小电流接地系统单相接地故障选线装置原理及发展

引言

21ic智能电网：在我国35kV及10kV电力系统大多采用小电流接地系统，包括中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统。小电流接地系统的优点在于，发生单相接地时当线路发生单相接地故障时，故障电流的数值往往较负荷电流小的多，故障相电压降为零，非故障相电压升高为相电压的√3倍，但三相之间的线电压仍然保持对称，对供电负荷没有影响，因此规程允许继续运行1～2h。多数情况下故障能够自动消失并恢复绝缘，极大地提高了供电可靠性。但是，随着电网规模的变化和大量电缆的应用，小电流接地系统发生单相接地时，非故障相电压升高对电网设备绝缘破坏情的况不断增加：发生间歇性电弧接地，由于过电压较高破坏作用相当大;发生恒定阻抗接地，工频过电压也会对设备产生损伤，这种损伤积累到一定程度会破坏设备绝缘性能。很多变电站在单相接地持续长时间后发生了引发电力电缆爆炸、避雷器、PT爆炸或绝缘子闪络情况，易扩大为相间短路，因此，迅速确定系统接地点消除单相接地故障对系统的安全运行有着十分重要的意义。

为了确定故障线路，传统的方法是用人工逐条线路拉闸判断哪条线路出现故障，由于各种原因有时寻找故障需要相当长的时间，降低了供电可靠性，影响了供电部门和用户的经济效益。而人工拉路法选线每一次开关的断开和闭合都会对电网造成冲击，容易产生操作过电压和谐振过电压，频繁的开关操作也会减少开关使用寿命。　同时，随着对于综自和无人值班变电站的增加，一是有时集控站值班人员发现和处理接地信号时间较长，尤其是夜晚发出的接地信号，容易造成带故障长时间运行;二是逐条拉路寻找需要远方遥控操作，增加了设备的负担。所以快速准确的故障选线和定时跳闸有利于提高设备的使用寿命，提高供电可靠性;有利于减少维护检修负担和用户的停电概率，提高供电部门和用户的经济效益。

2 单相接地时小电流接地系统的主要特征

现对小电流接地系统单相接地故障前后的特征归纳如下:

2.1零序电压互感器开口电压通常为零。(实际上由于不平衡电压的影响小于5V)。接地后接近100V(金属性接地:经电阻接地Uo2∈(30,100))。(此段Uo2∈是表示什么?)

2.2非接地线路的零序电流Io为该线路对地等效电容电流，相位超前零序电压

Uo90°。

2.3 接地线路的零序电流Io和非接地线路的零序电流方向相反，即相位滞后零序电压Uo90°，且等于所有非接地线路中电容电流与变压器中性点电流之和。

2.4对经消弧线圈接地系统，零序电流5次谐波对以上结论成立。

以上结论，与故障点接地电阻，系统运行方式，电压水平和负荷无关。

3 常用的几种选线装置原理与存在的问题

目前现场应用的主要有稳态分量法、谐波分量法、暂态法、接地选线和消弧线圈一体化发等四种原理的接地选线装置。

3.1稳态分量法。

稳态分量法又分为零序电流比幅法，零序电流相对相位法，以及群体比幅比相法。

3.1.1零序电流比幅法利用的是流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比较零序电流幅值大小就可以找出故障线路。但这种方法不能排除TA不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它所有线路电容电流之和的情况，装置易发生误动，不适用于经消弧线圈接地的系统。

3.1.2零序电流相对相位法是利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，分别从线路流向母线或由母线流向线路，就可以找出故障线路。但这种方法在线路较短，零序电压、零序电流值较小时，相位判断困难，不能适用于谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式。

3.1.3群体比幅比相法是综合利用零序电流比幅法和零序电流相对相位法，先进行零序电流比较，选出几个较大的作为侯选，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其它不同的，即为故障线路。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除CT不平衡及过渡电阻大小的影响，以及相位判断的死区，仍不适用于经消弧线圈接地的小电流系统。

3.2谐波分量法。

谐波分量法分为5次谐波大小和方向，各次谐波平方和等方法。

3.2.1 5次谐波大小和方向法，当单相接地故障时，由于故障点、线路设备的非线性影响，在故障电流中存在着谐波信号，其中以5 次谐波为主。经消弧线圈接地系统的消弧线圈是按照基波计算的，消弧线圈相当于处于开路状态。可忽略消弧线圈对5次谐波产生的补偿效果。再利用5次谐波电容电流的群体比幅比相法，就可以解决经消弧线圈接地系统的选线问题。但故障电流中5次谐波含量较小(小于故障电流10%)，且受TA不平衡电流和过渡电阻的影响，选线的准确度也不是很稳定。

3.2.2各次谐波平方和方法是将3、5、7等谐波分量求和，再根据谐波理论进行选线。虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但不能从根本上解决问题。

3.3利用接地故障暂态过程的选线法(即暂态分量法)。

暂态分量法可分为首半波法和基于小波分析法。

3.3.1首半波法是基于接地发生在相电压接近最大瞬间这一假设，此时故障相电容电荷通过故障相线路向故障点放电，故障线路分布电容和分布电感具有衰减特性，该电流不经过消弧线圈，所以暂态电感电流的最大值相应于接地故障发生在相电压经过零瞬间，而故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流为零。此时的暂态电容电流比电感电流大得多。利用故障线路暂态零序电流和电压首半波的幅值和方向均与正常情况不同的特点，即可实现选线。但这种方法存在前提条件是故障需发生在相电压接近最大值瞬间，不利于在具体工程中实施。

