基于柔性光學(xué)電流互感器的接地選線(xiàn)裝置

石 勇，任百群，王 耀，李宇琦，劉倪宣，姜 磊

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

小電流接地系統(tǒng)接地選線(xiàn)一般使用有功分量法、諧波法、注入信號(hào)法、殘流增量法、中電阻法、暫態(tài)無(wú)功功率法等選線(xiàn)方法[1-4]。以上方法均需使用到線(xiàn)路的零序電流，但是在架空線(xiàn)、GIS開(kāi)關(guān)柜等場(chǎng)合傳統(tǒng)的穿心式零序互感器無(wú)法安裝，只能使用三相電流互感器自產(chǎn)零序電流進(jìn)行選線(xiàn)。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障殘流一般在10 A以?xún)?nèi)，相電流互感器一次額定值在600 A以上，變比太大導(dǎo)致二次側(cè)傳變到選線(xiàn)裝置的零序電流只有毫安級(jí)，小于裝置的靈敏測(cè)量范圍。自產(chǎn)零序電流由于三相變比不一致導(dǎo)致不平衡電流過(guò)大也會(huì)影響選線(xiàn)精度及靈敏度。此外現(xiàn)有常規(guī)零序互感器在現(xiàn)場(chǎng)二次電纜較長(zhǎng)的情況下，由于帶負(fù)載不足導(dǎo)致幅值誤差及角度誤差大于允許范圍，影響選線(xiàn)靈敏度導(dǎo)致高阻接地時(shí)拒動(dòng)。

1 柔性全光纖電流互感器

全光纖電流互感器(fiber optical current transducer,FOCT)[5]是采用光纖作為電流傳感材料的光學(xué)CT。柔性全光纖電流互感器[6]是FOCT發(fā)展的方向，它可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)導(dǎo)體形狀不同繞制成所需形狀的光纖傳感環(huán)，比傳統(tǒng)互感器更靈活，安裝和維護(hù)更加方便，重量更輕，無(wú)絕緣要求。

對(duì)于GIS開(kāi)關(guān)柜體形狀不規(guī)則、架空線(xiàn)三相距離較遠(yuǎn)等場(chǎng)合，將三相電流從常規(guī)零序電流互感器穿過(guò)需要孔徑很大，且形狀特殊。由于鐵芯材料及重量限制無(wú)法制造出適合現(xiàn)場(chǎng)安裝孔徑的常規(guī)互感器，柔性光互感器可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要繞制成各種形狀且重量很輕。將三相導(dǎo)線(xiàn)從零序光互感器的光纖環(huán)中穿過(guò)，全光纖式電流互感器采集單元利用傳感光纖的法拉弟磁光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)三相導(dǎo)線(xiàn)中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)即零序電流磁場(chǎng)，計(jì)算出被測(cè)零序電流并輸出，具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、諧波特性好等特點(diǎn)。

2 選線(xiàn)系統(tǒng)方案

基于光學(xué)電流互感器的選線(xiàn)系統(tǒng)由接地選線(xiàn)裝置、多個(gè)零序光學(xué)互感器及采集單元組成。每個(gè)間隔配置一臺(tái)零序光學(xué)電流互感器，每套光學(xué)互感器含一個(gè)光纖環(huán)及一臺(tái)采集單元，每個(gè)采集單元配置一個(gè)光路模塊，三相電流都從光纖環(huán)的保偏光纜中穿過(guò)，這樣在光纖環(huán)采集的就是零序電流。采集單元置于柜中，采集保偏光纖中的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊光纖將采集的電流數(shù)據(jù)輸出至接地選線(xiàn)裝置，無(wú)需經(jīng)交換機(jī)中轉(zhuǎn)。選線(xiàn)裝置的電壓由常規(guī)電壓互感器接入。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)部分支路使用傳統(tǒng)電磁式電流互感器、部分支路使用光學(xué)電流互感器的場(chǎng)合，選線(xiàn)裝置支持常規(guī)電流互感器與光學(xué)電流互感器混合采樣。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

