小電流接地選線綜述

劉仕萍 劉前進(jìn) 石穎

摘要：我國(guó)中低壓（3～66kV）配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地的兩種小電流接地系統(tǒng)。文章首先分析小電流接地故障選線檢測(cè)與保護(hù)的難點(diǎn)，然后從小電流接地選線方法、小電流接地選線裝置、測(cè)試方法及檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)這4個(gè)方面對(duì)小電流接地選線的研究發(fā)展做出介紹，最后對(duì)小電流選線技術(shù)進(jìn)行展望。

Abstract： In China， medium and low voltage （3～66kV） distribution network mostly adopts two small current grounding methods in which the neutral point is not grounded and the arc suppression coil is grounded. This paper first analyses the difficulties of detection and protection of fault line selection for small current grounding， then introduces the research and development of fault line selection for small current grounding from four aspects： the method of fault line selection， the small current grounded fault line selection device， the method of simulation and the technical standard for testing. At last， the technology of fault line selection for small current grounding is prospected.

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);小電流接地系統(tǒng);故障選線;小電流接地選線裝置

Key words： distribution network;small current grounding system;fault line selection;the small current grounded fault line selection device

中圖分類號(hào)：TM862 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0190-03

0 ?引言

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的研究，具有綜合性與技術(shù)性，并與繼電保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、供電可靠性、人身和設(shè)備安全及絕緣水平等多個(gè)方面存在著密切聯(lián)系[1-2]。在我國(guó)中低壓（3～66kV）配電網(wǎng)中，常采用中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地這3種小電流接地方式[3]。小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于線電壓依然三相對(duì)稱，可帶電供應(yīng)1～2小時(shí)，保證了供電可靠性。在故障多發(fā)的配電網(wǎng)中，單相接地故障占80%[4]，若未能及時(shí)處理單相故障，對(duì)地相電壓升高，并且電弧現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致非故障相的最高暫態(tài)電壓提升了2倍，這樣易造成相間短路，導(dǎo)致電網(wǎng)事故擴(kuò)大，對(duì)供電可靠性產(chǎn)生影響。近年來(lái)，在10kV配電網(wǎng)中由于故障接地或線路斷線造成人員傷亡事故發(fā)生。中低壓配電網(wǎng)控制保護(hù)目標(biāo)有2方面要求：提高供電可靠性和保護(hù)人身安全。因此，小電流選線裝置的規(guī)范設(shè)計(jì)和入網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化水平、消除人身安全隱患和避免接地過(guò)電壓造成事故擴(kuò)大有著十分重要的意義。

1 ?小電流接地故障選線檢測(cè)與保護(hù)的難點(diǎn)

①故障電流?。涸谶@類電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流經(jīng)故障點(diǎn)的電容電流其數(shù)值一般不超過(guò)20～30A（故該類電網(wǎng)也被稱小接地電流電網(wǎng)）。尤其在諧振接地系統(tǒng)中，因?yàn)橄【€圈對(duì)故障點(diǎn)電容電流的補(bǔ)償作用，故障線路的電流變化甚至小于非故障線路的變化。經(jīng)過(guò)電流互感器將零序電流變換至二次側(cè)，故障信號(hào)相比負(fù)荷電流是很小的。

②故障信號(hào)提取不易：考慮到配網(wǎng)接地方式、過(guò)渡電阻及電弧故障的影響，目前小電流接地選線裝置多采用暫態(tài)量比較法選線，但由于暫態(tài)信號(hào)衰減速度較快，則要求選線裝置的采樣率精度較高。

③故障電弧不穩(wěn)定：在單相接地中弧光接地發(fā)生的概率較高，故障點(diǎn)電流不穩(wěn)定，并且弧光接地持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易導(dǎo)致故障點(diǎn)燒熔發(fā)展成金屬性接地，影響了一些選線方法的正確選線。

④配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響：配電網(wǎng)的運(yùn)行方式不斷變化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配網(wǎng)變電站線路的長(zhǎng)度和數(shù)目是隨著電網(wǎng)需求變化的。并且配網(wǎng)電壓等級(jí)不同及接地電阻的大小都會(huì)影響電流不穩(wěn)定。

