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80918126512:小电流接地系统单相接地故障保护的研究和探索


小电流接地系统单相接地故障保护的研究 和探索
许良柱 吴建国 陈荣 朱勇 方学智 曾宇
贵州电网公司凯里供电局,贵州省凯里市宁波西路3号 556000

摘要:本文针对低压配电网系统单相接地故障问题展开研究,重点研究接地选线和防人身伤害问题。通过理 论研究、选线装置开发、人工试验和挂网试运行等方式,对暂态选线原理和选线跳闸功能进行研究,总结

出解决单相接地故障问题的有效解决办法。 关键词: 小电流;单相接地保护; 人工接地试验; Abstracts:This low-voltage distribution network system for ground fault issues research focuses on the grounding wire and anti-personal injury issues. Through theoretical studies, line selection device development, testing and hanging artificial test run, etc., on the transient line selection and line selection principle function of the trip, summed up the problem to solve single-phase ground fault and effective solutions. Key Words:Small current; ground fault protection; artificial grounding test;

0. 引言
我国低压配电网系统大都采用中性点非直接接地方式, 这种接地方式大大提高了供电可 靠性,有效保障了企业生产运行,但同时,这种接地方式带来的单相接地故障问题长期以来 一直困扰着人们,到目前为止仍然找不到有效的解决办法,成为一个亟待解决的行业难题。 单相接地故障会危害电力系统安全运行, 并且威胁到人身安全, 其根本解决办法是在发 生单相接地故障后将接地线路选出并快速跳闸。 目前人们的研究重点还停留在接地选线问题 上,由于选线准确率达不到满意效果,快速跳闸功能也就无法发挥作用。 贵州电网公司凯里供电局秉承南网“主动承担社会责任”核心理念,把小电流接地系统 单相接地故障问题不仅仅作为电网技术问题, 更作为社会民生问题来研究, 不断加大研究投 入,于 2009 年成立“农村低压线路安全保护技术研究”项目,专门研究和探索小电流接地 系统单相接地故障处理问题,通过理论研究、人工试验、产品试运行等方式,总结和提炼了 丰富的现场经验, 摸索出一套解决小电流接地系统单相接地故障问题的方案, 并制定了相关 的标准和规范。

1. 小电流接地选线行业困境
我国 3kV~66kV 配电网大多采用中性点非直接接地方式, 接地方式包括不接地、 经消弧 线圈接地和经电阻接地。 这种接地方式优点在于发生单相接地时, 系统多数情况下能够熄弧

并恢复正常,不影响供电;即使发生永久性接地故障,由于故障电流小,线电压仍然保持平 衡,对供电负荷没有影响,允许继续运行一段时间,这样大大提高了供电可靠性。但是,发 生单相接地故障后,故障相电压降低,非故障相电压升高,系统处于不正常运行状态,长时 间过电压运行会加快设备老损, 甚至烧坏电力设备, 并且容易引起第二点接地造成短路事故; 并且在接地点附近形成跨步电压,容易造成人身伤害。因此,快速查出接地线路并切除对系 统的安全运行有着十分重要的意义。 到目前为止,人们用于处理小电流系统单相接地故障问题的办法有三种: 1) 采用拉路选线 采用人工拉路选线或专用拉路选线设备。这种方法可靠性高,但处理时间长、效率低、 系统带故障运行时间长,容易发生次生事故。在不少地区这种方法还普遍使用,主要是用户 未安装接地选线装置或对接地选线装置失去信心的, 这种方式的存在可以说是小电流接地选 线行业的失败。 2) 采用接地零序过流保护装置 由保护装置通过检测和比较本线路零序电流大小来实现, 线路间相互独立。 这种方法速 动性、 灵敏性高, 但由于故障信号弱, 受互感器精度影响保护可靠性和选择性无法满足要求, 容易误动或拒动。这种方法在大型厂矿企业中有一定应用,但在电网中根本无法实施。 3) 采用小电流接地选线装置 由选线装置通过检测和比较所有线路的零序电流来找到接地线。 这种方法可靠性相对比 较高,是最常用也是最有效的方法,但由于选线准确率不高,小电流接地选线装置无法全面 推广和应用。 小电流接地选线行业经过这么多年的发展, 选线装置生产制造和选线理论研究水平都有 较大提高,但产品整体效果仍然差强人意,最为关键的性能指标--选线准确率,仍然得不到 有效提高,难以满足生产运行要求,因此也更谈不上实现快速跳闸的要求。 行业陷入这种困境,可以说跟国家和行业的不重视有很大关系。长期以来,小电流接地 选线产品既无国家标准也无行业标准, 国家权威检测部门在检测时, 功能及性能只能按企业 标准或技术条件进行测试,其他项目如电磁兼容、绝缘性能、机械影响、温度影响等按继电 保护行业标准和相关的国家标准进行检验, 而无法对该类产品选线性能进行有效验证, 这在 电力行业来说是极其不正常的。 没有标准的指导和规范的约束, 选线装置生产制造厂家准入 门槛低,严重影响行业整体水平,使用户对产品失去信心和信任。用户的不信任导致了对产 品的不重视,使得产品在安装调试过程中问题很多,更加恶化了产品运行效果,最终使得接 地选线装置沦为“鸡肋”境地。

