基于中電阻法的小電流接地選線方法研究

吳建宇

基于中電阻法的小電流接地選線方法研究

吳建宇

（福州市閩江公園管理處，福州 350000）

變電站小電流接地選線存在正確率偏低、漏報率和誤報率高等問題，直接影響配電網(wǎng)主站研判結果，導致無法實現(xiàn)故障自動隔離、供電可靠性大大降低。鑒于此，本文提出一種通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切，并配合投入變電站10kV線路零序過電流保護及10kV柱上開關的零序過電流保護，快速切除單相接地故障的方法。該方法充分發(fā)揮中電阻選線的優(yōu)點，可有效提高配電網(wǎng)單相接地時選線選段的準確率，且具有改造投資省、效率高，改造時停電時間短、停電范圍小的優(yōu)點，能有效彌補中電阻長時間投入并流過短路電流時易燒毀的缺點。

小電流接地選線；中電阻法；配電網(wǎng)；單相接地故障

0 引言

變電站小電流接地故障存在故障信號強度低、選線難度大等問題[1-3]，直接導致故障研判和處理時間長，影響配電網(wǎng)供電可靠性?，F(xiàn)有故障選線方法按照利用信號的方式不同，可分為被動式選線方法和主動式選線方法[4-6]。被動式選線方法利用故障時產(chǎn)生的電壓、電流信號進行故障識別，主要包括基于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)故障信息的識別法兩大類?；诜€(wěn)態(tài)故障信息的識別方法有群體比幅比相法、有功分量法、五次諧波法等，基于暫態(tài)故障信息的識別方法主要有暫態(tài)比幅比相法、暫態(tài)電流方向法和半波法等。主動式選線方法主要有注入信號法、殘留增量法、中電阻法等[7-11]。

綜合分析各小電流接地選線裝置選線方法及原理可知，除中電阻選線法外，各選線方法的選線準確率均受制于以下幾個方面：系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，零序電流過小，導致故障特征不明顯，影響選線準確率；系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，暫態(tài)過程太短，故障特征轉瞬即逝，選線裝置難以捕捉導致選線準確率低；選線準確率嚴重依賴母線上所有間隔所安裝的零序CT的精度、安裝的規(guī)范性、性能的完好性等[12-17]。

中電阻法通過并聯(lián)中電阻放大故障電流特征進行故障識別選線。在故障時短時投入中電阻，運用零序電流或有功功率變化量的選線原理來選線。由于中電阻的放大作用，所利用信號強度較大，選線正確率較好。該方法的主要不足在于增加了一次設備，易形成安全薄弱點；影響故障點熄弧，易燒毀形成安全隱患[18-21]。

針對上述被動和主動選線方案的不足，本文提出一種通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切并配合投入零序過電流保護跳閘的方法，充分發(fā)揮中電阻選線法的優(yōu)點并彌補其缺點，以提高配電網(wǎng)單相接地時的選線選段準確率。

1 原理分析與現(xiàn)場情況

1.1 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的故障特征

圖1為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。正常運行時，各相電壓對稱，中性點對地電壓為零，消弧線圈沒有電流流過，與中性點不接地系統(tǒng)相比各分量相同。發(fā)生單相接地故障時，非故障相各參數(shù)的分布情況與不接地系統(tǒng)也相同。

圖1 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)與中性點不接地系統(tǒng)的不同之處在于，在消弧線圈處增加了一個電感電流，即

此時，流過故障線路的電流變成經(jīng)消弧線圈補償過的系統(tǒng)電容電流，即

電感電流大小與消弧線圈有關。對于消弧線圈的選取，定義脫諧度為

式中，CΣ為整個配電網(wǎng)的對地電容電流。通常選取適當?shù)南【€圈電感值，使＜0，即令系統(tǒng)運行于過補償狀態(tài)，發(fā)生單相接地故障時，故障點接地電流為感性，可以避免引起諧振過電壓。

1.2 中電阻法的基本原理

中電阻選線方法系統(tǒng)示意圖如圖2所示，接地后短時投入與消弧線圈并聯(lián)的中電阻，運用零序電流變化量選線原理或有功功率選線原理，可實現(xiàn)選線。該方法所利用信號強度較大，因而選線正確率較高。

1.3 現(xiàn)場情況調(diào)查

本文對不同廠家的選線裝置進行全面檢測與對比，開展小電流接地選線裝置調(diào)研，重點分析裝置配置、運行情況及220kV變電站內(nèi)相關試驗工作。目前，各站的小電流接地選線裝置主要有五類，分別為獨立型選線裝置、與消弧線圈控制器集成的選線裝置、基于柱上三遙開關的選線裝置、低勵磁阻抗變壓器接地保護裝置及基于變電站監(jiān)控后臺的軟件選線。接地選線裝置類型見表1。