3 接地故障檢測(cè)選線(xiàn)對(duì)光學(xué)電流互感器的要求

目前保護(hù)用光學(xué)電流互感器采樣率按數(shù)字化站標(biāo)準(zhǔn)為4000 Hz。單相接地故障的暫態(tài)電流主要為暫態(tài)電容電流，對(duì)于架空線(xiàn)自由振蕩頻率一般為300～1500 Hz，電纜線(xiàn)路的電感遠(yuǎn)小于架空線(xiàn)路，對(duì)地電容卻比架空線(xiàn)大很多倍，因此暫態(tài)過(guò)程振蕩頻率很高，一般為1500～3000 Hz[4]，根據(jù)奈奎斯特定理采樣率fs.max需要大于2倍信號(hào)的最高頻率fmax，即fs.max≥2fmax=6000 Hz采樣率。因此光CT采集單元的采樣率不能低于6000 Hz，所提系統(tǒng)中光學(xué)電流互感器采集單元的采樣率與接地選線(xiàn)裝置采樣率一致，設(shè)置為10 kHz，保證接地故障時(shí)刻暫態(tài)特征數(shù)據(jù)能可靠采集。

為保證采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及可靠性，采集單元數(shù)字信號(hào)光纖與接地選線(xiàn)裝置通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，不經(jīng)過(guò)交換機(jī)，保證各支路零序電流采樣延時(shí)都是固定的。接地選線(xiàn)裝置根據(jù)額定時(shí)延調(diào)整光CT信號(hào)與電磁型零序電流互感器及電壓互感器信號(hào)時(shí)差，保證各信號(hào)時(shí)間的一致性。

保護(hù)用光學(xué)電流互感器的測(cè)量范圍考慮到三相短路等情況，一般為額定電流的30～40倍，達(dá)到上千安培，遠(yuǎn)大于負(fù)荷電流。但小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)零序電流很小，特別是架空線(xiàn)路在經(jīng)高阻單相接地時(shí)，一次側(cè)只有幾安培電流。如果使用常規(guī)保護(hù)用光學(xué)電流互感器在小電流情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，選線(xiàn)裝置用零序互感器一次額定電流宜按照系統(tǒng)電容電流值的2倍選取[7]。因此測(cè)量小電流能力要求比常規(guī)保護(hù)用光學(xué)互感器要求高很多，需要光學(xué)互感器最小能監(jiān)測(cè)的一次電流為0.2 A，最高測(cè)量電流為250 A，滿(mǎn)足如下精度要求：1)0.2～0.5 A，比值誤差≤10%；2)0.5～250 A，比值誤差≤1%。

4 零序光學(xué)互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

光學(xué)電流互感器可采用如圖2所示的AIS支柱式(包括與斷路器集成方式)、套管式、GIS集成式、柔性等方式安裝。

圖2 光學(xué)電流互感器安裝方式

以上方式前兩種適用于相電流互感器的安裝，后兩種適合于零序電流互感器的安裝。柔性安裝方式可在不改動(dòng)原有系統(tǒng)情況下進(jìn)行，避免三相電纜的拆解，減小施工難度和周期。為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)，光CT采用柔性結(jié)構(gòu)，傳感光纖制成光纜型式，支持現(xiàn)場(chǎng)纏繞，因此安裝及維護(hù)時(shí)無(wú)需拆解三相電纜，在傳感光纖外圍以?xún)砂晔綒んw進(jìn)行保護(hù)和固定，如圖3所示殼體可為圓形或跑道型等任意適合安裝的形狀?，F(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4所示，可在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝，也可以在電纜室安裝。因光CT重量很輕，在電纜室安裝時(shí)不會(huì)因?yàn)榛ジ衅骱苤囟鴫簤碾娎|。

圖3 零序光學(xué)電流互感器殼體

圖4 零序光學(xué)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

5 試驗(yàn)及運(yùn)行

為驗(yàn)證柔光學(xué)電流互感器在接地選線(xiàn)應(yīng)用的可行性，對(duì)基于柔性光學(xué)CT的接地選線(xiàn)裝置分別進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)與真型動(dòng)模接地試驗(yàn)驗(yàn)證。

圓形殼體在現(xiàn)場(chǎng)已有大量應(yīng)用，靜態(tài)模擬測(cè)試僅驗(yàn)證跑道型殼體。搭建靜態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，將圖3下面的“跑道型”柔性光學(xué)CT傳感環(huán)繞制在三相電纜外，三相電纜排布方式為分散與集中兩種。分散時(shí)三相電纜間距為20 cm，集中時(shí)三相電纜間距均為5 cm。采用博電測(cè)試儀加入由10 A的正常負(fù)荷電流及不同數(shù)值的零序電流合成的電流，其中正常運(yùn)行負(fù)荷電流相位相差120°，調(diào)整電流中零序分量，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)試驗(yàn)記錄

