小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線原理綜述
| 0 引言 目前世界各國的配電網(wǎng)都采用中性點(diǎn)不直接接地方式（NUGS）。因其發(fā)生接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)的電流小，所以稱其為小電流接地系統(tǒng)?？煞譃橹行渣c(diǎn)不接地系統(tǒng)（NUS）、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)（NRS）和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)（NES）。故障時(shí)由于三個(gè)線電壓仍然對(duì)稱，特別是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，流過接地點(diǎn)的電流很小，不影響對(duì)負(fù)荷連續(xù)供電，《電力系統(tǒng)安全規(guī)程》規(guī)定仍可繼續(xù)運(yùn)行0.5~2個(gè)小時(shí)。但小接地電流系統(tǒng)在單相接地時(shí)，非故障相電壓會(huì)升為線電壓，長時(shí)間帶故障運(yùn)行極易產(chǎn)生弧光接地，形成兩點(diǎn)接地故障，引起系統(tǒng)過電壓，從而影響系統(tǒng)的安全。因此，需要一種接地后能選擇故障線路的裝置進(jìn)行故障檢測(cè)，一般不動(dòng)作于跳閘而僅動(dòng)作于信號(hào)。 1 研究狀況回顧 國外對(duì)小電流接地保護(hù)的處理方式各不相同。前蘇聯(lián)采用中性點(diǎn)不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式，保護(hù)主要采用零序功率方向原理和首半波原理。日本采用高阻抗接地方式和不接地方式，但電阻接地方式居多，其選線原理較為簡(jiǎn)單，不接地系統(tǒng)主要采用功率方向繼電器，電阻接地系統(tǒng)采用零序過電流保護(hù)瞬間切除故障線路。近年來一些國家在如何獲取零序電流信號(hào)及接地點(diǎn)分區(qū)段方面作了不少工作并已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于接地保護(hù)。美國電網(wǎng)中性點(diǎn)主要采用電阻接地方式，利用零序過電流保護(hù)瞬間切除故障線路，但故障跳閘僅用于中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地系統(tǒng)，對(duì)高阻接地系統(tǒng)，接地時(shí)僅有報(bào)警功能。法國過去以地電阻接地方式居多，利用零序過電流原理實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)，隨著城市電纜線路的不斷投入，電容電流迅速增大，已開始采用自動(dòng)調(diào)諧的消弧線圈以補(bǔ)償電容電流，并為解決此種系統(tǒng)的接地選線問題，提出了利用Prony方法[1]和小波變換以提取故障暫態(tài)信號(hào)中的信息（如頻率、幅值、相位）以區(qū)分故障與非故障線路的保護(hù)方案，但還未應(yīng)用于具體裝置。挪威一公司采用測(cè)量零序電壓與零序電流空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位的方法，研制了一種懸掛式接地故障指示器，分段懸掛在線路和分叉點(diǎn)上。加拿大一公司研制的微機(jī)式接地故障繼電器也采用了零序過電流的保護(hù)原理，其軟件算法部分采用了沃爾什函數(shù)，以提高計(jì)算接地故障電流有效值的速度。90年代，國外有將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及專家系統(tǒng)方法應(yīng)用于保護(hù)的文獻(xiàn)。 我國配電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)的供電系統(tǒng)大都采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，近年來一些城市電網(wǎng)改用電阻接地運(yùn)行方式。