直至 2004 年国家才制定和发布第一个关于小电流接地系统选线产品的行业标准: 《小接 地电流系统单相接地保护装置》 (DL/T 872-2004) ,而技术规范直至 2009 年底才正式颁布-《小电流接地系统单相接地故障选线装置技术规范》 (Q/GDW 369-2009) 。即便如此,长期以 来广大用户形成的对小电流产品不重视和不信任观念并非一朝一夕所能改变, 这种思想的定 格不利于行业和产品的发展。因此,改变思想才能更快促进行业向前发展,加快技术改进, 同样的,技术改进和产品性能的提高反过来可以改变用户的思想,二者相辅相乘。 这两部技术规范和标准的颁布弥补了行业空白,具有实际指导意见,但遗憾的是,其中 仍有诸多不足,很多性能指标仍然是不明确或非强制性,比如装置选线容量、电压电流输入 范围、互感器精度要求;有些要求由于不切实际,在目前不具有可执行性,比如选线正确率 的验证方法;有些指标甚至根本未提及,比如防人身伤害对快速跳闸的要求、选跳与重合闸 的配合问题等。 上述问题同时反应出小电流行业目前的现状和困境, 因为有些性能指标由于 技术发展局限性还没找到解决办法,因此也就无法明确。 从上述可以看出,小电流接地选线装置,从严格意义上讲,并不属于继电保护类产品。 首先, 选线装置长期以来没有自己的国家标准和行业标准, 在生产设计上也没有按照继电保 护行业标准来实施;其次,继电保护产品要求满足“可靠性、选择性、速动性、灵敏性”四 性要求,而选线装置无法满足这个要求;再者,对很多用户来说,小电流接地选线装置是可 有可无的设备,就其重要性可言,根本不能与其它继电保护产品相提并论。因此,这是一件 很奇怪的事情:电力系统发展至今,所有的故障都配有相应的保护功能,而唯独单相接地故 障没有。 因此,研究小电流接地系统单相接地故障问题意义重大,基于此,贵州电网公司凯里供 电局于 2009 年成立“农村低压线路安全保护技术研究”项目,专门研究和探索小电流接地 系统单相接地故障处理问题。

2. 项目研究内容
项目研究的重点围绕接地选线和防人身伤害开展,其主要内容包括: 1) 选线失败原因分析 目前国内生产小电流接地选线装置的厂家众多, 选线原理各有差异, 选线准确率普遍较 低,原因多种多样,找到选线失败的原因有助于改善装置性能,提高选线准确率。项目通过 建立试验点和试运行方式,总结和分析现场问题,搜集大量单相接地故障录波数据,并对数 据进行研究和分析,比较分析不同选线原理差异和优缺,找到提高选线准确率的方法。

2) 暂态选线理论研究 理论研究和运行经验表明, 暂态选线理论具有信号丰富、 不受系统运行方式影响等优点, 比稳态选线理论更可靠。因此,研究和开发基于暂态选线理论的选线装置,在总结选线失败 原因基础上,结合丰富的现场数据进行优化,同时利用电网优势通过人工接地试验、试运行 等方式进行反复验证和改进,一定能够将装置选线准确率大大提高。 3) 快速跳闸可行性研究 发生单相接地后快速跳闸是解决防人身伤害的根本途径。电网系统,尤其是农网,运行 环境主要在野外,受刮风下雨、周围环境等影响,经常发生瞬时性接地故障,因此,如何解 决快速跳闸与瞬时性故障之间的矛盾是个难题。 4) 跳闸逻辑与重合闸的配合问题 单相接地跳闸不是简单的跳闸出口问题, 需要考虑各种跳闸条件, 比如瞬时或短时接地 故障是否跳闸、跳闸延时如何设定、跳闸电流条件如何、与一次重合或二次重合如何配合等 等。解决这个问题之后的选线装置,可以说名副其实的接地保护装置了。 5) 系统绝缘监测研究 小电流系统发生瞬时单相接地故障的概率占接地故障 2/3 以上, 瞬时性接地是系统绝缘 薄弱的预兆,统计和分析瞬时性接地故障可以对系统绝缘进行监测和防范。