根據(jù)統(tǒng)計，所測范圍內(nèi)共有986臺接地選線裝置。其中，上海思源的有499臺，超過總數(shù)一半；其次依次是河北旭輝的115臺，山大電力的83臺，廣州智光的77臺，許繼電氣的39臺，廣東中鈺的30臺，南瑞科技的26臺，山東科匯的23臺，廣東順特的17臺，保定邁科特的16臺。上海思源、河北旭輝、廣州智光、廣東順特、廣東中鈺、許繼電氣、遼寧拓新、北京電力等廠家都是消弧線圈廠家，其接地選線裝置均為與控制器一體的裝置，其他廠家均為獨立的接地選線裝置。各地接地選線準確率見表2。

表1 接地選線裝置類型

表2 各地接地選線準確率

由表2可見，各地市公司提供的選線準確率普遍不高，最低的僅有28.5%，最高的為69.0%。各地區(qū)選線準確率均未達到規(guī)定要求的準確率不應低于90%的標準。

2 改進中電阻法及模型測試

2.1 改進措施

為了解決上述問題，本文提出一種零序過電流保護配置方法，通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切，并配合投入變電站10kV線路零序過電流保護及10kV柱上開關的零序過電流保護，能夠快速切除單相接地故障，有效解決中電阻長時間流過短路電流而燒毀的問題，同時天然形成了配電網(wǎng)單相接地故障的選線選段切除能力，可極大提升故障處理效率，保證配電網(wǎng)供電可靠性。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序過電流保護配置如圖3所示。

圖3 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序過電流保護配置

中電阻投入后，故障線路的零序電流顯著增大，變電站10kV線路零序過電流保護具備動作跳閘切除單相接地故障的條件，故可以投入變電站及柱上開關10kV線路保護零序過電流保護進行有選擇地出口跳閘，快速切除故障。同時，零序電流測量改由保護裝置使用的線路三相CT，并由保護裝置自產(chǎn)零序進行故障判別。10kV柱上開關投入零序保護并形成3段級差配合，具有選段能力。對于變電站10kV母線未配置消弧線圈的不接地系統(tǒng)，配置控制中電阻投切的小電流接地選線裝置來實現(xiàn)中電阻投切的功能。

2.2 模型試驗

使用RTDS數(shù)字動模仿真測試系統(tǒng)，對裝置的選線、選相準確率等動態(tài)性能進行測試，測試系統(tǒng)接線示意圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)接線示意圖

測試系統(tǒng)包括2條母線、7條支路，考慮經(jīng)消弧線圈接地方式，并且可以模擬母線分列運行、并聯(lián)運行及環(huán)網(wǎng)供電等不同運行方式。7條支路按照電纜分別占支路100%、50%、10%、0%的比率進行搭建，支路長度在3～30km之間。設置多個故障點，包括母線故障和不同線路的出口、中間、末端故障。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)試驗模型如圖5所示。

該模型的測試項目見表3，共包括18項，模擬故障個數(shù)超過600個，充分檢驗該方法在不同故障情況下的選線、選相準確率。

圖5 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)試驗模型

表3 模型測試項目

3 試驗結果及分析

3.1 選線準確率測試

對不同廠家的選線裝置進行測試，配合使用消弧線圈控制器及投入柱上零序保護，得到各廠家裝置的選線準確率見表4。

表4 各廠家裝置的選線準確率

實驗結果表明，本文所提方法在不同廠家設備上的選線準確率均在93%以上，基本符合相關技術原則的要求，配合使用的中性點消弧線圈控制器及投入的配合動作的零序保護在大多數(shù)情況下均能正確動作。

3.2 其他性能測試

1）靜態(tài)測試

零序電壓電流定值測試結果正確，夾角動作區(qū)間與廠家提供數(shù)值一致。

2）動模試驗

模擬區(qū)內(nèi)區(qū)外發(fā)生金屬性接地故障和高阻接地故障，裝置均能正確反應故障行為。

3）現(xiàn)場波形回放試驗

波形回放試驗基于A公司和B公司提供的現(xiàn)場故障波形開展，以檢測裝置實際告警性能，不同故障的現(xiàn)場波形如圖6所示。

由于現(xiàn)場波形長度只有250～300ms，裝置接地告警判據(jù)最小時限只能整定10s，波形回放試驗中需要將波形穩(wěn)態(tài)部分重復復制，直至大于10s，因此試驗結果與現(xiàn)場裝置判定結果可能存在差異。圖6（a）、圖6（b）分別為62號線路故障、RTDS動模試驗的現(xiàn)場波形，由圖可見，故障暫態(tài)特征明顯，暫態(tài)法判據(jù)準確性高。圖6（c）為5號線路故障的現(xiàn)場波形，當暫態(tài)特征不明顯時，暫態(tài)法動作情況隨機性較大。

圖6 不同故障的現(xiàn)場波形

若A公司、B公司對現(xiàn)場波形動作行為認定正確，僅暫態(tài)法動作情況與其他廠家裝置動作行為進行比較，使用該方法時設備同樣存在誤動、漏報現(xiàn)象，誤報漏報情況見表5。由表5可見，暫態(tài)法是綜合判據(jù)的關鍵，暫態(tài)法的不正確動作將直接導致區(qū)內(nèi)故障漏判，區(qū)外故障可能誤報；在暫態(tài)法正確動作前提下，零序電流整定值是正確判定區(qū)內(nèi)永久性接地故障的關鍵，若整定合理，則正確動作，反之則出現(xiàn)漏報。

