小電流選線裝置綜述

1、小電流選線裝置綜述一、論文背景電力系統(tǒng)的中性點接地方式是一個綜臺性的技術(shù)問題，它與系統(tǒng)的供電可靠性、人身安 全、設(shè)備安全、絕緣水平、過電壓保護、繼電保護、通信干擾及接地裝直等問題有密切的 關(guān)系。電力系統(tǒng)常用的中性點接地方式主要有以下幾種直接接地、經(jīng)小電抗接地、經(jīng)低阻 接地、經(jīng)高阻接地、經(jīng)消弧線圏接地、不接地。前三種稱為大電流接地系統(tǒng)，后三種稱為小 電流接地系統(tǒng)。配電網(wǎng)設(shè)備繁雜，用戶眾多，復(fù)蓋面廣，地理情況變化多樣，且受用戶增容等外界條件以及 城市逹設(shè)等因素的影響，配電網(wǎng)中發(fā)生故障的幾率相對較高。配電網(wǎng)故障中絕大部分是單相 接地故障。由于小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時不形成短路回路,只有系統(tǒng)分

2、布電容引 起的很小的零序電流，三相線間電壓依然對稱，不影響系統(tǒng)正常工作。根據(jù)我國電力規(guī)程規(guī)定, 小電流接地系統(tǒng)可以帶單相接地故障繼續(xù)運行一小時，這樣能夠提高供電的持續(xù)性和可靠性。 但是，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓升高，如果發(fā)生間歇性弧光接 地時,能夠引起弧光過電壓，系統(tǒng)絕緣受到威脅，容易擴大為相間短路。因此必須盡快找到故 障線路，盡快排除故障。為了査找故障線帶，傳統(tǒng)的方法是通過監(jiān)測母線上的零序電壓來判斷是否發(fā)生單相接地 故障，苦發(fā)生接地故障，則采用人工逐條線路拉閘的方法判斷哪條線路出現(xiàn)故障。當故障線路 被斷開時,接地故障指示將消失，這就可以確定故障線路。人工拉路的選線方

3、法使正常線站也 會瞬間停電。所以對供電部門而言這種傳統(tǒng)的人工選線方法浪費人力，降低了供電可秦性，影 響了經(jīng)濟效益對用戶而言這種方法增加了停電槪率，造成不必要的經(jīng)濟損失。近些年，我國針對小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的保護處理作了大長研究，并研 制出丁具有不同原理的選線裝宣，但各種裝直的實際運行結(jié)果并不是很理想，故障選線的 正確率極低。經(jīng)過研究分析表明，導(dǎo)致選線裝直運行效果不理想的原因主要有電網(wǎng)發(fā)生單 相故障的信號微弱、故障信息復(fù)雜不宦、選線裝宣采樣能力弱且計算速度慢等。二、國內(nèi)外選線裝置研究現(xiàn)狀不同國家因為其歷史和條件有所差異，導(dǎo)致相應(yīng)配電網(wǎng)的中性點接地方式也有所不同。 即使在相同條件下，也存

4、在不同接地方式共存的現(xiàn)象。國際上主要采用以下幾種接地方式：英國和美國以有效接地方式為主；德國以經(jīng)消弧 線圏接地方式為主；日本和俄羅斯多以非有效接地方式為主；法國由有效接地方式逐漸向 經(jīng)消弧線圈接地方式轉(zhuǎn)變。針對不同的小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，國外均采取丁 相應(yīng)的處理方式，并能夠逐步實現(xiàn)發(fā)生故障時的準確選線。俄羅斯多以非有效接地方式為主，對保護算法和相關(guān)裝直進行丁充分研究，保護算法 從最初的零序過電流保護算法，迸一步發(fā)展到零序無功功率方向算法以及后來的群體比幅 比相法。同時，以此為墓礎(chǔ)，研制出了幾代選線設(shè)笛并應(yīng)用到煤炭和供電行業(yè)。在日本的配電網(wǎng)中，小電流接地系統(tǒng)主要采用中性點不接地方式，其

