配電自動化成套設備小電流接地故障保護功能的應用驗證

陳晨，畢云川，陳余，楊惠媛，楊奉剛，曹榕，施銘濤

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司大理供電局，云南 大理 671000；2.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

目前，我國10 kV 配電網(wǎng)中性點主要采用不接地、經(jīng)小電阻接地、經(jīng)高電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地這幾種接地方式[1-3]。其中非有效接地方式涉及的10 kV 配電線路大部分為裸導線，線路（特別是分支線）通道跨越雷區(qū)、林區(qū)等，在大風、雨季、雷季等時節(jié)經(jīng)常發(fā)生接地故障，而小電流接地故障產(chǎn)生的過電壓容易導致非故障相絕緣擊穿，因此，配電網(wǎng)長時間帶接地故障運行，有可能使故障范圍和嚴重程度擴大，造成重大經(jīng)濟損失。實際工作中小電流接地故障中還有一部分是由導線墜地引起的，墜地的導線長期帶電運行，容易引發(fā)山火、或造成人身觸電事故，產(chǎn)生惡劣的社會影響。

由于架空線路系統(tǒng)容性電流較小，母線一般為非有效接地系統(tǒng)，分支接地故障經(jīng)常需要上級開關(guān)跳閘，引起大范圍的停電。目前，云南電網(wǎng)主干線利用電壓-時間型邏輯配合功能中的合到零壓分閘并閉鎖合閘功能，已實現(xiàn)接地故障的定位隔離；但由于分支線上的接地故障由于系統(tǒng)容性電流小，穩(wěn)態(tài)零序保護不能正常啟動，不能通過分支斷路器直接隔離，需并入主干線接地故障來處理，導致故障隔離范圍擴大。此外，由于缺乏可靠的小電流接地故障定位技術(shù)，目前在選出故障線路之后，主要還是靠人工巡線的方法查找故障點，故障修復時間長，而且耗費大量的人力物力。目前暫態(tài)接地選線技術(shù)已很成熟，可以用到分支線配電自動化終端上來實現(xiàn)分支線接地故障的直接隔離[4-8]。本文通過對某供電局使用的配電自動化終端小電流接地選線功能進行試驗，驗證該功能在分支線配電自動化終端隔離接地故障的準確性。

1 小電流接地故障保護功能原理

1.1 小電流接地故障暫態(tài)特征

小電流接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時接地瞬間的過渡過程會產(chǎn)生明顯的暫態(tài)電氣量，包含豐富的故障位置信息。要嚴格計算出接地故障電氣量（特別是暫態(tài)分量）的變化過程比較復雜，而使用簡化的等效電路進行分析，得出一些初步的結(jié)論，可以較好地把握故障電氣量的基本特征。配電網(wǎng)接地故障等值電路如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)接地故障暫態(tài)簡化等效電路

配電網(wǎng)小電流接地故障暫態(tài)具有末端開路狀態(tài)下的諧振特性、末端短路狀態(tài)下的諧振特性、末端帶有負荷傳輸線的諧振特性。在一般條件下，末端帶有負荷的線路會發(fā)生無窮多次并聯(lián)和串聯(lián)諧振。當多條參數(shù)不同的均勻傳輸線并聯(lián)時，設在角頻率時某條線路發(fā)生了串聯(lián)諧振，而其他線路均無諧振產(chǎn)生，則該條線路對外阻抗最小，線路中流過的電流為最大值。同理，若有一條線路發(fā)生了并聯(lián)諧振，而其他線路均無諧振產(chǎn)生，則該條線路對外導納最小，線路中流過的電流為最小值。

1.2 配電自動化終端小電流接地故障保護功能

配電自動化終端小電流接地故障保護功能主要是利用故障暫態(tài)波形的特征，通過對暫態(tài)暫態(tài)電氣量進行識別，以實現(xiàn)小電流接地功能。目前，云南電網(wǎng)地區(qū)已投運的配電自動化終端中小電流接地選線功能僅有小電流接地告警、小電流接地出口跳閘、小電流接地重合閘三項。配電自動化終端在投入小電流接地選線功能時終端投入III 段式保護，退出零序I 段過流保護，投入小電流接地告警、小電流接地出口、小電流重合閘功能。根據(jù)類型不同，本次測試分別對終端1 和終端2 進行測試。兩個終端主要小電流接地選線功能原理如表1 所示。

表1 配電自動化終端小電流接地選線功能參數(shù)