表5 誤報漏報情況

3.3 改進方法的優(yōu)勢及存在的問題

改進方法的優(yōu)勢如下：

1）對于已配置帶中電阻投切功能消弧線圈的變電站，可通過投入10kV線路保護及柱上開關零序過電流保護的方式來提升選線選段準確率，方便快捷。

2）對于已配置消弧線圈但未配置中電阻的情況，可通過加裝中電阻的方式滿足中電阻投切要求。改造過程中，可采用10kV母線并列運行，輪流停運各母線消弧線圈的方式進行改造，不影響10kV線路運行。

3）該方法需使用線路三相CT，零序電流保護采用保護裝置自產(chǎn)零序的方法，不再依靠開關柜后部的零序CT。運行過程中可通過查看保護裝置的三相電流情況，判斷CT極性及CT回路的正確性和完整性，解決了零序CT運行時無法判斷完好性和正確性、安裝位置日常難以巡視、維護和查看的問題。

4）對于原線路只有兩相CT的情況，可以分間隔停電改造成三相CT，并且改造一個間隔，零序過電流保護直接投運一個間隔，選線選段正確與否不受未改造間隔的影響。在改造周期內(nèi)，若已投入零序過電流保護的間隔未發(fā)生跳閘，通過投切中電阻的方式可直接試拉未投入零序保護間隔，縮小故障處理的試拉范圍，一定程度上仍可提升故障處理效率，提高供電可靠性。

5）該方法可不增加配置單獨的小電流接地選線裝置，減少改造工作量且選線選段的準確率只與本間隔CT及故障時零序電流大小有關，不受其他間隔運行狀態(tài)的影響。

6）該方法解決了小電流接地選線裝置需母線上所有間隔的零序CT完好，且滿足選線要求時才有較高選線準確率這一苛刻條件的問題。

7）對于未配置消弧線圈的不接地母線，可配置帶小電阻投切功能的小電流接地選線裝置。

8）通過延時10s后投切中電阻的方法，可以有效過濾配電網(wǎng)瞬時單相接地故障，不依賴通信、不需綜合研判、不依賴裝置錄波研判功能。

依舊存在的缺陷如下：

1）大部分廠家裝置配置有母線零序電壓及三相電壓輸入，這種方式不僅具有故障選線功能還具有選相和PT斷線判斷功能。個別廠家裝置僅配置零序電壓輸入，僅具有選線功能，不具有選相及PT斷線功能。

2）支路發(fā)生接地故障時，同一段母線（并列運行的母線視為同一段母線）上的支路每次僅能選出一條故障線路。同一母線上兩條支路同時發(fā)生接地故障時，僅能選出其中一條。分列運行的不同母線上兩條支路發(fā)生接地故障時，兩條故障線路均能被正確選出。

3）部分廠家裝置在PT發(fā)生二次斷線情況下同一母線上支路發(fā)生接地故障時，選線準確，相別會選為PT斷線相；非PT斷線母線上支路發(fā)生接地故障時，選線選相均正確。

4）模擬支路零序CT極性接反情況下支路發(fā)生接地故障，此時故障選線基本都不正確，會選為母線故障。有些裝置未配置零序CT極性校準功能，不能通過參數(shù)設置修改裝置的CT極性。

5）大多數(shù)裝置無環(huán)網(wǎng)供電相關設置選項，并且模擬環(huán)網(wǎng)線路發(fā)生單相接地故障時均選線不正確。

4 結論

針對目前中電阻選線法存在中電阻長時間投入且流過短路電流時易燒毀的缺點，通過采用消弧線圈控制器控制中電阻投切，并配合投入零序過電流保護跳閘的措施，充分發(fā)揮中電阻選線方法的優(yōu)點并彌補其缺點，有效提高了配電網(wǎng)單相接地時選線選段的準確率，且改造范圍小、改造投資省、改造效率高，改造時停電時間短、停電范圍小，部分難以停電的間隔可不改造也不影響選線準確率。

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Research on fault line selection method based on medium resistance for low current grounding system

WU Jianyu

(Fuzhou Minjiang Park Office, Fuzhou 350000)

The low current grounding line selection in the substation has problems such as low accuracy rate, high omission rate and high false alarm rate, which directly affect the evaluation results of the main station of the distribution network. As a result, the automatic failure isolation cannot be realized, and the power supply reliability is greatly reduced. This paper presents a method to quickly remove the single phase grounding faults by using the arc-reducing coil controller and combining the 10kV line zero-sequence over-current protection and the 10kV column switches zero-sequence over-current protection. This method utilizes the advantages of the medium resistance to effectively improve the accuracy of line selection when single phase grounding. It has the advantages of saving investment, high efficiency, short power outage time and small power failure range. At the same time, it can effectively make up for the disadvantages of medium resistance being easily burnt out when it is put into operation for a long time and flows through short-circuit current.

low current grounding line selection; medium resistance; distribution network; single phase grounding fault

2023-09-05

2023-09-14

吳建宇（1984—），男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化、人工智能、控制工程、電力物聯(lián)網(wǎng)等研究工作。

國家自然科學基金（51777106）