5、單相接地主要利 用零序電流的無功方向為選線依據(jù)。為了適應(yīng)變電站配電自動化的升級，日本研究了大長 的有關(guān)方法，在分區(qū)段的接地點和獲取零序電流的方法上取得了一定的成果，并且將神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在接地保護中。法國以前的配電網(wǎng)大多數(shù)采用大電流接地方式，接地故障保護采用零序過電流保護， 為丁適應(yīng)城市建設(shè)加快的步伐，采用具有自動調(diào)諧功能的消弧線圈來補償系統(tǒng)増大的電容 電流。2()世紀末，法國電力公司開始改造中壓配電網(wǎng)中性點的接地方式，用小電流接地方 式代替大電流接地方式，并規(guī)定補償后的電容電流在40A以下，在此墓礎(chǔ)上保證對應(yīng)的有 功電流在20A以上，達到利用有功電流實現(xiàn)選線的目的。其選線原理主要包括零序?qū)Ъ{法

6、、 有功分長法、殘余増長法等。為提高選線的準確性，并有效的區(qū)分故障與非故障線路，黒 近幾年提出丁采用小波變換和Prg方法對故障暫態(tài)信號中的信息(幅值、相位、頻率等) 進行提取。在美國，單相接地故障保護很少應(yīng)用在小電流接地系統(tǒng)中，他們大多數(shù)采用増加對 電網(wǎng)的投資以保證供電可靠性。近幾年，美國電氣和電于工程學(xué)會(IEEE)提出美國對小電 流接地系統(tǒng)保護的研究應(yīng)當加強。自1958年以來，我國相關(guān)部門高度重視選線設(shè)昔的研究，得出了多種選線判據(jù)并研 制了相應(yīng)的選線裝置：選線判據(jù)主要有：零序功率方向判據(jù)、故障線路零序電流最大判據(jù)、 諧波電流方向判據(jù)、首半波判據(jù)、能長法判據(jù)、“S注入法”判據(jù)、導(dǎo)納法判據(jù)尊。

7、近年 來，在提取故障信息方面提出了模式識別、模糊推理和小波分析等冇法，提高丁故障信息 的可靠性。1970年以來，我國電力設(shè)備相關(guān)公司先后推出了很多產(chǎn)品，如邯山電力自動化 研究的02-LH小電流接地選線裝直，北京自動化控制設(shè)缶廠的均D系列產(chǎn)品，許繼電氣月殳 份有限公司的ZD系列產(chǎn)品，華北電力大學(xué)研制出的1-1ML型以及MLA型小電流接地選線 裝星20世紀臺后10年，華北電力大學(xué)楊以涵教授通過多年的理論研究，以非故障線路 與故障線路電容電流的相位關(guān)系和數(shù)值大小為基礎(chǔ)，研制了模擬電站類型的小電流選線裝 >0以控制技術(shù)為背景，使得以單片機為硬件平臺的大長小電流選線裝直得到丁快速發(fā)展。 但當時由于

8、單片機在數(shù)據(jù)處理方面存在速度和容長的限制，不能實現(xiàn)龜雜的程序邏輯，而 且選線理論未誇慮復(fù)雜的現(xiàn)場接線，故選線裝直準確率和靈敏度都不高。近20年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了以硬件架構(gòu)為墓礎(chǔ)的工控機選線 裝直：該類裝直采用了多種選線技術(shù)，使得選線裝直的準確率有所提高。但是由于工控機 有很高的硬件故障率，使用壽命只有2010年，而且不同的生產(chǎn)廠家具有不同的選線算法, 再加上不正確的現(xiàn)場接線，選線裝直的準確率大多教都在40%60%之間，因此不能滿足現(xiàn) 場操作人員對裝直工作穩(wěn)定運行和高選線準確率的要求。2005年之后，由于電于技術(shù)的進步，出現(xiàn)了一些先進的數(shù)學(xué)理論和功能強大的處 理器，小電流接地選