1.3 單相接地故障的暫態(tài)過程

我們通常將接地故障分為瞬時性接地故障和永久性接地故障。發(fā)生瞬時接地故障后，配電自動化終端通過1 至2 次重合閘即可識別，配電線路可以在瞬時接地故障小時后繼續(xù)正常運行。發(fā)生永久性接地故障后，配電自動化終端將會出現(xiàn)重合閘失敗的情況，以輔助運維人員前往現(xiàn)場查找故障。配電自動化終端對接地故障的識別與中性點接地方式有較強的的關(guān)聯(lián)性，如文獻[9]介紹了國內(nèi)外配電網(wǎng)中性點接地方式的現(xiàn)狀，并從供電可靠性、單相接地故障處理對策、人身風險、設備風險等方面對配電網(wǎng)各種中性點接地方式進行了對比分析。

在中性點不接地方式下的配電網(wǎng)中，當C相發(fā)生單相接地故障時，接地故障點的電流接近系統(tǒng)電容電流，發(fā)生接地故障后，A、B 相電壓均升高，C 相電壓明顯降低，發(fā)生單相接地故障前后的接地故障波形見如圖2 所示。

圖2 中性點不接地方式下的接地故障波形

中性點經(jīng)消弧并小電阻接地方式下的配電網(wǎng)中，發(fā)生單相接地故障時，故障點電流在消弧線圈的補償作用下能夠得到抑制，但不能消除，發(fā)生永久性接地故障時，消弧線圈退出，投入小電阻，放大故障電流，此時變電站出線開關(guān)或配電自動化終端零序保護經(jīng)過延時動作，切除故障線路。發(fā)生單相接地故障前后的接地故障波形見圖3。

圖3 中性點經(jīng)消弧并小電阻接地方式下的接地故障波形

結(jié)合經(jīng)驗來說，對于中性點不接地系統(tǒng)一般用于單相接地故障電流小于10 A 的情況，當發(fā)生瞬時性或者永久性單相接地故障后，因為系統(tǒng)存在較高的可靠性和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)仍可繼續(xù)運行，一般為2 h，故障消失后即可恢復正常。經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)用于發(fā)生永久性接地故障且電流超過10 A 時的情況，該接地方式可減少甚至避免產(chǎn)生間歇性弧光接地過電壓的可能性。

2 小電流接地故障保護功能驗證

2.1 試驗驗證工況

根據(jù)不同配電自動化終端小電流接地故障保護功能的判據(jù)不同，分別通過試驗就行驗證，設置為兩個工況。工況一：將10 kV 架空II 回（三相200 m）線、集總參數(shù)2 號柜、集總參數(shù)1 號柜進行串聯(lián)，實現(xiàn)30 km 模擬架空線路和200 m 真實架空線串聯(lián)，其中10 kV 架空II回線路尾端T 接接地故障支路，故障類型分別為：中性點不接地方式下的金屬性接地、低阻接地、高阻接地。工況二：將10 kV 架空II 回（三相200 m）線、集總參數(shù)2 號柜、集總參數(shù)1 號柜、集總參數(shù)4 號柜、集總參數(shù)5 號柜進行串聯(lián)，實現(xiàn)30 km 模擬架空線路和200 m 真實架空線串聯(lián)，其中10 kV 架空II 回線路尾端T 接接地故障支路，故障類型分別為：中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下的金屬性接地、低阻接地、高阻接地。接線示意圖如圖4 所示。

圖4 200 m架空真型線路接線示意圖

2.2 試驗驗證過程

按照中性點工作方式不同開展分別進行試驗。在中性點不接地方式下，試驗過程中通過集總參數(shù)2 號柜、集總參數(shù)1 號柜模擬線路參數(shù)，在10 kV 架空II 回線路尾端T 接接地故障支路，并在故障支線前端進行錄波輔助分析。在中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下，在上述試驗過程的基礎上增加集總參數(shù)4 號柜、集總參數(shù)5 號柜調(diào)節(jié)系統(tǒng)對地容性電流。最后依次開展金屬性接地（0 Ω）、低阻（500 Ω）、高阻（1 kΩ）、高阻（2 kΩ）接地小電流接地保護功能情況。

2.3 小電流接地保護功能試驗驗證

按故障持續(xù)時間與類型，可將故障劃分為瞬時性接地故障與永久性接地故障。根據(jù)實際應用需求，本次試驗主要驗證的是瞬時性接地故障持續(xù)時間大約1 s，永久性接地故障持續(xù)時間大于2 s。根據(jù)以上測試項目組合，本次試驗模擬單相接地故障共32 次，分別對終端1 和終端2 各測試16 次。經(jīng)過對32 次測試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有配電自動化終端在小電流接地選線保護功能方面存在以下情況。

