10kV配電網(wǎng)接地選線保護(hù)裝置運行實踐及研究

鄭澤寰 鄭鵬鵬

(1.國網(wǎng)廈門供電公司，福建 廈門 361004，2.國網(wǎng)晉江市供電公司，福建 泉州 362200)

10kV配電網(wǎng)中單相接地約占故障的70%～80%，而且一處弧光接地產(chǎn)生過電壓可能引發(fā)多處故障。小電流接地選線保護(hù)是一項系統(tǒng)工程，主要難點在于故障特征不明顯，故障電流小，并有很大的隨機性和接地點電弧不穩(wěn)定性。由于受到選線原理、裝置質(zhì)量、安裝維護(hù)等諸多因素影響，各地配電網(wǎng)綜合選線準(zhǔn)確率高于70%的依然不多。近年來，大量掛網(wǎng)運行的線路柱上開關(guān)接地保護(hù)及故障指示器接地點定位，準(zhǔn)確率普遍更低，成為制約配電自動化技術(shù)發(fā)展的一個重要因素。

1 變電站常用接地選線方法

1.1 穩(wěn)態(tài)零序無功功率方向法選線

該選線法適用于中性點不接地系統(tǒng)，以零序無功功率(電流)方向作為判據(jù)，即故障線路穩(wěn)態(tài)零序無功電流從線路流向母線，流向與健全線路相反。通常10kV饋線測控保護(hù)裝置自帶選線模塊，無需另設(shè)裝置，接線相對簡單，較適合于金屬性永久性接地故障。存在高阻(>1kΩ)接地選線準(zhǔn)確率低，瞬時性、不穩(wěn)定電弧和間歇性電弧接地?zé)o法判線，以及無法群體比較等問題。

據(jù)晉江7座110kV變電站2019—2020年統(tǒng)計，各站選線準(zhǔn)確率66.7%～100%不等，總體準(zhǔn)確率79%。

1.2 中電阻法選線

對于中性點經(jīng)調(diào)匝式等自動消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生永久性接地故障，經(jīng)一定消弧延時后，短暫(約1秒)投入消弧線圈并聯(lián)中電阻(通常為132 Ω[4])，其中零序電流和有功功率變化量均為最大者即為接地故障線路。

中電阻法較好地解決諧振接地系統(tǒng)接地選線難題。理論上，永久性金屬性接地選線準(zhǔn)確率接近100%,但同樣存在高阻接地及瞬時性、不穩(wěn)定電弧和間歇性電弧接地難判線或誤判線等問題。此外，早年裝置控制器硬件水平所限，信號采樣及處理能力不足，影響選線準(zhǔn)確率，未達(dá)預(yù)期效果。

晉江半城網(wǎng)78套消弧線圈并聯(lián)中電阻裝置運行后，2019年—2020年10月發(fā)生接地故障151起，選線正確97起，選線錯誤35起，未選線19起，選線準(zhǔn)確率僅64.2%。

1.3 暫態(tài)特征分量法選線

實際接地故障暫態(tài)信號經(jīng)數(shù)字濾波分解后，在其主頻段(300～1000Hz)內(nèi)，暫態(tài)特征分量具有以下基本規(guī)律[1]：①故障線暫態(tài)零序電流幅值大于任一條健全線；②故障線暫態(tài)零序電流從線路流向母線，流向與健全線相反；③與是否存在消弧線圈無關(guān)。

在瞬時性和間歇性接地暫態(tài)過程中，以及大多數(shù)穩(wěn)定接地的起始階段，均含有豐富的暫態(tài)特征量，暫態(tài)電流值較穩(wěn)態(tài)時大幾倍到十幾倍(一般大于100A)[1,6]，通過暫態(tài)電流群體比幅比相實現(xiàn)接地選線。相對于零序電壓與電流極性關(guān)系成立時間僅1～2ms的傳統(tǒng)首半波法，暫態(tài)特征分量法判據(jù)在整個暫態(tài)過程中都成立，判線可靠性較高；在過渡電阻小于1kΩ時，暫態(tài)分量法能夠保證在任何故障初始相角下，具有足夠的暫態(tài)信號幅值[3]。晉江配網(wǎng)2套裝置運行，統(tǒng)計期間共發(fā)生接地故障8起，選線正確7起，未選線1起(裝置故障)。

1.4 最大增量法選線

對于10kV母線裝設(shè)快速開關(guān)接地消弧柜的情況，通常采用最大增量法選線。線路單相弧光接地時，母線快速接地開關(guān)將故障相強行合閘金屬接地，通過動作前后，各回路采集的兩次零序電流值相減，由于接地點轉(zhuǎn)移使故障線零序電流改向，其增量值最大的即為故障線路。晉江配網(wǎng)2套裝置運行，統(tǒng)計期間發(fā)生接地故障7起，均選線正確。

