小電流接地選線在變電站出線保護(hù)裝置的應(yīng)用

陸帥，姜夢(mèng)，卞林林

（南京磐能電力科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

我國(guó)中、低壓配電網(wǎng)多為小電流接地系統(tǒng)，即系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接點(diǎn)的運(yùn)行方式[1-3]。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，按照有關(guān)規(guī)章制度的要求，可短時(shí)運(yùn)行。隨著經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展，各類用電客戶對(duì)用電質(zhì)量的要求在逐步提高，同時(shí)，故障定位和切除越早越有利于降低單相電壓升高引起相間短路的風(fēng)險(xiǎn)[4-8]。

目前我國(guó)變電站10 kV出線保護(hù)設(shè)備未配置小電流接地選線功能，對(duì)故障后的快速定位和隔離有一定的影響，從而進(jìn)一步影響電網(wǎng)一次設(shè)備的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定[9-13]；因此，設(shè)計(jì)一種基于故障暫態(tài)信號(hào)的小電流接地選線方案，此方案在本單位的線路保護(hù)裝置上得到較好的實(shí)際應(yīng)用。

1 變電站出線單相接地處理方式現(xiàn)狀

變電站10 kV出線裝置受運(yùn)維單位、裝置規(guī)范等多方面影響，目前主要采用接地試?yán)?、專用小電流接地裝置兩種方式處理單相接地故障[14-16]。

1.1 接地試?yán)幚韱蜗嘟拥?/h3>

接地試?yán)瓎蜗嘟拥剡x線方式需要對(duì)站內(nèi)每條線路進(jìn)行停電試?yán)?，整個(gè)選線過(guò)程需要頻繁地進(jìn)行分、合閘操作，選出接地線路的時(shí)間具有很高的隨機(jī)性，可能會(huì)導(dǎo)致一些誤操作事故并引起長(zhǎng)時(shí)間的停電。頻繁的分、合閘操作和長(zhǎng)時(shí)間單相接地會(huì)增大一次設(shè)備絕緣損壞的概率，簡(jiǎn)單的接地故障就會(huì)發(fā)展成為短路故障。

1.2 專用小電流接地選線裝置

專用小電流接地選線裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整條或多條母線所有間隔的接地選線功能，采用多種選線原理，但其選線正確率受所有間隔實(shí)際接線情況影響較大，后期運(yùn)維成本較高，每一次增加間隔時(shí)均需要重新接線，每一次裝置運(yùn)維期間將使涉及的所有間隔失去選線功能。

綜上所述，變電站10 kV出線現(xiàn)有的兩種單相接地處理方式均存在明顯的缺點(diǎn)?？蓞⒖寂潆娋W(wǎng)終端設(shè)備，在出線間隔保護(hù)裝置配置小電流接地選線功能，但需要解決選線原理與現(xiàn)有保護(hù)裝置采樣率、計(jì)算能力等方面的問(wèn)題。

2 基于故障暫態(tài)信號(hào)的小電流接地選線原理

相對(duì)于傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)信號(hào)小電流接地選線原理，基于故障暫態(tài)信號(hào)的小電流接地選線原理具有靈敏度高且不受消弧線圈影響的優(yōu)勢(shì)。上世紀(jì)50年代德國(guó)提出首半波法，中國(guó)70年代開(kāi)發(fā)出了產(chǎn)品，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平影響未獲得大范圍推廣應(yīng)用[16]。近年來(lái)計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的發(fā)展為開(kāi)發(fā)暫態(tài)信號(hào)小電流接地選線技術(shù)創(chuàng)造了條件。

2.1 暫態(tài)首半波法

故障線路零序電壓導(dǎo)數(shù)與零序電流在暫態(tài)首半波內(nèi)極性相反，而非故障線路、故障點(diǎn)下游線路極性相同，如圖1、圖2所示。

圖1 不接地系統(tǒng)單相接地波形

圖2 消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地波形

定義變量qk(t)為

式中，i0(t)，u0(t)為某時(shí)刻線路的零序電流、零序電壓。

對(duì)于故障線路有qk(t)＜0，非故障線路qk(t)＞0。

對(duì)變量qk(t)從故障起始時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行積分，得到變量Eq為

式中：T1為積分結(jié)束時(shí)刻，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為故障起始后半個(gè)周波。

顯然，故障線路Eq＜0，非故障線路Eq＞0。為防止在保護(hù)程序計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的誤差引起誤判斷，因此判斷條件設(shè)定為

式中：Ez為固定門檻值。

經(jīng)過(guò)研究證明[17]，在設(shè)定頻段（selected frequency band，SFB）內(nèi)，故障線路和非故障線路其阻抗呈容性，超出頻段時(shí)，阻抗特性較為復(fù)雜，不好確定；因此，程序在進(jìn)行暫態(tài)接地選線判斷前，應(yīng)對(duì)相應(yīng)零序數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以保證計(jì)算結(jié)果的正確性。