礦井6~10kV電網(wǎng)過去一直采用中性點(diǎn)不接地方式，隨井下供電線路的加長，電容電流增大。近年來消弧線圈在礦井電網(wǎng)中得到了推廣應(yīng)用并主要采用消弧線圈并串電阻的接地方式。單相接地保護(hù)原理研究始于1958年，保護(hù)方案從零序電流過流到無功方向保護(hù)，從基波方案發(fā)展到五次諧波方案，從步進(jìn)式繼電器到群體比幅比相，以及首半波方案，先后推出了幾代產(chǎn)品，如許昌繼電器廠的ZD系列產(chǎn)品，北京自動(dòng)化設(shè)備廠的XJD系列裝置，中國礦大的μP-1型微機(jī)檢漏裝置和華北電力大學(xué)研制的系列微機(jī)選線裝置等。 2 單相接地時(shí)NUGS的主要特征 現(xiàn)對(duì)NUGS單相接地故障前后的特征歸納如下: (1) 零序電壓互感器開口電壓通常為零。(實(shí)際上由于不平衡電壓的影響小于5V)。接地后接近100V(金屬性接地:經(jīng)電阻接地U02∈(30,100))。 (2) 非接地線路(設(shè)線路序號(hào)為K)的零序電流Iok為該線路對(duì)地等效電容電流，相位超前零序電壓U090°。 (3) 接地線路的零序電流I0和非接地線路的零序電流方向相反，即相位滯后零序電壓U090°，且等于所有非接地線路中電容電流與變壓器中性點(diǎn)電流之和。 (4) 對(duì)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(NES)，零序電流5次諧波對(duì)以上結(jié)論成立。 (5) 以上結(jié)論，與故障點(diǎn)接地電阻，系統(tǒng)運(yùn)行方式，電壓水平和負(fù)荷無關(guān)。 常規(guī)微機(jī)小電流接地選線裝置的工作原理一般都是基于以上幾個(gè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，但實(shí)現(xiàn)方式和可靠性程度不盡相同。 3 對(duì)幾種選線保護(hù)原理的討論 3.1 早期的單一判據(jù)原理 由于線路自身的電容電流可能大于系統(tǒng)中其他線路的電容電流之和，所以按零序電流大小整定的過電流繼電器理論上就不完善，它還受系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路長短等許多因素的影響，而導(dǎo)致誤選、漏選、多選;“功率方向”原理采用逐條檢測(cè)零序電流I0功率方向來完成選線功能，當(dāng)用于短線路時(shí)，由于該線路的零序電流小，再加之功率方向受干擾，在一定程度上選線是不可靠的，更多地發(fā)生誤、漏選情況; 用各線路零序電流作比較，選出零序電流******的線路為故障線路的“******值”原理，在多條線路接地或線路長短相差懸殊的情況下，很可能造成誤選和多選;“首半波”原理基于接地故障發(fā)生在相電壓接近******值瞬間這一假設(shè)，利用故障后故障線路中暫態(tài)零序電流每一個(gè)周期的首半波與非故障線路相反的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，但它不能反映相電壓較低時(shí)的接地故障，且受接地過渡電阻影響較大，同時(shí)存在工作死區(qū); 利用5次或7次諧波電流的大小或方向構(gòu)成選擇性接地保護(hù)的“諧波方向”原理，由于5次或7次諧波含量相對(duì)基波而言要小得多，且各電網(wǎng)的諧波含量大小不一，故其零序電壓動(dòng)作值往往很高，靈敏度較低，在接地點(diǎn)存在一定過渡電阻的情況下將出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象。 3.2 群體比幅比相原理 此種方法為多重判據(jù)，多重判據(jù)即為用二種及以上原理為判據(jù)，增加可靠性和抗干擾性能力，減少受系統(tǒng)運(yùn)行方式、長短線、接地電阻的影響。文[2]采用幅值法與相位法相結(jié)合，先用“******值”原理從線路中選出三條及以上的零序電流I0******的線路，然后用“功率方向原理從選出的線路中查找零序電流I0滯后零序電壓U0的線路，從而選出故障線路。該方案稱為3C方案，因排隊(duì)后去掉了幅值小的電流，在一定程度上避免了時(shí)針效應(yīng)，另外排隊(duì)也避免了設(shè)定值，具有設(shè)定值隨動(dòng)的“水漲船高”的優(yōu)點(diǎn)。