從測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，不管導(dǎo)體分布方式如何，對(duì)光學(xué)CT測(cè)量精度影響不大，一次電流在0.5 A以下幅值誤差小于等于1%，0.5 A以上幅值誤差小于1%，可以滿(mǎn)足接地選線(xiàn)裝置精度要求。

真型動(dòng)模試驗(yàn)：配電網(wǎng)戶(hù)外真型試驗(yàn)場(chǎng)包括10 kV開(kāi)關(guān)站1座和10 kV試驗(yàn)線(xiàn)路7條，測(cè)試時(shí)用到5條。試驗(yàn)1線(xiàn)、2線(xiàn)采用集中參數(shù)柜模擬真實(shí)線(xiàn)路的分布式參數(shù)，試驗(yàn)3線(xiàn)、4線(xiàn)和5線(xiàn)為實(shí)際電纜線(xiàn)路。試驗(yàn)場(chǎng)配置預(yù)調(diào)式消弧線(xiàn)圈，型號(hào)為XHDCZ-400/10.5，額定容量為400 kVA，電流調(diào)節(jié)范圍為20～66 A，共分為14擋，通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)等差調(diào)節(jié)。母線(xiàn)電容電流為25.2 A，各線(xiàn)路參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 各線(xiàn)路電容電流

在戶(hù)外試驗(yàn)場(chǎng)安裝錄波裝置，在表1所示5條饋線(xiàn)的A、B、C相電纜出線(xiàn)處安裝10/1零序電流互感器。母線(xiàn)處安裝電壓互感器接入錄波裝置。

在消弧線(xiàn)圈自動(dòng)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償方式下，分別進(jìn)行在試驗(yàn)1線(xiàn)A相經(jīng)不同過(guò)渡電阻接地的持續(xù)性電弧接地試驗(yàn)和間歇性電弧接地試驗(yàn)。自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)電容電流為25.2 A，消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流為27.1 A;欠補(bǔ)償時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電容電流為31.0 A，消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流為20.0 A;過(guò)補(bǔ)償時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電容電流為25.2 A，消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流為34.2A。過(guò)渡電阻值分別為250 Ω、500 Ω、1000 Ω、2000 Ω、3000 Ω和4000 Ω。將錄波裝置錄取的接地波形經(jīng)測(cè)試儀回放，將其中電流數(shù)據(jù)放大10倍還原為一次值后接入即將在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的光學(xué)電流互感器，電壓信號(hào)直接接入接地選線(xiàn)裝置的電壓采集插件。選線(xiàn)啟動(dòng)零序電壓設(shè)置為10 V，以上各種接地測(cè)試均能正確選出故障線(xiàn)路。

圖5是消弧線(xiàn)圈過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)經(jīng)4000 Ω過(guò)渡電阻高阻接地時(shí)基于光CT接地選線(xiàn)裝置的波形。從波形中可以看出，單相高阻接地時(shí)零序電流及電壓信號(hào)都很微弱。經(jīng)消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償后各支路穩(wěn)態(tài)電流方向一致，幅值基本差不多，僅靠接地瞬間故障線(xiàn)路與非故障線(xiàn)路相位及幅值特征可以判斷出線(xiàn)路1為故障線(xiàn)路。

圖5 過(guò)補(bǔ)償經(jīng)4000 Ω過(guò)渡電阻接地波形

基于光CT的接地選線(xiàn)裝置已在天生橋水電站、魯布革水電站投運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)一年，未發(fā)生拒動(dòng)及誤動(dòng)。

6 結(jié) 論

柔性光CT可以方便地在架空線(xiàn)及GIS等難以安裝常規(guī)零序互感器的場(chǎng)合進(jìn)行安裝，因輸出的為數(shù)字信號(hào)，不會(huì)因二次電纜過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致幅值誤差及角差過(guò)大。

基于光CT的接地選線(xiàn)裝置提高了現(xiàn)場(chǎng)單相接地故障處理效率，降低事故處理時(shí)間，避免接地故障引發(fā)的電纜火災(zāi)導(dǎo)致的重大設(shè)備損失和經(jīng)濟(jì)損失，避免了人身傷害，提高了供電可靠性。