信號源注入式接地選線技術(shù)在110 kV燕子山變電站的應(yīng)用

李永霞

（大同煤礦集團電業(yè)公司山西大同037003）

0 引言

同煤10/6 kV供電系統(tǒng)均采用中性點不直接接地方式，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，在該系統(tǒng)正常運行的三相用電設(shè)備并未受到影響，電力系統(tǒng)的相關(guān)運行規(guī)程要求運行不得超過2小時，但在實際應(yīng)用中尤其是煤礦供電系統(tǒng)中由于接地電弧極易產(chǎn)生二次災(zāi)害，而且非故障相絕緣壓力增大易發(fā)展成相間故障，引起短路事故，甚至造成大面積停電，危及煤礦安全生產(chǎn)，因此快速準(zhǔn)確的選出故障線路是非常必要的，還可以避免對非故障線路的不必要倒閘操作，保持供電的連續(xù)性。在小電流接地系統(tǒng)中單相接地的選線一直是當(dāng)前困擾同煤電網(wǎng)安全運行的技術(shù)難點，目前國內(nèi)眾多關(guān)于解決小電流接地系統(tǒng)單相接地故障診斷的方法和產(chǎn)品還不能很好的解決問題，還有一些難以克服的缺點和局限。

1 選線裝置存在的問題

我公司所轄部分變電站10/6 kV系統(tǒng)已有多種原理的接地選線裝置運行。在這些原理中，有的裝置使用穩(wěn)態(tài)分量法，采用零序電流比幅比相法作為判據(jù)，但在采用經(jīng)消弧線圈接地時，由于消弧線圈的過補償作用使得單相接地時接地電流較小，甚至呈感性，故障特征變微弱，從而選線變得困難；有的裝置使用諧波分量法，采用五次諧波比幅法作為判據(jù)，但在實際運行的電網(wǎng)中由于其它非線性設(shè)備的運行、干擾和諧波污染等原因，從而影響了接地選線的準(zhǔn)確性和選擇性。為彌補五次諧波比幅法的不足，很多接地選線裝置采用基于小波分析法和首半波法的暫態(tài)分量法，如果接地故障發(fā)生在電壓的零點附近這樣就不能測定首半波，這種情況在其它10/6 kV供電系統(tǒng)變電站也普遍存在。

上述的零序電流法、五次諧波法、首半波法等檢測單相接地故障的方法都是被動的，受系統(tǒng)運行方式的變化、諧波電流的污染、消弧線圈的不同脫諧度等原因，直接影響被動方式檢測單相接地故障的準(zhǔn)確性和選擇性，我們在實際使用過程中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時選線準(zhǔn)確率很低，變電站操作及檢修人員不能及時發(fā)現(xiàn)哪一回路出現(xiàn)單相接地故障，更無法進(jìn)一步將故障切除，給操作人員帶來一定的盲目性。

2 合作開發(fā)的兩種裝置簡介

信號注入法，主動提供測量信號，從而獲得特征值，用于選線，此種技術(shù)越來越多的被研究應(yīng)用，我們與北京天能繼保電力科技有限公司合作，研究通過投入注入式信號源裝置，改變小電流接地系統(tǒng)的運行方式，結(jié)合該公司DSI5100系列相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用和開發(fā)經(jīng)驗，在國內(nèi)首次提出并采用導(dǎo)納變化量判據(jù)，輔以零序電流變化量判據(jù)和零序阻性電流判據(jù)研制出了一種新的小電流選線裝置，理論分析表明裝置具有很高的靈敏度。

2.1 IDA-5500注入式信號源成套裝置

本裝置是由電阻器、開關(guān)、熔絲等一次設(shè)備以及控制器IDA5501組成?；驹硎?系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，在變電站中性點短時投切一組電阻負(fù)載并聯(lián)到消弧線圈上，從而改變小電流接地系統(tǒng)的運行方式，以此產(chǎn)生特征值的明顯變化，構(gòu)成相應(yīng)故障判據(jù)，實現(xiàn)故障診斷功能。系統(tǒng)原理及柜體尺寸如圖1所示：