它既可以避免單一判據(jù)帶來的局限性，也可以相對(duì)縮短選線的時(shí)間，是較理想的方式。 3C方案中，因I3也可能較小，由此相位決定是I2還是I1接地可能引起誤判，I3越小，誤判率越高，為此文[3]提出的MLN系列微機(jī)選線裝置擴(kuò)展了4種選線方案，除3C方案外，增加了2C1V、1C1V、2C、1C方案，由計(jì)算機(jī)按不同條件選擇合適的方案或人為設(shè)定方案判線，判線準(zhǔn)確率得到進(jìn)一步改善。 小電流系統(tǒng)單相接地投入保護(hù)跳閘后，要求保護(hù)裝置具有更高的可靠性。文[4]將模糊決策理論引入了MLN-R系列小電流微機(jī)保護(hù)屏，將5種選線方案按模糊決策組合裁決，給出跳閘出口的同時(shí)還打印出可信度。 3.3 “注入法”原理[5] 它不利用小電流接地系統(tǒng)單相接地的故障量，而是利用單相接地時(shí)原邊被短接暫時(shí)處于不工作狀態(tài)的接地相PT，人為地向系統(tǒng)注入一個(gè)特殊信號(hào)電流，用尋跡原理即通過檢測(cè)，跟蹤該信號(hào)的通路來實(shí)現(xiàn)接地故障選線。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，注入信號(hào)電流僅在接地線路接地相中流動(dòng)，并經(jīng)接地點(diǎn)入地。利用一種只反映注入信號(hào)而不反映工頻及其諧波成分的信號(hào)電流探測(cè)器，對(duì)注入電流進(jìn)行尋蹤，就可實(shí)現(xiàn)單相接地故障選線與接地點(diǎn)定位。其主要特點(diǎn)有: (1)勿需增加任何一次設(shè)備不會(huì)對(duì)運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生任何不良影響。(2)注入信號(hào)具有不同于系統(tǒng)中任何一種固有信號(hào)的特征，對(duì)它的檢測(cè)不受系統(tǒng)運(yùn)行情況的影響。(3)注入信號(hào)電流僅在接地線路接地相中流通，不會(huì)影響系統(tǒng)的其它部位。 3.4 注入變頻信號(hào)法 為解決“S注入法”在高阻接地時(shí)存在誤判的問題，文[6]提出注入變頻信號(hào)法。其原理是根據(jù)故障后位移電壓大小的不同，選擇向消弧線圈電壓互感器副邊注入諧振頻率恒流信號(hào)還是向故障相電壓互感器副邊注入頻率為70Hz的恒流信號(hào)，然后監(jiān)視各出線上注入信號(hào)產(chǎn)生的零序電流功角、阻尼率的變化，比較各出線阻尼率的大小，再計(jì)及線路受潮及絕緣老化等因素可得出選線判據(jù)。但當(dāng)接地電阻較小時(shí)，信號(hào)電流大部分都經(jīng)故障線路流通，導(dǎo)致非故障線路上阻尼率誤差較大。 3.5 ******△(Isinj)原理 圖1為理想情況下單相接地故障后零序電壓與故障、非故障零序電流的相量關(guān)系。其中，3U0為故障后出現(xiàn)的零序電壓,在故障前它的大小為零; 3I0,F為故障線路的零序電流，它超前3U090°; 3I0,N為非故障線路的零序電流，它滯后3U090°, 比3I0,F在數(shù)值上小很多; 3I0,T為變壓器的接地電流，它與接地故障判斷無關(guān)。因此，理想情況下，只要對(duì)各出線零序電流的大小或方向進(jìn)行比較，就可找出故障線路。但當(dāng)變電站為三相架空出線時(shí)，3I0的大小和方向要受到CT的不平衡電流Ibp的影響。最壞的情況是，由于Ibp 的影響，實(shí)際檢測(cè)得到的故障線路的零序電流3I′0,F=（3I0,F+Ibp,F）與非故障線路的零序電流3I′0,N=（3I0,N+Ibp,,N)方向相同。顯然，此時(shí)只對(duì)各出線零序電流的大小或方向進(jìn)行比較將會(huì)造成誤判。 為了解決上述問題，文[7]提出******△(Isinj)方案: 把所有線路故障前、后的零序電流3I0,I,前、3I0,I,后都投影到3I0,F方向上。接著，計(jì)算出各線路故障前、后的投影值之差△I0,I，找出差值的******值△I0,k,即******的△(Isinj)。