消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置的研發(fā)

文/張浩

1 研究（項目）背景概述

小電流接地選線是長期困擾配網(wǎng)運行的一個世界性難題，其中，中性點不接地系統(tǒng)的選線技術(shù)經(jīng)過國內(nèi)科技人員長期不懈的努力，目前已取得了較大進展，國內(nèi)使用較好的選線裝置選線準(zhǔn)確率可以達到90%以上，基本滿足電力運行人員的最低要求，但隨著城市化的發(fā)展，電纜化率要求的提高，消弧線圈系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，據(jù)國網(wǎng)公司16年統(tǒng)計，目前中性點不接地方式的變電站占68.5%，采用消弧線圈接地方式的占28.2%，低電阻方式占3.3%，不接地方式的站主要是農(nóng)村偏遠地區(qū)，而城市除了幾個超大城市核心區(qū)采用低電阻接地方式外，大多主要采用消弧線圈接地方式或準(zhǔn)備改造成消弧線圈接地方式，我們知道，接地選線的基本原理是發(fā)生單相接地后，接地線路的電容電流等于非接地線路的電容電流的總和，其方向則與非接地線路相反，依據(jù)這樣的基本原理，人們發(fā)明了各種各樣的選線方法，對于中性點不接地系統(tǒng)的選線取得了一定效果。然而上述原理卻不能用于消弧線圈接地系統(tǒng)，因為消弧線圈的電感電流不僅補償?shù)袅私拥鼐€路的電容電流使其幅值變得較小，而且，過補償狀態(tài)造成方向也發(fā)生了變化，原來基于幅值和方向的方法完全失靈了，因此消弧線圈系統(tǒng)的選線成為了難上加難的難題。

針對這個難題，科技人員一直在不斷努力，如這幾年比較流行的暫態(tài)法，利用接地一瞬間接地線路和非接地線路的波形不同來識別接地線路，但該方法也受到接地狀態(tài)的影響，有時特征并不明顯造成識別錯誤，因此暫態(tài)法雖然比原來的 選線效果有了明顯提升，但離用戶要求還有較大差距。

2 技術(shù)難點分析

小電流接地選線的識別方法主要有2大類，侵入式和非侵入式。侵入式的代表方法有早期的S注入法，小擾動法和并中電阻法等，其中S注入法及小擾動法由于選線準(zhǔn)確率不高已很少有人用，而并中電阻法則由于會對系統(tǒng)運行帶來沖擊而被謹(jǐn)慎使用。

非侵入式方法主要是依據(jù)電網(wǎng)運行時的參數(shù)如零序電壓、零序電流、行波狀態(tài)等在接地時的變化來進行識別，不會對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生任何干擾，更受用戶青睞。

非侵入式選線方法主要有穩(wěn)態(tài)發(fā)、暫態(tài)法、綜合法、行波法、小波法等，單純的穩(wěn)態(tài)法由于其單一方法的局限性目前已較少少采用，而行波法、小波法只在研究探索階段還不成熟。

暫態(tài)法的基本原理是首先讀取接地一瞬間零序電壓級各支路零序電流的波形，根據(jù)接地線路和非接地線路波形的幅值和相位不同進行識別，但由于接地狀態(tài)的不同，如高阻接地和過零接地時，接地線路和非接地線路波形的差別很不明顯，會造成識別錯誤。因此該方法也有局限性，選線準(zhǔn)確率有時高有時不高，還有待進一步提高，

襄陽科能公司08年開發(fā)成功了基于模糊理論方法的多判據(jù)綜合選線方法。模糊理論多判據(jù)綜合選線方法，將“比幅比相、首半波、功率方向和高次諧波”等多種識別方法的數(shù)據(jù)融合在一起，克服了單一選線方法雖有一定的效果但適應(yīng)性差的問題，在中性點不接地系統(tǒng)的大量變電站推廣使用，取得了總體選線準(zhǔn)確率達到98%以上的良好效果，得到了廣大用戶的積極評價，也在2015年通過了“中國電力企業(yè)聯(lián)合會”的鑒定，認(rèn)為該技術(shù)達到了“國內(nèi)領(lǐng)先水平”。