2 ?小電流單相接地故障電網(wǎng)特征

小電流系統(tǒng)單相接地故障基本特征有：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)線電壓依舊保持對(duì)稱，零序電壓與故障相的系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓等值反向，非故障線路的零序電流的大小和方向與系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下對(duì)地電容電流值一致，故障線路的零序電流其數(shù)值等于全系統(tǒng)非故障線路對(duì)地電容電流之和，電容性無(wú)功功率方向是由線路流向母線，極性與非故障線路相反。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，供電可靠性高等優(yōu)點(diǎn);也存在絕緣性要求高，設(shè)備在惡劣環(huán)境中易被擊穿等缺點(diǎn)。該種接地方式適用于35kV以下的中低壓配網(wǎng)。在諧振接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈的過(guò)補(bǔ)償作用，故障饋線零序電流的幅值和相位均發(fā)生改變，使得系統(tǒng)的工頻量失去了基本的故障特征。由于暫態(tài)電流不受消弧線圈的影響，在故障發(fā)生初級(jí)階段經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程可近似認(rèn)為一致，并且弧光接地和間歇性接地暫態(tài)分量更豐富，暫態(tài)法選線成為小電流接地故障選線技術(shù)中發(fā)展的新方向。小電流接地系統(tǒng)中電流分布方向如圖1所示。

3 ?小電流接地選線的研究發(fā)展

3.1 小電流接地選線方法

不同國(guó)家因?yàn)榄h(huán)境和歷史的差異有著不同的配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式。目前，各國(guó)有以下這幾種接地方式作為主流：英國(guó)、美國(guó)主要采用有效接地方式;俄羅斯與日本主要采用非有效接地方式;法國(guó)接地方式實(shí)現(xiàn)了從有效接地到經(jīng)消弧線圈接地的有效方式的過(guò)渡;德國(guó)主要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式;芬蘭采用中性點(diǎn)不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式所占比例為80%和20%;中國(guó)主要采用中性點(diǎn)不接地及經(jīng)消弧線圈方式。針對(duì)不同的中性點(diǎn)接地方式，在處理小電流系統(tǒng)單相接地故障的過(guò)程，國(guó)內(nèi)外會(huì)采取相似的處理方式進(jìn)行選線來(lái)隔離故障。因此，為了隔離小電流接地系統(tǒng)單相故障，不同國(guó)家在小電流接地選線算法的發(fā)展也是相同的。其中，選線方法可根據(jù)信號(hào)方式的不同分類為被動(dòng)式和主動(dòng)式選線方法，被動(dòng)式的選線方法又可分類為基于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的選線方法和基于暫態(tài)信號(hào)的選線方法。主動(dòng)式選線方法有中電阻法、S注入法和殘留增量法等[5-6]，可根據(jù)交變的電信號(hào)來(lái)確定故障線路。

穩(wěn)態(tài)選線法的選線依據(jù)是：當(dāng)發(fā)生接地故障后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，根據(jù)故障和非故障支路中零序電流電壓的幅值、方向的不同進(jìn)行選線。面對(duì)的核心問(wèn)題是需要綜合考慮并分析配網(wǎng)中各條故障與非故障支路的不同特征，以此準(zhǔn)確的判別出二者。穩(wěn)態(tài)選線法的主要選線方法有群體比幅比相法、諧波法分析法、零序?qū)Ъ{法及零序功率方向法等。然而，暫態(tài)選線法的主要思想：通過(guò)信號(hào)處理工具分析配網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后系統(tǒng)流經(jīng)的暫態(tài)零序電流量，根據(jù)制定的相應(yīng)判據(jù)方法選擇故障支路，并且選線結(jié)果的正確與否關(guān)鍵點(diǎn)在于相應(yīng)故障特征判據(jù)的制定。暫態(tài)選線法的主要選線方法有首半波法、能量法、有功功率法及小波法等[7-8]。

目前，使用單一的選線方法無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的配網(wǎng)情況，融合選線方法的提出可解決這一難題。融合選線方法有模糊集理論、D-S證據(jù)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及粗糙集理論等方法。此類方法可為每類選線判據(jù)界定有效域，即每類選線算法在界定的有效域區(qū)間選線正確率為100%，在非有效域區(qū)間得出的選線結(jié)果則需要乘以一定的權(quán)重系數(shù)，通過(guò)利用信息融合的思想結(jié)合多種選線判據(jù)，可在選線準(zhǔn)確度方面有一定的提升。

3.2 小電流接地選線裝置

小電流接地選線裝置適用于小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)應(yīng)能及時(shí)選擇故障線路，還應(yīng)具備跳閘功能，能在給定時(shí)限內(nèi)迅速隔離故障，節(jié)約人力。長(zhǎng)期以來(lái)，人們致力于研發(fā)出多種檢測(cè)方法及選線裝置，但選線裝置運(yùn)用于實(shí)際工程的效果不夠理想，有原理上的缺陷、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)上的不足，甚至是因?yàn)闆]有將其作為繼電保護(hù)裝置來(lái)對(duì)待，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和售后服務(wù)等都未引起足夠的重視。這些因素都直接或間接的導(dǎo)致了該類產(chǎn)品的質(zhì)量不佳。因此，需要為小電流接地選線裝置制定統(tǒng)一的運(yùn)行管理和檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選線裝置從生產(chǎn)到投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)都需要進(jìn)行全面檢測(cè)，保證裝置的實(shí)際工程效果。