顯然，當(dāng)I0,k>0時(shí)，對(duì)應(yīng)的線路k為故障線路，否則為h段母線故障。 該原理實(shí)際上是一種******故障電流突變量原理，能完全克服CT誤差引起的不平衡電流的影響，減少了誤判的可能性，靈敏度高適用范圍廣，是現(xiàn)有判別方法中較成功、有效的一種方法。但其算法有兩個(gè)缺陷: 計(jì)算過程中需選取一個(gè)中間參考正弦信號(hào)，如果該信號(hào)出現(xiàn)問題將造成該算法失效; 該算法在計(jì)算過程中需求出有關(guān)相量的相位關(guān)系，計(jì)算量相當(dāng)大，這使得******△(Isinj)原理在實(shí)現(xiàn)過程中很難保證具有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性。 針對(duì)上述缺陷，文[8]提出實(shí)現(xiàn)******△(Isinj)的快速算法——遞推DFT算法，完全省去了中間參考正弦量，同時(shí)極大地簡(jiǎn)化了原有算法的計(jì)算工作量，使得******△(Isinj)原理可以快速、可靠地實(shí)現(xiàn)，從而有了更廣闊的應(yīng)用前景。 3.6 能量法 文[9]利用其所定義的零序能量函數(shù)實(shí)現(xiàn)小電流接地選線: 根據(jù)非故障線路的能量函數(shù)總是大于零，消弧線圈的能量函數(shù)與非故障線路極性相同，故障線路的能量函數(shù)總是小于零，并且其絕對(duì)值等于其他線路(包括消弧線圈)能量函數(shù)的總和的特征，提出方向判別和大小判別兩種接地選線方法。能量法適用于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，并且不受負(fù)荷諧波源和暫態(tài)過程的影響，從而在理論上解決了傳統(tǒng)方法選線準(zhǔn)確率低的問題。 3.7 遙感式小電流接地選線原理 文[10]利用帶電導(dǎo)體周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，交變電流的幅值可以通過在其激勵(lì)的電磁場(chǎng)中的某一點(diǎn)所感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)的大小直接反映出來的原理，測(cè)量導(dǎo)線中電容電流5次諧波的變化情況，來判斷故障線路。其做法是: 在所有的輸電線出口處，都裝設(shè)一個(gè)遙測(cè)裝置(探測(cè)器)，而這個(gè)裝置只接收電容電流中的5次諧波電磁場(chǎng)，每個(gè)裝置接收的信號(hào)再集中送至中心處理裝置比較出信號(hào)最強(qiáng)的線路，這條線路就是發(fā)生接地故障的線路。由于采用遙感接收，使得裝置與電力系統(tǒng)一次設(shè)備不發(fā)生直接接觸，是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的較理想的裝置。 3.8 負(fù)序電流選線原理 文[11]提出一種利用負(fù)序電流及負(fù)序電流與零序電流比較的故障選線原理。它基于以下特點(diǎn): 負(fù)序電流由故障點(diǎn)產(chǎn)生，流向電源和非故障線路，與電源的負(fù)序電流方向基本相反; 由于故障相電壓在接地故障過渡電阻上產(chǎn)生故障電流，故障線路的負(fù)序電流與故障相電壓相位一致。另外，在假設(shè)饋線保護(hù)安裝處到線路末端的線路長度較短的條件下，IOK≈I2K, 即故障線路K保護(hù)安裝處的負(fù)序電流近似等于零序電流。由這種原理構(gòu)成的保護(hù)裝置具有不受弧光接地影響，抗過渡電阻能力強(qiáng)，負(fù)序電流與零序電流比較式接地保護(hù)具有自適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但負(fù)序電流絕大部分由故障線路流向電源，非故障線路負(fù)序電流很小，方向準(zhǔn)確測(cè)量困難，這就使得負(fù)序方向接地保護(hù)在實(shí)際配置中使用的可能性較小; 另外，當(dāng)線路K保護(hù)安裝處到線路末端線路較長時(shí)，負(fù)序與零序方向保護(hù)的假設(shè)不一定成立。該技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。 |