但是該方法在消弧線圈接地系統(tǒng)的使用上，卻遇到了很大的麻煩，主要是消弧線圈投運后改變了零序電流的幅值與相位特性，使得原有的以基波信號分析為主的方法失效了，雖然結(jié)合了首半波這樣的暫態(tài)分析方法，但由于信號太小，不能提供有效的信息，故實際使用的選線準(zhǔn)確率只有30%左右。

3 解決方法探討

襄陽科能公司針對原綜合選線方法的不足，在17年又開始了針對消弧線圈接地系統(tǒng)的選線方法的研發(fā)，我們認(rèn)真分析了選線方法失敗的原因在于消弧線圈投入后改變了零序電流的幅值與相位特性，但由于由于消弧線圈是針對50HZ工頻信號設(shè)計的，它改變的主要是工頻狀態(tài)的幅值與相位特性，而對5次諧波依然符合故障線路零序電流等于非故障線路零序電流的總和而方向相反的特性，雖然我們原有的選線方法也考慮了融合“5次諧波”選線方法的數(shù)據(jù)，但由于“5次諧波”在整個零序電流中的比例只有3%-5%，幅度太小，而由于互感器精度以及電網(wǎng)波動等原因形成的噪音也是這個數(shù)量級，這樣5次諧波的信噪比太低，會造成分析方法的失效，使原有的“5次諧波”分析方法未能起到應(yīng)有的作用。

針對“5次諧波”分析方法失效的問題，我們發(fā)明了一種數(shù)據(jù)采集分支器，該數(shù)據(jù)采集分支器也已獲得國家發(fā)明專利。該處理器工作原理是，由于我們的綜合選線即要使用基波信號又要使用5次諧波信號，但5次諧波信號由于信號太小造成信噪比太低，故我們將每路零序信號采集變換后分為2路，一路直接進入A/D轉(zhuǎn)換器，而另一路經(jīng)5次諧波選頻電路選頻后放大到與基波同等的數(shù)量級，然后再送入A/D轉(zhuǎn)換器，這樣使基波與5次諧波的信噪比相當(dāng)，有利于發(fā)揮5次諧波分析方法的作用，提高了針對消弧線圈接地系統(tǒng)選線的有效性。

4 新的數(shù)據(jù)采集處理分支器—N8型數(shù)據(jù)采集分支器 達到設(shè)計要求概述

科能公司自17年開始設(shè)計新的數(shù)據(jù)采集處理分支器—N8型數(shù)據(jù)采集分支器，經(jīng)過不斷地改進和試驗，目前已成功達到設(shè)計要求，然后公司又對主機軟件進行相應(yīng)的修改和升級，使其適應(yīng)新的分支器的算法，今年上班后又在公司開發(fā)制作的模擬變電站仿真試驗臺上做了幾千次試驗，經(jīng)過不斷改進，最終達到消弧線圈系統(tǒng)選線準(zhǔn)確率可達90%左右的實驗室效果，實現(xiàn)了針對消弧線圈接地系統(tǒng)的小電流選線技術(shù)的又一突破。

本系統(tǒng)采用上下位機構(gòu)成的分布式結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)包括主機、數(shù)據(jù)采集分支器、高精度零序電流互感器三部分。通常，一個變電站只需一臺選線主機和若干臺信號采集分支器以及若干臺零序電流互感器組成一個完整的分布式接地選線系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.1 選線主機

選線主機是整個系統(tǒng)的指揮控制中心，它主要完成以下任務(wù)：

（1）四段相電壓的監(jiān)測，一旦發(fā)生接地故障立即進入故障分析處理程序。

圖1：分布式小電流接地選線系統(tǒng)示意圖

圖2

（2）故障分析處理程序：主機讀取各數(shù)據(jù)采集分支器傳來的數(shù)據(jù)，采用模糊理論的方法對數(shù)據(jù)進行分析，得出正確的選項結(jié)果。

（3）管理好人機接口：包括按鍵的處理、液晶顯示畫面的處理、打印機的管理等。

（4）通訊處理任務(wù)：包括與各數(shù)據(jù)采集分支器的通訊處理和與外部接口的通訊處理。

（5）為了實時并行處理以上多任務(wù)嵌入了RTX_51實時操作系統(tǒng)，以保證各任務(wù)之間的協(xié)調(diào)配合。

選線主機可同時管理接入戶內(nèi)式分支器30只，戶外式分支器90只；所有分支器與主機間的數(shù)據(jù)通訊都并聯(lián)在同一根4芯電纜線上，零序電流互感器套裝在被測高壓線上，分支器的跳閘繼電器輸出接口可與高壓開關(guān)的跳閘回路連接，4段母線PT的二次電壓回路與主機的PT接線端子連接，中文顯示的液晶屏、打印機、7個按鍵在前面板上，RS485通訊接口和繼電器的無源接點輸出可與電力綜合自動化微機保護聯(lián)接。