9、線裝直在軟件和硬件兩方面有很大的改迸。在硬件方面，大長的選線 裝直采用微處理器為控制核心，由于其系統(tǒng)集成度高，成本低，這類型的小電流接地選線 裝貫在國內(nèi)市場上廣泛應(yīng)用，尤其是高速教宇信號處理器(DSP)的出現(xiàn)，克服了單片機僅偏 向于控制而不能處理復(fù)雜算法的缺點。利用微處理器在人機交互和控制方面的優(yōu)勢，并結(jié) 臺DSP處理復(fù)雜選線算法的待點，使得選線裝晝的可靠性和靈敏度得到了提高。是近幾年，大長的國外設(shè)備被引進，但是不同國家的電網(wǎng)中性點接地方式迥異，并 且不同國家生產(chǎn)的電氣設(shè)缶具有不同的設(shè)計規(guī)范和使用標準。這些設(shè)備被投入使用之前， 必須明確設(shè)爸使用的環(huán)境，如配電網(wǎng)的接地方式、電網(wǎng)頻率等。三、小電流

10、選線裝置介紹小電流選線全稱小電流接地選線裝賣，簡稱小電流。是一種電力行業(yè)使用的保護設(shè)缶。 該設(shè)缶適用于3KV66KV中性點不接地或中性點經(jīng)電阻、消弧線圈接地系統(tǒng)的單相接地 選線，用于電力系統(tǒng)的變電站、發(fā)電廠、水電站及化工、采油、冶金、煤炭、鐵路等大型 廠礦企業(yè)的供電系統(tǒng)，能夠指示出發(fā)生單相接地故障的線路。1、小電流選線裝置選線方法、基于(五次)諧波長的方法由于故障點電氣設(shè)備的非線性影響，故障電流中存在著諧波信號，其中以五次諧波分 長為主。由于消弧線圏對五次諧波的補償作用僅相當于工頻時1/25,可以忽站其影響。因 此，故障線路的五次諧波電流比非故障線路的都大且方向相反，據(jù)此現(xiàn)象可以選擇故障線 站

11、，稱為五次諧波法。缺點是五次諧波含是較小(小于故障電流10%),檢測靈敏度低且受間 歇性電弧現(xiàn)象影響。諧波平方和方法是將各線路3、5、7等諧波分長的平方求和后迸行幅 值比較，幅值曇大的線路選為故障線陽。雖然能在一定程度上克服單次諧波信號小的缺點, 但并不能從根本上解決問題。(2) 、有功分星法零序電流有功分長是根據(jù)線路存在對地電導(dǎo)以及消弧線圈存在電阻損耗，故障電流中 含有有功分長，非故障線路和消弧線圈的有功電流方向相同且都經(jīng)過故障點返回，因此， 故障線陽有功分長比非故障線路大且方向相反。根據(jù)這一特點，可選出故障線路。在設(shè)計 具體的選線裝直時，可利用零序電壓與零序電流計算并比較各線笳零序有功功率

12、的大小與 方向來確定故障線路。有功分長法的優(yōu)點是不受消弧線圈的影響，但由于故障電流中育功分長非常小并且受 線路三相參教不平衡的彫響，檢測靈敏度低，可靠性得不到保障。為了提高靈敏度，有的 裝貫采用瞬時在消弧線圈上并聯(lián)接地電阻的做法加大故障電流中有功分長。這樣做帶來的 問題是使接地電流增大，加大對故障點絕緣的破壞，很可能導(dǎo)致事故擴大，且對電纜線路 來說，這一問題更為突出。(3) 、穩(wěn)態(tài)零序電流比較法當中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，留過故障元件的零序電流其數(shù)值等于全系統(tǒng) 非故障元件的對地電容電流之和，即故障線路上的零序電流最大,且故障線站的雲(yún)序電流方向 與所有非故障線站零序電流方向相反。通過零

13、序電流的幅值和相位的比較可以找出故障線 路。局限性： 、零序電流的測長直受到電流互感器由于飽和而產(chǎn)生的不平衡電流的影響。 、在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，故障相存在零序電流。在故障線站，該電流方向與非故障相回路的零序電流的流向相同膽卻是感性的，它對故障點左側(cè)線 站上容性的零序電流有補償作用。誇慮到感性零序電流的補償作用，故障線路首端測得的零 序電流數(shù)值可能小于某條其他線路首端測得的零序電流數(shù)值。 、會受到過渡電阻大小的影響。(4) 、注入信號尋跡法注入信號尋跡法簡稱注入法，在發(fā)生接地故障后，通過三相電壓互感器(PT)的中性點 向接地線路注入特定頻率(225Hz)的電流信號，注入信號會沿著故障線

