍵點。由于接地故障產生的暫態(tài)零模電流幅值受多種因素影響，如果電流定值設定大，會降低反應下游用戶系統(tǒng)接地故障的靈敏度；如果定值電流定值小，易造成系統(tǒng)側故障時分界開關誤動。

接地電流包含整個網絡形成的電容電流和經消弧線圈產生的電感電流，當消弧線圈發(fā)生有功損耗時，還存在有功電流：

諧振接地電網發(fā)生單相接地時，復合序網如圖2所示，在零序網絡的中性點N經3阻抗接地。其中。

由復合序網可得，線路對地電容產生非故障線路的零序電流，其表達式為，非故障線路的零序電流相位角比零序電壓的相位角超前90度。所以非故障線路零序電流的幅值不受消弧線圈的影響，也不會影響零序電流與零序電壓間的相位關系。

故障線路的零序電流：

為全網電容電流，說明流過消弧線圈的有功電流經故障線路構成回路時，在過補償情況下超前的相角大于90度而小于180度；欠補償時，滯后的相角在90度到180度之間。因此可根據(jù)零序功率檢測故障區(qū)域。

2.4.3 算法說明

研究故障檢測算法包括零序電流采集、定值整定、用戶側電容電流估算原則、自動隔離動作時間定值等。終端在檢測到故障后啟動，按均方根法計算暫態(tài)零序電流幅值多次（每周波1次），計算出暫態(tài)幅值最大值，當暫態(tài)幅值最大值高于判據(jù)定值則判定故障發(fā)生在用戶界內。

實際暫態(tài)電流幅值受多種因素影響，一般認為最大可達穩(wěn)態(tài)電容電流的十倍。實際暫態(tài)電流幅值受多種因素影響，一般認為最大可達穩(wěn)態(tài)電容電流的十倍。如果用戶電容電流是1A，系統(tǒng)故障時，用戶暫態(tài)電流最大不會超過10A。如果定值選為12A，顯然就不會動作。如果用戶側故障，流過分界開關的暫態(tài)電流幾乎是整個系統(tǒng)的暫態(tài)電流，幅值達數(shù)十安倍、上百安培，因此，能夠可靠動作。

3 方案評價

故障量特征量明確，從原理上克服了分界開關現(xiàn)階段采用零序電流進行故障判斷受消弧線圈接地方式及運行方式影響大，不存在定值區(qū)間的問題。對于間歇性故障，采用暫態(tài)零序電流法不會出現(xiàn)受暫態(tài)影響數(shù)值失真而引起誤動的問題。綜上所述，本方案可以從根本上解決目前分界開關誤動頻發(fā)的問題，是一個原理正確、簡單實用的方法。

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作者簡介：張新一（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向：繼電保護及新技術應用。