3.3.2 基于小波分析法是利用小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化比较敏感，能可靠地提取出故障特征。小波变换是把一个信号分析成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就构造出利用暂态信号进行接地选线的判据。但电力系统的实际运行是复杂多变的，需综合分析母线零序电压和各出线零序电流的小波变换参数，才有助于对故障线路的准确选线判断。

3.4接地选线和消弧线圈自动补偿一体化的选线方法。

为降低单相接地电容电流过大造成的各种危害，在配电网的中性点装设消弧线圈，消弧线圈的电感电流补偿了单相接地电容电流，却使以群体比幅比相法的接地选线装置丧失了选线作用。近几年，虽然有针对中性点消弧线圈接地而发展的选线装置，但由于采集单相接地信号很困难，在实用中误判率较高。采用微机控制和动态改变接地电感，可解决补偿和选线的矛盾。在系统发生单相接地时，微机控制器先根据检测到的零序电压和零序电流的大小及方向，确认为单相接地时，使消弧线圈感抗很大远离全补偿，感性电流很小，对单相接地电容电流影响很小，对选线没有影响，待装置确认了单相接地故障线路并记忆保存后，装置再进行自动补偿，使脱谐度不超过±5%。

4 选线原理的不足主要原因

小电流接地系统自动选线技术是一个难题，它的难点主要表现在：单相接地故障时故障信号小，不象其它故障如两相短路、两相接地短路等故障类型故障信号那么大;单相接地故障的类型复杂而不确定，有全接地故障、有间隙性弧光接地、有经不稳定电阻接地、经树枝接地(高阻接地)等等;中性点接地方式不确定，有不接地、有经消弧线圈接地等。选线装置原理使用不理想的主要原因有以下几点。

4.1 每种原理的局限性

虽然已经有多达十几种甚至更多的选线方法，但是每种选线方法都只利用了故障某一方面的特征，当该方法需要的故障特征不明显时，这种方法就会出现错误判断。例如五次谐波选线方法利用了零序电流的五次谐波特征，但是在高阻接地情况下，五次谐波分量很不明显，这时五次谐波选线方法就失效了。以往的选线装置仅仅采用一种方法，因此正确率低。也有的装置采用了多种选线方法，但只是进行了简单的迭加，也不能解决实际的问题。

举例说明目前国内流行的二种 (功率方向法、谐波分析法)

(1)功率方向法:采用判断每条线路的零序电流的功率方向来确定故障线路,这种方法从原理上讲就达不到 100% 的准确率,可能出现一条线路接地,判断多条线路或一条都判断不出的结果。

(2)谐波分析法:谐波分析法采用单相接地后零序稳态信号的群体比幅比相法。比幅比相时从理论上讲不存在死区,不受运行方式及接地电阻的影响,对于 CT 不平衡导致的零序电流,这种方法不能有效解决。

4.2对于经消弧线圈接地系统

一般采用提取 5 次谐波分量来选线。由于 5 次谐波分量较小(只占基波的 2%～3%),而且零序电流本身就小,这使得硬件电路上有很高的要求,因此带消弧线圈的系统选线困难更大些,处理不好,就可能误判。另外 CT 不平衡,也会造成误判。

4.3 硬件电路设计上存在着严重的先天不足导致了装置的运行可靠性大部分用户有这样的反映:装置投运一年内,判断准确率很高,但以后就不准确了这往往是由于硬件电路故障导致的。

4.4 小电流选线装置未作为继电保护装置对待不论是从设计、制造、工艺还是从应用上讲,小电流选线装置一直被认为是一个检测装置,由于它的运行好坏不直接对系统的安全运行造成影响,因此未引起足够重视。

4.5现场安装接线问题

由于选线装置须引入零序电压及零序电流回路,而 66kV 及以下系统,以往设计时只安装了两相 CT,没有零序回路,因此零序回路的接线往往问题最多。从现场的情况来看,往往会出现:零序回路不对应、回路未引入、零序不平衡电流过大、极性不对等现象。

5结语

现有的小电流接地系统接地选线保护原理，皆有一定的局限性。为此，笔者认为应采用了综合选线技术，而并不是各种选线方法简单的迭加。采用了多种诊断方法,采用有效域技术将多种选线分析方法进行智能融合,把反映故障稳态分量、暂态分量的判据和利用外加诊断信号的判据有机融合。首先通过实验和现场众多数据的科学研究，在空间上为每一种方法界定一个有效的选线范围—— 有效域。当一个故障发生时，系统内的每一种方法都在有效区域的约束进行选线，给出结果，在进行综合处理后，系统给出一个综合的结果。这个结果具有很高的准确性。综合选线技术通过为多种选线算法定义有效域，将多种选线算法有效地融合到一起，发挥选线算法之间的互补性，以扩大了选线范围。而达到真正实现较为正确综合诊断的目的。

参 考 文 献

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