4.2 數(shù)據(jù)采集分支器

每只數(shù)據(jù)采集分支器都有一個單片機（工業(yè)級小電腦），其作用是對來自于零序電流互感器的信號進行預(yù)處理，新的N8型數(shù)據(jù)采集分支器采用了對零序信號基波和5次諧波信號分別處理的新方法，使5次諧波分析法能更好地發(fā)揮作用。正常情況下其對各分支的零序信號進行檢測并保持對數(shù)據(jù)緩存區(qū)數(shù)據(jù)的刷新，而故障狀態(tài)時則對故障信息進行預(yù)處理，處理完的信息再送選線主機，從而大大減輕了主機的負擔(dān)，提高了選線的時效性。

4.3 高精度零序電流互感器

為了更好的保證選線效果，我們自行研發(fā)了高精度的LXMZ-10型母線式零序電流互感器和LXMZ-10W型戶外母線式零序電流互感器，由于互感器的不平衡電流非常小，且靈敏度又很高，可使保護、選線裝置的可靠性大大提高。

4.4 模擬仿真試驗臺

模擬仿真試驗臺是用低壓（380V）真實的元器件仿真變電站的結(jié)構(gòu)而搭建的試驗裝置，該裝置比原小電流選線國標(biāo)中的功能性試驗電路更好地反映變電站單相接地故障的真實情況，因此近幾年無論是以陜西電科院為代表的國網(wǎng)科研機構(gòu)，還是南網(wǎng)廣西科研院等紛紛采用此類裝置進行了選線功能試驗，而科能公司限于條件只是搭建了380V低壓試驗平臺，下一步準(zhǔn)備去陜西電科院做進一步試驗，以驗證和改進效果。

科能仿真試驗平臺結(jié)構(gòu)如圖2。

共有2個主變分2個段，每段6條出線，兩段可以分列或并聯(lián)運行。

陜西電科院的試驗裝置結(jié)構(gòu)比我們簡單，只有一個主變壓器1個段3條出線，主要區(qū)別是它將市電先升為10kV然后所有元器件均采用10kV器件，更能真實反映高壓時的狀態(tài)，也更接近變電站的真實情況。

5 應(yīng)用前景分析

近年來，由于10KV配電線路斷線或接地故障造成的人身傷亡事故時有發(fā)生，尤其是2018年多地暴雨造成內(nèi)澇發(fā)生電死電傷人的情況，在社會上造成了嚴(yán)重不良影響，迅速解決目前小電流接地選線準(zhǔn)確率不高的問題刻不容緩。

目前，僅國網(wǎng)系統(tǒng)就擁有8297座變電站采用消弧線圈接地方式，而包括南網(wǎng)、地方電網(wǎng)及企業(yè)變電站在內(nèi)的數(shù)量就更多，這些站大多分布在城市中心區(qū)和部分城市化較好的中心鎮(zhèn)或工業(yè)區(qū)，都是經(jīng)濟發(fā)達和人員稠密的地方，這些地方一旦發(fā)生電相接地故障而不能及時查找和隔離故障，將給人民群眾的生命及財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅，而目前由于接地選線技術(shù)水平不高，使運行人員不能相信自動選線的結(jié)果，依舊靠人工試?yán)姆绞竭x線，不僅操作麻煩效率不高，而且造成故障隱患長時間存在，無法滿足新的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》對小電流接地故障處理時間一般10S內(nèi)的要求，因此好的選線裝置不僅避免了非故障線路試?yán)斐傻墓╇姄p失，更重要的是能及時消除故障隱患，保證了人民群眾生命及財產(chǎn)安全，提高供電公司的社會形象，我們希望通過我們的多方努力能更好地解決好小電流接地選線尤其是針對消弧線圈系統(tǒng)的小電流接地裝置準(zhǔn)確率不高的問題，為我國的電力自動化技術(shù)的發(fā)展貢獻我們的力量。