2.3.1 終端1試驗波形暫態(tài)過程分析

針對終端1 以測試項目14（中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下高阻1 kΩ 永久性接地故障）為例，對電壓、電流波形進行展示分析，如圖5為故障線路電壓、電流波形，圖6 為故障線路零序電壓、電流幅值、相角等測試數(shù)據(jù)。故障發(fā)生時雖然零序電壓幅值已超過3U0（54 V），但零序電壓、電流相角差未達到180°，故終端對接地故障判斷不成功，未發(fā)送跳閘出口指令。

圖5 故障線路電壓、電流波形

圖6 故障線路零序電壓、電流幅值、相角

2.3.2 終端1試驗波形暫態(tài)過程分析

針對終端2 以實驗項目3 和實驗項目4（中性點不接地方式下低阻500 Ω 瞬時接地故障、永久接地故障）為例，對電壓、電流波形為例進行展示。圖7 為故障線路電壓、電流波形，圖8 為故障線路零序電壓、電流幅值、相角等測試數(shù)據(jù)。

圖7 故障線路電壓、電流波形

圖8 故障線路零序電壓、電流幅值、相角（永久接地故障、瞬時接地故障）

1）試驗項目3 瞬時接地故障：故障發(fā)生時零序電壓、電流相角差為92.35°（未超過180°），雖然零序電壓幅值大于3U0（54 V），但故障持續(xù)未達到或超過2 s，故終端成功識別瞬時故障，不發(fā)送跳閘出口指令。如故障發(fā)生時雖然零序電壓幅值已超過3U0（54 V），但零序電壓、電流相角差未達到180°，故終端對接地故障判斷不成功，未發(fā)送跳閘出口指令。

2）試驗項目4 永久接地故障：故障發(fā)生時零序電壓、電流相角差為267.36°（超過180°），且零序電壓幅值大于3U0（54 V），同時故障持續(xù)超過2 s，故終端故障識別成功，發(fā)送跳閘出口指令。

2.4 小電流接地保護功能驗證結(jié)果

2.4.1 終端1小電流接地保護功能驗證結(jié)果

1）因此類終端對小電流接地故障判據(jù)較為簡單，故線路發(fā)生瞬時、永久接地故障時，終端設置小電流接地故障出口延時時間2 s 后，開關(guān)都動作，線路開關(guān)出現(xiàn)頻繁跳閘，無法區(qū)分瞬時故障和永久故障。

2）在中性點不接地方式下終端1 對瞬時性接地故障和永久性接地故障兩種單相接地故障基本可以能識別成功，僅對高阻（2 kΩ）永久性接地故障判斷不準確，開關(guān)不動作。

3）在中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下對金屬性接地（0 Ω）瞬時性接地故障故障、高阻（1 kΩ、2 kΩ）瞬時性和永久性接地故障判斷均不準確，開關(guān)不動作。

2.4.2 終端2小電流接地保護功能驗證結(jié)果

1）在中性點不接地方式下終端2 能正確識別瞬時性接地故障和永久性接地故障并出口，開關(guān)均能正確工作。

2）在中性點經(jīng)消弧線圈接地方式下僅能準確識別金屬性接地故障，對低阻（500 Ω）、高阻（1 kΩ、2 kΩ）永久性接地故障判斷均不準確，開關(guān)不動作。

綜上所述，終端2 相比較終端1 增加對接地故障持續(xù)時間的判據(jù)，能相對準確地識別瞬時性接地故障和永久性接地故障，且終端2 總體來說在中性點不接地方式下能準確識別接地故障并正確出口。故終端2 相比較終端1 的小電流接地保護功能較為有效，但相比較變電站內(nèi)暫態(tài)選線功能，終端對小電流接地故障的判據(jù)過于單一和簡單，還有很大的提升空間。

3 結(jié)束語

隨著10 kV 配電自動化開關(guān)的普遍應用，對配電自動化開關(guān)準確識別并隔離短路、接地等各類故障的功能要求越來越多，精準性也會越來越高。小電流接地方式因為其高供電可靠性得以廣泛應用于配電網(wǎng),且所有故障事故中,由單相接地引起線路故障的發(fā)生率高達80%。然而,在現(xiàn)有配電網(wǎng)線路發(fā)生接地故障時,故障選線裝置由于誤選、漏選等情況,導致選線正確率不能滿足供電可靠性要求。因此，準確識別單相接地故障并應用于配電自動化終端中能有效減少接地故障帶來的危害，同時對配電網(wǎng)供電可靠性、人身風險、電網(wǎng)風險都發(fā)揮著積極的作用。