近15年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，選線理論及硬件處理器都得到了較大的改進(jìn)。目前，大多數(shù)小電流選線裝置都選取微控制處理器作為核心，具有集成度高并且經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用?？紤]到單CPU綜合性能較差，當(dāng)前許多廠家都采用“DSP +單片機(jī)”或“DSP+ARM”的雙CPU配置，在控制和高速處理復(fù)雜選線算法方面都得到了較大的提升，也是現(xiàn)在選線裝置的一種發(fā)展趨勢(shì)?？紤]到不同國(guó)家的接地方式不同，并且電氣裝置的技術(shù)規(guī)范和使用標(biāo)準(zhǔn)不同，設(shè)備的引進(jìn)和使用需明確配網(wǎng)的環(huán)境。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，2017年前南方電網(wǎng)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的小電流選線裝置，其裝置選線準(zhǔn)確率不超過(guò)70%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)選線裝置存在如下問(wèn)題：①選線裝置應(yīng)與重合閘配合使用，但當(dāng)小電流系統(tǒng)發(fā)生永久性接地故障時(shí)，裝置選線跳閘成功后重合閘于永久性故障，選線裝置仍舊需要根據(jù)選線算法再次進(jìn)行故障選線運(yùn)算，并經(jīng)過(guò)設(shè)定延時(shí)才能切除故障，不能夠及時(shí)切除故障;②當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，由于故障特征量微弱選線裝置一般未能啟動(dòng)選線切除故障，此時(shí)仍舊采用獨(dú)立輪切裝置配合或人工拉路法處理，大大增加了故障切除時(shí)間和運(yùn)行人員工作量。因此，根據(jù)上述配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行需求，針對(duì)小電流接地選線裝置選線準(zhǔn)確率較低、功能不完善等問(wèn)題，選線裝置的選線功能有待進(jìn)一步優(yōu)化與完善。為此，南方電網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種新型小電流接地選線裝置設(shè)計(jì)方案，方案中新增設(shè)輪切和后加速功能，確保選線裝置在各種類型接地故障工況下都應(yīng)該快速選出并切除故障線路，保證供電可靠性和人身安全。其中：后加速功能可使選線裝置在線路重合閘于永久性故障情況下加速跳閘，迅速切除故障，大大縮短了故障線路切除時(shí)間;輪切功能適用于跳閘選線失敗或高阻接地故障工況，當(dāng)故障發(fā)生接地選線裝置未能正確選線跳閘時(shí)應(yīng)啟動(dòng)輪切功能輪流切線直至切除故障線路，具有智能化、快速性及節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 小電流接地選線裝置測(cè)試方法

目前，檢測(cè)可靠性最高的是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將小電流接地選線裝置接入配網(wǎng)運(yùn)行，人為設(shè)置接地故障，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)故障模擬規(guī)模會(huì)受到限制，并且可能引發(fā)人身安全隱患。配網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)也可用來(lái)搭建配網(wǎng)模型模擬故障環(huán)境，可對(duì)選線裝置硬件及軟件進(jìn)行驗(yàn)證，但該種測(cè)試方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以二次調(diào)整，運(yùn)行效率低，且構(gòu)造的配網(wǎng)模擬不夠精確。此外，設(shè)備出廠時(shí)也會(huì)通過(guò)專用的信號(hào)發(fā)生器或繼電保護(hù)儀器等進(jìn)行一系列測(cè)試，信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備可按設(shè)定輸出模擬的故障電壓電流信號(hào)，對(duì)選線裝置進(jìn)行功能設(shè)置，但該類檢測(cè)手段只能對(duì)故障穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬，無(wú)法模擬暫態(tài)信號(hào)，不利于根據(jù)暫態(tài)法進(jìn)行選線的裝置檢測(cè)。以上這幾類測(cè)試在配網(wǎng)故障環(huán)境模擬準(zhǔn)確性、安全性等方面都不能得到滿足。

為解決上述問(wèn)題，可通過(guò)MATLAB、EMTP/ATP、PSCAD、RTDS等電磁暫態(tài)仿真進(jìn)行模擬配網(wǎng)結(jié)構(gòu)及發(fā)生單相接地故障的實(shí)際運(yùn)行工況。相比于動(dòng)模測(cè)試及入網(wǎng)試驗(yàn)，使用仿真軟件能夠更為靈活的進(jìn)行各類參數(shù)設(shè)置，較為全面地模擬配網(wǎng)故障場(chǎng)景。其中，MATLAB、EMTP/ATP、PSCAD等仿真軟件僅可通過(guò)模擬故障信號(hào)對(duì)各類選線算法進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)法和選線裝置直接連接構(gòu)成閉環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)，不能實(shí)時(shí)顯示仿真運(yùn)行狀態(tài)。然而，RTDS（Real Time Digital Simulation）仿真系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、閉環(huán)、連續(xù)及數(shù)字仿真的優(yōu)勢(shì)，取代了傳統(tǒng)動(dòng)模測(cè)試，可與控制保護(hù)裝置進(jìn)行閉環(huán)連接進(jìn)行功能性測(cè)試，并且能夠詳細(xì)地記錄測(cè)試仿真波形。利用RTDS系統(tǒng)測(cè)試小電流接地選線裝置性能是一種比較靈活、經(jīng)濟(jì)、可靠性較高的測(cè)試方法[9-10]。