3. 基于暂态选线理论的小电流接地选线装置开发
3.1 选线原理介绍 装置采用基于自适应暂态零序电流特征频段的选线原理, 该原理利用故障发生初期暂态 量是稳态量的几倍到几十倍而且包含丰富的故障信息的特点,自动计算和分析暂态量信号, 并从中选择故障特征最明显的特征频段, 利用特征频段内的暂态零序分量在故障线路与非故 障线路上幅值和相位差别最明显的原理, 实现接地选线。 该选线原理不受系统接地方式的影 响、不受系统运行方式变化的影响、不受系统参数的影响,具有很高的选线正确率。 3.2 软硬件介绍 基于此原理的选线装置对硬件要求很高,首先需要高速采样系统,采样频率不低于 20kHz,要解决好高速采样带来的电磁兼容问题和多通道下的采样同步问题;其次由于数据 量大,计算处理任务重,对 CPU 运行处理能力要求很高;对装置用电流互感器暂态特性有特 殊要求。 1) 装置结构示意图(见图 1)

POWER DO4 DO3 DO2 DO1

AC4

CPU

AC3

AC2

AC1

电源 模块

出 口 模 块

出 口 模 块

出 口 模 块

出 口 模 块

采样 模块

CPU 模块

采样 模块

采样 模块

采样 模块

11X 10X 9X

8X

6X 7X

5X

3X

1X

图 1 装置结构示意图 2) 高速采样系统(见图 2) 由于高速采样采样频率高, 如果采用 CPU 控制将意味着 CPU 要频繁中断和运算, 意味着 有大量的数据需要读取和保存,意味着占用 CPU 太多时间。因此,要将采样系统与 CPU 控制 脱离,确保 CPU 有足够时间进行运算。在设计上,采用 FPGA 为采样系统核心器件,在 FPGA 内部开辟两块临时缓存 RAM1 和 RAM2,空间大小由模拟信号路数、采样频率、CPU 中断间隔 时间确定。由 FPGA 控制 AD 进行定时中断和读取数据,采样数据首先存入 RAM1 中,当 RAM1 存满后,存储指针指向 RAM2,采样数据存入 RAM2,同时 FPGA 向 CPU 发出中断,CPU 接收到 中断后,将 RAM1 中的数据一次性搬到 CPU 的数据存储器中,并顺序排放。RAM1 和 RAM2 轮 流切换使用。 采用 FPGA 的另一个优势是该芯片可以实现数据采样和数据处理同步进行,FPGA 在对 RAM2 进行写数据的可以对 RAM1 中的数据进行处理, 比如数据排序、 滤波等, 数据的预处理, 减少了 CPU 的计算处理时间,提高了装置的实时性。

模块1

通道1

滤波电路

运放电路

FPGA

A/D 转换 电路 通道 12
滤波电路 运放电路

地址/数据总线
RAM 1 RAM 2

同 步 信 号

控制逻辑

32 位 微 处 理 器 模块 n

通道1

滤波电路

运放电路

FPGA

A/D 转换 电路 通道12
滤波电路 运放电路

地址/数据总线
RAM 1 RAM 2

控制逻辑

图 2 采样系统设计框图 3) CPU 系统(见图 3) CPU 系统完成整个系统的调度和处理,包括采样数据读取、选线算法处理、执行开 出、人机模块处理以及通讯处理等。
电源模块

指示灯

以太网

按键

CPU

采样模块

LCD

开出模块

RS485接口

图 3 CPU 系统设计框图 4) 选线流程(见图 4) 大多数厂家在实现选线时均采用多种选线原理共同选线,通过权重和比较选择可靠 性最高的选线结果。 这种做法具有一定积极意义, 但不能从根本上解决选线原理局限性 问题,通过各种不确定的参考去做出一个确定结果,这在理论就是行不能。本装置通过

分析暂态信号数据,根据故障特征选择最佳选线算法。相比较前者的“一堂言”做法, 本装置采用“专家”说了算方式更为合理和先进。 5) 出口逻辑(见图 5) 出口逻辑要兼顾跳闸出口和告警出口两种模式,这两种模式下,出口执行方式是不 一样的。跳闸出口只需要短时跳闸脉冲,而告警出口需要根据故障存在时间自保持。
采样中断 U0>Uset? Y 选线处理

N T>Tset? Y U0>Uset? Y 报接地 Y N 结束

开始

N

CT极性已校?