IDA5501控制器對變電站內(nèi)母線電壓進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到母線零序電壓發(fā)生改變，以及故障相電壓降低，非故障相電壓升高等單相接地故障的特征后，依據(jù)裝置啟動判據(jù)，確認(rèn)單相接地故障發(fā)生，控制信號源裝置投切電阻器，完成電阻器的接入和斷開。通過對電阻的編碼控制，產(chǎn)生疊加在負(fù)載電流上的編碼電流信號，為單相接地故障的檢測提供特定的信號特征量。

圖1 信號源系統(tǒng)原理及柜體尺寸

2.2 DSI 5164小電流接地選線裝置

本裝置三種判據(jù)及母線絕緣監(jiān)察判別方法分別敘述如下：

（1）零序?qū)Ъ{變化量判據(jù)

在發(fā)生單相接地故障后，在變電站中性點短時投切一組電阻器并聯(lián)到消弧線圈上（如圖2所示），將其作為戶外信號源裝置，從而改變小電流接地系統(tǒng)的運行方式，以此產(chǎn)生零序?qū)Ъ{特征值的明顯變化，構(gòu)成相應(yīng)故障判據(jù)，實現(xiàn)接地故障診斷功能。

圖2 變電站中性點投切負(fù)載示意圖

式中：Y′0—信號源投入后零序?qū)Ъ{，Y0—信號源投入前零序?qū)Ъ{；Kmod—主判據(jù)整定值；其主要與電阻器阻值R0、裝置測量計算誤差、暫態(tài)過渡時間常數(shù)等因素有關(guān)。Kmod值選取以信號源電阻器阻值R0作為參考，取為：Kmod=(0.05～0.2)/(3R0)。

零序?qū)Ъ{變化量判據(jù)同樣存在各類干擾，容易造成裝置的誤判，如配電網(wǎng)運行方式變化等。由于使用零序?qū)Ъ{變化量判據(jù)的小電流選線裝置可以獲取零序電壓，因此使用零序電壓作為輔助判據(jù)，即：U0＞Kf

式中:U0—測量點零序電壓值，Kf為整定值。

以上兩式構(gòu)成小電流接地系統(tǒng)單相故障選線定位零序?qū)Ъ{變化量原理，滿足以上兩式則判定為單相接地故障線路，同時根據(jù)相電壓值判斷接地相。

（2）零序電流變化量判據(jù)

信號源投入前后零序網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生變化，零序網(wǎng)絡(luò)的變化將會造成網(wǎng)絡(luò)中分布的零序電流的變化。定義零序電流變化量為：Δ|I?0n|=|I?'0n|-|I?0n|

式中：ε、ξ為整定值。對于位于故障線路故障點之前的測量點，由于投入電阻通常增大了故障電流，也就是增大了零序電流，因此；對于位于故障線路故障點之后和非故障線路的測量點，由于投入電阻器減小了系統(tǒng)零序電壓值，因此有（3）零序阻性電流

信號源投入后接地故障線路的零序阻性電流量會顯著增加，采用此特征可構(gòu)成零序阻性電流判據(jù)。零序阻性電流量計算公式為：IR0=I0cosφ0

其中：φ0為零序功率因數(shù)角即零序電壓與零序電流相位差，此處認(rèn)為IR0＞定值即滿足動作條件。

高阻狀態(tài)下零序阻性電流量值明顯減小，靈敏度明顯降低；不同的網(wǎng)絡(luò)零序阻性電流分布會有差異，整定只能根據(jù)經(jīng)驗值，相對困難些。定值整定參照公式：Izd=U/(Rs+Rg)

其中：Izd為整定電流，單位A，U為單相接地電壓，可取相電壓，單位V，Rs為信號源電阻固定400Ω，Rg接地電阻，推薦值200Ω。

（4）母線絕緣監(jiān)察

母線絕緣監(jiān)察功能采用“母線絕緣檢測”模塊實現(xiàn)。兩段母線絕緣監(jiān)察判別方法相同，以Ⅰ段母線為例：當(dāng)Ⅰ母TV開口三角電壓（3U0）大于定值，且某相電壓低時報接地故障。其原理框圖如圖3所示。