基于暫態(tài)信號(hào)的首半波接地選線保護(hù)算法如圖3所示。

圖3 暫態(tài)首半波接地選線保護(hù)算法

2.2 啟動(dòng)繼電器

暫態(tài)首半波法需要采用故障后半個(gè)周波內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行接地選線判斷，因此故障起始點(diǎn)的確定對(duì)于算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)果至關(guān)重要。設(shè)計(jì)一種突變量啟動(dòng)繼電器，采用零序電流、零序電壓突變量原理，快速識(shí)別故障、確認(rèn)故障起始點(diǎn)。

利用當(dāng)前采樣點(diǎn)、1個(gè)周波前采樣點(diǎn)、2個(gè)周波前采樣點(diǎn)計(jì)算零序電流突變量Δi0(t)、零序電壓突變量Δu0(t)，計(jì)算公式為

式中：T為采樣周期。

零序電流突變量啟動(dòng)判據(jù)：Δi0(t)＞I0set+k1Δi0T;

零序電壓突變量啟動(dòng)判據(jù)：Δu0(t)＞u0set+k1Δu0T。

式中：u0set、i0set分別為零序電壓突變定值、零序電流突變定值；Δi0T為零序電流突變量浮動(dòng)門檻；Δu0T為零序電壓突變量浮動(dòng)門檻；k1為浮動(dòng)門檻的可靠系數(shù)，取1.25。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

在不改變保護(hù)裝置其他功能的前提下，在型號(hào)DMP-3311的出線間隔保護(hù)裝置上實(shí)現(xiàn)基于暫態(tài)首半波的小電流接地選線功能，裝置采用32位高性能的CPU及操作系統(tǒng)、內(nèi)部高速總線、智能IO，硬件及軟件均采用模擬化設(shè)計(jì)，靈活可配置，同時(shí)配置最大48套故障波形記錄故障，具有通用、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)的特點(diǎn)。

將研制的出線間隔保護(hù)裝置送檢并進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬系統(tǒng)如圖4所示，S1、S2為110 kV等值電源，主變壓器T1、T2副邊35 kV上各有4條出線，共設(shè)置24個(gè)故障點(diǎn)，被測(cè)裝置安裝于支路8上，分別模擬系統(tǒng)變壓器副邊中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地兩種運(yùn)行方式下各故障點(diǎn)發(fā)生金屬性接地、經(jīng)電阻接地兩種故障類型，共進(jìn)行312次不同類型故障模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明裝置在區(qū)內(nèi)各故障點(diǎn)所有故障均能正確動(dòng)作，區(qū)外各故障點(diǎn)所有故障均可靠不動(dòng)作。

圖4 測(cè)試主接線

將4臺(tái)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)接線見(jiàn)圖5。4臺(tái)裝置分別安裝在線路1～4的出線首端，分別在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流10 A，三相電壓基本平衡；中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)電容電流65 A，消弧線圈過(guò)補(bǔ)償電流小于10 A，三相電壓基本平衡。測(cè)試過(guò)程中，僅在系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式發(fā)生改變時(shí)允許調(diào)整裝置參數(shù)設(shè)置。分別在兩種中性點(diǎn)接地方式下，進(jìn)行金屬性接地、電纜弧光接地、經(jīng)2 kΩ以內(nèi)電阻接地、斷線接泥土地等共30種不同類型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明4臺(tái)裝置在區(qū)內(nèi)各故障點(diǎn)所有故障均能正確動(dòng)作，區(qū)外各故障點(diǎn)所有故障均可靠不動(dòng)作。

在經(jīng)過(guò)型式實(shí)驗(yàn)、真型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，配置此選線方案的出線間隔保護(hù)裝置在山東、山西等多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，對(duì)安裝在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)石窯煤礦地面變電所的入井Ⅰ回線、入井Ⅱ回線兩個(gè)間隔的保護(hù)裝置運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤記錄，在近一年時(shí)間的運(yùn)行期間，共記錄到47次故障以及對(duì)應(yīng)波形數(shù)據(jù)，根據(jù)波形進(jìn)行分析，其中區(qū)內(nèi)單相接地故障15次，區(qū)外單相接地故障32次，裝置的動(dòng)作行為全部正確。

4 結(jié)論

提出一種基于暫態(tài)首半波的小電流接地選線方案，并在出線間隔線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)此方案應(yīng)用，通過(guò)模擬系統(tǒng)、真型場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行證明，該選線方案不受不穩(wěn)定電弧和消弧線圈的影響，靈敏度高，可靠性好。相對(duì)于傳統(tǒng)的接地選線裝置，配置此接地選線方案的間隔線路保護(hù)裝置，不增加硬件成本，后期維護(hù)成本低，增補(bǔ)間隔不會(huì)影響其他間隔的運(yùn)行。同時(shí)在一定條件下支持升級(jí)原有間隔線路保護(hù)裝置的軟件實(shí)現(xiàn)此功能，降低了現(xiàn)場(chǎng)改造升級(jí)的成本。