晉江配網(wǎng)應(yīng)用上述幾種選線技術(shù)，據(jù)2020年統(tǒng)計，綜合選線準(zhǔn)確率為68.5%。

2 配電線路接地保護(hù)

2.1 穩(wěn)態(tài)零序電流幅值法保護(hù)

中性點不接地系統(tǒng)，柱上開關(guān)利用接地故障線路故障點上游穩(wěn)態(tài)零序電流明顯偏大，且超越設(shè)定檻值，來實現(xiàn)接地保護(hù)故障報警。其設(shè)定檻值按躲過本開關(guān)后線路對地電容電流整定。

而對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，經(jīng)接地補償后接地點殘流一般小于5～10A[2](含部分有功分量)，故障點上游開關(guān)流過的零序電流已無明顯偏大特征。

半城網(wǎng)中，中性點大量采用或經(jīng)聯(lián)絡(luò)線倒電后成為消弧線圈接地系統(tǒng)，故此法通常僅適用于負(fù)荷側(cè)電纜總長度約不超過1km的用戶分界開關(guān)上，保護(hù)檻值不宜超過4A，按躲過用戶側(cè)電纜及配電設(shè)備總體對地電容電流，又小于補償后流經(jīng)開關(guān)剩余電流考慮，且僅對金屬性永久性接地故障比較有效。

2.2 暫態(tài)零序無功功率方向法保護(hù)

根據(jù)特定頻段內(nèi)暫態(tài)分量在線路上的分布特點，故障點上游開關(guān)流過的暫態(tài)容性無功功率明顯較大，方向從負(fù)荷側(cè)流向電源側(cè)；故障點下游開關(guān)，以及健全線路開關(guān)流過的暫態(tài)容性無功功率明顯較小，方向從電源側(cè)流向負(fù)荷側(cè)。通常情況下，因不具備相鄰配電自動化終端(FTU)間綜合比較研判的條件，故常以暫態(tài)無功功率方向的自具性，作為開關(guān)接地保護(hù)的主要判據(jù)。

有些裝置還以有功功率方向法作為后備保護(hù)。故障線路有功電流從故障點流向母線，與健全線路相反。正常情況下有功電流比例小，諧振接地系統(tǒng)發(fā)生高阻故障時，零序電壓低，消弧線圈串聯(lián)的阻尼電阻不會被短接，故障線路中有功分量比例大，有利于提高接地保護(hù)靈敏度。因此，在預(yù)調(diào)式(帶阻尼電阻)諧振接地系統(tǒng)中，抗過渡電阻能力可提高到2kΩ[3]。

然而在使用中，當(dāng)故障點過渡電阻偏大以及漸變故障時，暫態(tài)信號相對微弱；短線路暫態(tài)信號過小、不平衡電流等各種干擾可能影響電流的極性；如果裝置的電壓、電流極性接錯，或開關(guān)裝反、聯(lián)絡(luò)線路倒電潮流改向，都將影響裝置正確動作；暫態(tài)量持續(xù)時間短(毫秒級)、頻率高，各種一二次融合成套裝置數(shù)據(jù)采集的實時性和速率、信號處理能力、軟硬件整體水平等性能存在差異；電容式零序電壓互感器存在材質(zhì)因素導(dǎo)致采樣精度下降問題；尤其是FTU間未能實現(xiàn)故障量綜合研判，存在較大局限性。接地保護(hù)動作正確率普遍偏低，遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期效果。

晉江配網(wǎng)2021年安裝一二次融合開關(guān)的線路，共發(fā)生接地故障24次，故障點上游開關(guān)有接地保護(hù)動作報警的14次(占58%)，涉及故障點上游開關(guān)33臺次，其中，正確動作15臺次(占45%)，則接地保護(hù)總體動作準(zhǔn)確率僅26%。此外，故障點下游及非故障線路融合開關(guān)接地誤報50臺次。

3 配電線路接地點定位

線路故障指示器(簡稱故指)接地點定位，因難以精確同步采集架空線三相電流來合成零序電流；通過檢測導(dǎo)線的空間電場電位梯度，難以獲得準(zhǔn)確的零序電壓參考相量，所以難度更大。

以每相突變的暫態(tài)電容電流作為判據(jù)，需過濾正常負(fù)荷電流后才能獲得，而且突變電容電流的動作檻值也不易設(shè)定，動作準(zhǔn)確率普遍很低。

晉江配網(wǎng)共安裝運行“二遙”式“故指”4903套，2021年131次接地故障中，正確動作僅54套次，錯誤動作24套次。

主動信號注入法接地故障定位系統(tǒng)，對永久性金屬性接地比較有效，而對間歇性電弧會導(dǎo)致注入信號不連續(xù)、特征被破壞；線路負(fù)荷波動，可能影響識別特征電流信號；信號元件投入時刻系統(tǒng)的過電壓，以及投入后元件的發(fā)熱，使信號元件易損壞。