圖3 母線絕緣監(jiān)察邏輯框圖

3 應(yīng)用效果

我們在同煤電網(wǎng)燕子山110 kV樞紐變電站內(nèi)引進(jìn)了二臺IDA 5500注入式信號源裝置和二臺DSI 5164小電流接地選線裝置相配合，6 kV兩段母線接地變中性點各安裝一臺IDA 5500和DSI 5164裝置，具體配合原理簡述如下：在線路末端發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)流通的零序電流很小不足以準(zhǔn)確識別接地線路和接地點，此時，并接在消弧線圈上的信號源裝置檢測到系統(tǒng)零序電壓超過門檻定值且故障相電壓降低、非故障相電壓升高時判斷為母線絕緣異常，投入中性點信號源，接地選線設(shè)備在檢測到母線絕緣異常后，投入故障判據(jù)，當(dāng)檢測到中性點信號源投入導(dǎo)致零序電流特征分量增加且滿足相關(guān)判據(jù)后，判斷接地線路，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r，確定接地點所處的分支。

我們在保證原有綜合自動化系統(tǒng)不變的前提下，完成了燕子山變電站的小電流接地選線功能，經(jīng)過現(xiàn)場勘查，我們制定出了實施方案，110 kV燕子山變電站共配出6 kV線路40回，在6 kV每一出線柜電纜頭下方均安裝較高精度的穿心式零序CT，以保證DSI 5164小電流接地選線裝置采集各出線零序電流信號，零序CT和電纜頭接地線之間的相對位置應(yīng)正確，選線裝置在6 kVⅠ段、Ⅱ段PT采集母線三相電壓、零序電壓信號；IDA 5500信號源裝置實時監(jiān)測零序電壓，根據(jù)消弧線圈的布置方式安裝在戶內(nèi)，發(fā)生單相接地故障后，信號源可自動識別母線絕緣監(jiān)察情況進(jìn)行智能投切，用于輔助接地選線判斷。該站主要為燕子山礦提供生產(chǎn)、生活用電，解決了燕子山礦單相接地故障選線難題，大大縮短了停電的范圍和時間，提高了供電的可靠性。

該裝置投運以來，燕子山站6 kV系統(tǒng)共發(fā)生接地故障2次，現(xiàn)場應(yīng)用表明裝置選擇接地分路非常準(zhǔn)確。以下是幾次接地查找實例：

①2018年9月11日13:10，上位機告警、電鈴響，報文為：開關(guān)編號2324燕子山風(fēng)井線路接地動作，值班員通知礦方人員對2324線路進(jìn)行巡視檢查，發(fā)現(xiàn)電纜A相絕緣有破壞現(xiàn)象，故障處理后，線路試送成功，供電恢復(fù)正常。

②2019年1月23日00:04，上位機告警、電鈴響，報文為：開關(guān)編號2349采區(qū)變電所線路接地動作，值班員通知礦方人員對2349線路進(jìn)行巡視檢查，發(fā)現(xiàn)4#層8216工作面帶三機電纜頭爆炸，故障處理后，線路試送成功，供電恢復(fù)正常。

4 結(jié)語

根據(jù)同煤電網(wǎng)的實際經(jīng)驗，宜優(yōu)先選用IDA 5500注入式信號源裝置和DSI 5164小電流接地選線裝置相結(jié)合的方法。

基于注入式信號源成套裝置的接地選線技術(shù)，借鑒中性點投入電阻器的選線方案，與采用導(dǎo)納變化量判據(jù)，輔以零序電流變化量判據(jù)和零序阻性電流判據(jù)的接地選線原理相配合，實現(xiàn)整套裝置能準(zhǔn)確快速地判斷出故障出線開關(guān)，及時排除故障，恢復(fù)設(shè)備運行?，F(xiàn)場應(yīng)用表明該接地選線技術(shù)適用于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)以及大型廠礦企業(yè)的供電系統(tǒng)，作為線路和母線單相接地故障報警或用于單相接地保護跳閘，具有良好的適用性和較高的使用和推廣價值。