跳闸方式? Y 跳闸处理 N

N

告警处理 N

Y 比幅法 特征频段法

U0<Uset Y 报接地消失

要求跳闸?

N

U0<Uset? Y 报接地消失

Y 跳闸处理 告警处理

结束

选线结束

结束

图 4 选线流程

图 5 出口逻辑

4. 现场试验和试运行
4.1 现场试验 2010 年 7 月 15 日 14~18 时, 贵州凯里供电局就对新开发小电流接地选线装置在 110kV

鸭塘变进行了人工接地试验。 本次试验分别模拟了金属性和弧光性两类单相接地故障, 装置 均能正确选线,并动作跳闸切除故障线路;同时试验数据也表明,单相接地时的暂态过程包 含丰富的故障特征,验证了本选线理论的先进性。下图为现场试验接地点安装:

图 6 人工试验接地点 试验波形如下: 1)第 1 次试验:金属性接地

图 7 第 1 次试验的零序电压

图 8 第 1 次试验的零序电流

说明:图 7 零序电压突然变大说明发生单相接地故障;图 8 中红色曲线为试验线路-鸭铝线零序电流,幅值最大且极性相反,故障特征明显。 2)第 2 次试验:弧光接地

图 9 第 2 次试验的零序电压

图 10 第 2 次试验的零序电流

说明:1、图 10 中红色曲线为试验线路--鸭铝线零序电流,幅值最大。2、可以看出弧 光接地时,暂态电流较大,而稳态电流几乎为零。 4.2 试运行 1)运行数据统计 在试运行期间(2010.8~2010.10) ,装置启动并记录的接地故障共计 60 次,按故障线路 和故障类型分类统计如下:
序 号 1 2 3 4 线 II 母鸭学 5 线 6 7 I母 II 母 合计 2次 7次 43 次 2次 0次 12 次 0次 0次 5次 4次 7次 60 次 7% 11.5% 100% 20 次 7次 2次 29 次 48% 故障线路 I 母鸭铝线 I 母鸭高线 I 母鸭化线 II 母鸭溪 4次 1次 1次 6次 10% 瞬时性 < 3秒 8次 2次 0次 短时性 3~300 秒 1次 0次 1次 永久性 > 300 秒 1次 1次 0次 故障次数 合计 10 次 3次 1次 占全部故障 的比例 16.5% 5% 2%

鸭塘变接地故障类型统计
8% 20%

72%

瞬时性故障

短时性故障

永久性故障

鸭塘变单相接地故障跳闸率统计 (次/(30天.回)) 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.82

0.52 0.15 1 2 3

若小电流接地跳闸时间定值分别整定为 0 秒、3 秒和 5 分钟,则鸭塘变平均每条线路每 个月将分别跳闸 1.82 次、0.52 次和 0.15 次。 2)典型案例 下面以 2010 年 10 月 6 日发生接地故障进行分析。装置和后台监控记录表明: ? ? ? ? ? 12 点 09 分 57 秒 991,装置报“鸭铝线接地” ; 12 点 10 分 00 秒 289,装置发跳闸命令; 12 点 10 分 01 秒 311,保护装置重合闸动作; 12 点 10 分 01 秒 410,重合闸成功; 12 点 10 分 01 秒 450,装置报“鸭铝线接地消失” 。

本次接地故障通过选线装置的选跳功能与保护装置的重合闸功能, 成功消除了鸭铝线单 相接地故障。下面是本次接地故障录波图:

图 11 零序电压波形图

12 零序电流波形

说明:图 12 中鸭铝线在暂态过程中幅值最大且与其它线路反向,故障特征明显。

4.3 研究结论

通过对人工试验和运行数据的研究和分析,得出如下结论: 1) 选线原理、 互感器精度和工程问题是影响选线准确率的三大主要因素, 后两者更多 是人为失误造成,可以在工程实施过程中加以避免。 2) 暂态选线原理比稳态选线原理选线正确率高。 选线原理需根据运行数据和经验不断 改进。通过上述努力,平均选线准确率可以达到 95%以上,有些站可以实现 100%选 线准确率。 3) 单相接地跳闸与重合闸配合,重合成功概率很高,可大大提高供电可靠性,并且减 少系统带故障运行时间,有利于保障系统安全运行。 4) 利用选线装置的快速跳闸功能,能够减小因跨步电压引起人畜伤事故。

5. 结束
研究表明, 基于暂态零序电流特征频段选线原理的选线装置可快速准确地检测出故障线 路并跳闸切除,在减少人身伤害事件的同时,确保系统的安全稳定运行,具有十分显著的社 会效益和经济效益。

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