通過線路開關(guān)對應(yīng)FTU檢測到的暫態(tài)特征量，遠(yuǎn)傳到配電自動化系統(tǒng)主站，經(jīng)對相鄰終端上傳的特征量進(jìn)行綜合研判，識別故障區(qū)段效果良好，但需設(shè)備布置密度來確保精度，且對自動化程度要求較高。

4 相關(guān)問題探討

①利用短暫投入消弧線圈并聯(lián)電阻實現(xiàn)線路接地保護(hù)，應(yīng)確保變電站消弧成套裝置運行狀態(tài)良好，線路FTU與之同步協(xié)調(diào)配合，且具備零序電流或有功功率短暫(約1s)增量可靠保護(hù)功能。

投入并聯(lián)小電阻(一般為10～16Ω)[7-8]，雖然比投入并聯(lián)中電阻可得到明顯的電流增量，便以實現(xiàn)零序過電流保護(hù)，但要求系統(tǒng)內(nèi)配電變壓器應(yīng)進(jìn)行保護(hù)接地與低壓側(cè)工作接地分開改造，防止變壓器內(nèi)部單相接地時低壓中性線出現(xiàn)過高電壓，改造工作量較大；因為并聯(lián)的電阻較小，在高阻故障時系統(tǒng)零序電壓較小，則保護(hù)耐過渡電阻能力反而更低(<140Ω[3,8])，容易造成零序過電流保護(hù)拒動[7-8]。

為了防止在惡劣天氣等情況下短時間內(nèi)多次故障，頻繁投切并聯(lián)電阻(尤其是小電阻)對系統(tǒng)造成頻繁沖擊，且損壞電阻，應(yīng)限制規(guī)定時間內(nèi)電阻投入次數(shù)。

該方案主要針對永久性金屬性接地比較有效，而對于高阻性、瞬時性、間歇性接地依然存在局限性。

②變電站10kV母線裝設(shè)消弧柜，對限制弧光接地過電壓具有一定的作用，而且采用最大增量法選線效果良好，但與之配套的接地故障定位技術(shù)尚未成熟。通過低勵磁阻抗變壓器向接地相注入雙頻特征信號，若接地過渡電阻較大或配電線路較長，則線路上的對地分布電容將吸收較多注入信號電流，該定位方法可能不準(zhǔn)確；尤其是接地點快速轉(zhuǎn)移到母線后，線路弧光接地故障點可能暫時消失，特征信號電流無法流通，不僅無法定位，還會因故障點破壞不明顯，給后續(xù)查找處理隱患點帶來更大難度。

③暫態(tài)特征分量法利用故障瞬間頻率高、幅值大的電壓電流暫態(tài)信號，同時適用于中性點不接地或消弧線圈接地系統(tǒng)，對永久性和瞬時性接地故障均可選線。二十余年來，國內(nèi)已有數(shù)千套暫態(tài)選線裝置投入運行，選線準(zhǔn)確率大多達(dá)90%以上[1,3]。

線路開關(guān)應(yīng)用暫態(tài)分量法，無需額外附加一次設(shè)備及動作配合，便可獨立實現(xiàn)接地保護(hù)功能。雖然遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期實用效果，但依然是相對可行的主要方法。另外增加了有功功率方向后備保護(hù)，在預(yù)調(diào)式諧振接地系統(tǒng)中，耐過渡電阻值高于一般裝置的1kΩ。為此，有必要對單相接地故障發(fā)生機理、暫態(tài)特性及利用方式進(jìn)行更為系統(tǒng)的分析和研究，切實提高完善各種融合成套產(chǎn)品性能，以滿足運行現(xiàn)場對精品裝置的迫切需求。同時，應(yīng)具備隨潮流改向而改變方向判據(jù)的功能，以防開關(guān)裝反及適應(yīng)眾多聯(lián)絡(luò)線路的運行變化情況。

④準(zhǔn)確、充分地提取故障信息是實現(xiàn)選線保護(hù)的前提。

推薦選用LJWZ系列高精度套管型零序電流互感器(TA)，其優(yōu)質(zhì)高導(dǎo)磁合金材料卷繞制成的環(huán)形鐵芯，線性良好，原方零序電流在2～50A范圍內(nèi)，變比誤差<1%，角誤差<1°。

零序TA一次額定電流宜選20A(最大不超過50A)，二次額定電流不超過1A。不推薦選用開合式結(jié)構(gòu)或無變比及無誤差保證指標(biāo)的產(chǎn)品。