3.4 小電流接地選線裝置檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

從上世紀(jì)80年代小電流接地選線裝置的研發(fā)成功，投入運(yùn)行后因?yàn)樵O(shè)備選線成功率不高、選線方法單一、設(shè)備運(yùn)維檢修不當(dāng)、零序CT精度不夠等缺點(diǎn)導(dǎo)致其紛紛退出市場(chǎng)。存在問(wèn)題的根本原因主要在于小電流選線裝置缺乏統(tǒng)一的運(yùn)行管理和檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此小電流接地選線的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)范是十分重要的。目前，國(guó)家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)針對(duì)采購(gòu)的小電流接地選線裝置相繼提出相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選線裝置需要通過(guò)檢測(cè)測(cè)試才能入網(wǎng)運(yùn)行。

接地選線裝置入網(wǎng)前必須經(jīng)過(guò)統(tǒng)一全面的入網(wǎng)檢測(cè)，測(cè)試方式可包含動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試、靜態(tài)模擬性能檢驗(yàn)、電磁兼容性檢驗(yàn)及通信項(xiàng)目檢測(cè)這4個(gè)方面，應(yīng)用相關(guān)規(guī)范性引用文件。一方面確保了小電流接地選線裝置的產(chǎn)品質(zhì)量滿足入網(wǎng)要求，另一方面能夠逐步提高選線成功率，能夠保證接地選線裝置準(zhǔn)確快速地切除故障，減輕運(yùn)行人員的工作壓力。

4 ?總結(jié)與展望

文章從小電流接地選線方法、小電流接地選線裝置、測(cè)試方法及檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)這4個(gè)方面對(duì)小電流接地選線的研究發(fā)展做出介紹。然而要實(shí)現(xiàn)小電流選線裝置能夠做到100%正確切除故障，依然存在許多地方需要進(jìn)一步研究和完善，比如有：

①小電流選線裝置零序電壓定值整定：選線裝置主要通過(guò)零序電壓定值設(shè)定來(lái)判斷是否發(fā)生故障接地。目前零序電壓門檻較多設(shè)置為30V，但實(shí)際情況證明該值難以滿足新的運(yùn)行需求。有文獻(xiàn)提及零序電壓最小可按5%的額定電壓，系統(tǒng)上設(shè)計(jì)即難以滿足，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)也證明：不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，超10V情況不少;消弧線圈接地運(yùn)行方式下，極端情況出現(xiàn)零序電壓為15.38V的情況。因此，零序電壓定值的設(shè)定如何能在靈敏與可靠之間取得平衡，或者采用其他靈敏可靠的判據(jù)來(lái)判定故障啟動(dòng)裝置。

②更靈敏、可靠的故障檢測(cè)技術(shù)研究：關(guān)于小電流系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障的理論研究有待進(jìn)一步深入。并且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式電源的引入、各種電力電子負(fù)載的影響及配網(wǎng)的復(fù)雜化也會(huì)影響選線裝置的準(zhǔn)確率，研究出更為靈敏、可靠的故障檢測(cè)技術(shù)是十分需要的。

③特殊故障處理方案的提出和實(shí)現(xiàn)：雖然仿真模擬可以模擬配網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況，但實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生的故障是無(wú)規(guī)律和不可預(yù)測(cè)的，故障現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境也更為惡劣。針對(duì)特殊故障，需要有特殊處理方案。比如說(shuō)間歇性故障，可采用啟動(dòng)返回延時(shí)展寬法、定間隔統(tǒng)計(jì)法及等效熱模型累計(jì)法等方法。各種處理方法都存在一定的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，還需進(jìn)一步積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，深入研究。因間歇性故障特殊，與重合閘配合關(guān)系復(fù)雜。如存在間歇時(shí)間大于重合閘充電時(shí)間的情形，則需特殊考慮。

小電流接地選線裝置的投入運(yùn)行是為了保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行和人身安全，因此，隨著配網(wǎng)的發(fā)展，選線裝置的研究需要進(jìn)一步深入，選線保護(hù)檢測(cè)也更應(yīng)該從人身安全方面考慮。

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