三相共箱式柱上開關(guān)內(nèi)置零序TA，比三相支柱式柱上開關(guān)外置長條形零序TA(漏磁較大)，測量精度相對較高。零序TA變比取20A/1A，輸入接地保護(hù)裝置電流不宜小于2A零序精工電流。電容(或阻容)式零序電壓互感器應(yīng)注意采用性能穩(wěn)定的材質(zhì)。建議對一二次融合進(jìn)行整組精度測試，確保采樣環(huán)節(jié)正常。

⑤近年來在福建、浙江、陜西等地掛網(wǎng)運行的“一二次深度融合智能柱上開關(guān)”，據(jù)稱“可實現(xiàn)80%以上單相接地故障的故障點最小區(qū)域自動研判并隔離”①。該現(xiàn)象值得深入調(diào)研、總結(jié)和借鑒。

設(shè)備結(jié)構(gòu)主要特點：一是以電流傳感器替代電磁式電流互感器，暫態(tài)零序電流由三相電流合成獲得；二是以阻容分壓的電壓傳感器替代電磁式電壓互感器，暫態(tài)零序電壓由三相電壓合成獲得；三是電容分壓取能加鋰電池儲能供電，替代傳統(tǒng)電磁式電壓互感器(TV)供電模式；四是一體化全融合產(chǎn)品，將控制終端融合到斷路器機構(gòu)箱內(nèi)。

⑥除了通過配電自動化主站檢查、比較FTU的故障檢測結(jié)果來定位故障區(qū)段外，如何借助5G通信的技術(shù)優(yōu)勢，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，通過線路開關(guān)相鄰終端之間多維故障數(shù)據(jù)融合的分析定位，是個有待于研究的新課題。

⑦開閉所、戶外環(huán)網(wǎng)箱等配電站房，建議采用暫態(tài)零序電流群體比幅比相法集中選線(參與比較線路不得少于3條)，其效果將優(yōu)于暫態(tài)方向的分布選線。

宜選用消諧型電壓互感器(如“三相主TV+中性點零序TV”型)，或電容(或阻容)式電壓互感器獲得零序電壓。不宜大量安裝中性點直接接地的電磁式TV，以免系統(tǒng)易于激發(fā)鐵磁諧振[5]。

對于用戶配電室，由于饋線發(fā)生不易查找的單相接地故障發(fā)生幾率極小，可暫不考慮接地選線問題。

⑧對于純電纜配電網(wǎng)絡(luò)，可采用中性點小電阻接地方式，實現(xiàn)零序過電流保護(hù)和消除弧光接地等內(nèi)部過電壓。該方案同樣應(yīng)滿足配電變壓器保護(hù)接地與工作接地分開的要求，而且有必要進(jìn)一步提高零序保護(hù)抗過渡電阻能力。

吳海江等利用發(fā)生單相接地故障或兩出線同相接地故障后,接地變中性線零序電流與各出線零序電流比值的相對差異，提出了一種集中式接地保護(hù)算法，抗過渡電阻能力有望高達(dá)1.5kΩ。該法僅適用于變電站內(nèi)保護(hù)。

5 結(jié)論

①中性點不接地系統(tǒng)，10kV饋線測控保護(hù)裝置接地選線準(zhǔn)確率一般可達(dá)70%～80%。

②消弧線圈并聯(lián)中電阻法，依然不失為諧振接地系統(tǒng)相對可取的選線方法之一，須對早年裝置進(jìn)行軟硬件升級改造，提高裝置性能。

③母線消弧柜接地系統(tǒng)，最大增量法選線良好，但仍需成熟的線路接地故障點定位裝置與之配套使用。

④暫態(tài)法接地選線，適用范圍廣，準(zhǔn)確率較高，值得推廣應(yīng)用。線路開關(guān)暫態(tài)接地保護(hù)裝置，有待于切實完善整體產(chǎn)品性能，盡可能實現(xiàn)暫態(tài)量綜合研判，提高運行效果。

⑤配電站房推薦采用暫態(tài)零序電流群體比幅比相法集中選線，選用電容(或阻容)式電壓互感器獲得零序電壓。

⑥純電纜配電網(wǎng)絡(luò)中性點小電阻接地方式，仍需提高零序保護(hù)抗過渡電阻能力，降低保護(hù)拒動概率。

⑦長期以來，配電網(wǎng)以“2小時運行+接地選線”作為接地故障的處理原則，應(yīng)當(dāng)努力優(yōu)化為在躲過瞬間接地故障后，快速就近隔離永久性接地故障。

準(zhǔn)確“選段跳閘”依然是有待于努力實現(xiàn)的原則目標(biāo)，從而形成“線路接地選段保護(hù)為主，變電站接地選線為輔”的故障處置模式，而且將大大降低弧光接地過電壓對系統(tǒng)的破壞性。

注釋：

①根據(jù)上海宏力達(dá)信息技術(shù)股份有限公司及國網(wǎng)南安市供電公司等技術(shù)交流材料。