14、路經(jīng)接地點注入大地, 用信號探測器檢測每一條線站，有注入信號流過的線路被選為故障線路。該方法的優(yōu)點是 不受消弧線翹的影響，不要求裝設(shè)零序電流互感器(CT),并且用探測器沿故障線路探測還 可以確定架空線路故障點的位置。2、選線誤判原因分析小電流接地故障選線，又稱小電流接地保護，選出帶有接地故障的線路，給出指示信 號。小電流接地故障選線難，主要華在故障特征不顯巷，諧振接地系統(tǒng)選線難。小電流選線及時準確地判定接地回路是快速排除單相接地故障的墓礎(chǔ)，也是小電流選 線的枝心功能。但早期的選線裝晝常發(fā)生誤選和漏選，效果不能令人滿意。“選線準確率 偏低”是長期圉擾人們的難題。分析小電流系統(tǒng)單相接地時的運行狀態(tài)

15、，其不同于正常運 行狀態(tài)的信息主要有2點：故障線路流過的零序電流是全系統(tǒng)的電容電流減去自身的電容 電流，而非故障線路流過的零序電流僅僅是該線路的電容電流。故障線站的零序電流是從 線路流向母線，而非故障線路的零序電流是從母線流向線路，兩者方向相反，或者說兩者 反相。從小電流系統(tǒng)單相接地時與正常運行時，狀態(tài)信息的不同看，故障線路的判定似乎 非常容易，然而事實并非如此，其原因主要有以下四點：(1) 、電流信號太小小電流系統(tǒng)單相接地時產(chǎn)生的零序電流是系統(tǒng)電容電流，其大小與系統(tǒng)規(guī)模大小和線 路類型(電纜或架空線)有關(guān)，數(shù)值甚小，經(jīng)中性點接入消弧線圈補償后，其數(shù)值更小，且 消弧線醫(yī)的補償狀態(tài)(過補償、欠補

16、償、完全補償)不同，接地墓波電容電流的待點與無消 弧線圈補償時相反或相同，對于有消弧線圈的小電流系統(tǒng)采用5次諧波電流或零序電流有 功功率方向檢測，而5次諧波電流比零序電流又要小2050倍。(2) 、干擾大、信噪比小小電流系統(tǒng)中的干擾主要包括2方面：一是在變電站和發(fā)電廠的小電流系統(tǒng)單相接地 保護裝直的裝設(shè)地點，電磁干擾大；二是由于負荷電流不平衡造成的零序電流和諧波電流 較大，特別是當系統(tǒng)較小，對地電容電流較小時，接地回站的零序電流和諧波電流甚至小 于非接地回路的對應(yīng)電流。(3) 、隨機因素影響的不確定我國配電網(wǎng)一般都是小電流系統(tǒng)，其運行方式改變頻繁，造成變電站出線的長度和數(shù) 長頻繁改變，其電容電

17、流和諧波電流也頻繁改變；此外，母線電壓水平的高低，負荷電流 的大小總在不斷地變化；故障點的接地電阻不確定等尊。這些都造成了零序故障電容電流 和零序諧波電流的不穩(wěn)定。(4) 、電容電流波形的不穩(wěn)定小電流系統(tǒng)的單相接地故障，常常是間歇性的不穩(wěn)定弧光接地，因而電容電流波形不 穩(wěn)定，對應(yīng)的諧波電流大小隨時在變化。(6)、信號采集設(shè)備精度低工程上所采用的零序電流互感器精度太低。當原方零序電流在5A以下時，許多廠家 生產(chǎn)的零序電流互感器，帶上規(guī)定的二次負荷后，變比誤差達20%以上，角誤差達20,以上, 當一次零序電流小于1A時二次側(cè)基本無電流輸出，無法保證接地檢測的準確度，且選線 檢測裝直用的電流變換器線

18、性性能差，目前變電站自動化系統(tǒng)的選線檢測元件大多按保護 級選擇，保護級互感器在所測電流遠小于額圭電流值時，綜臺誤差難以滿足要求，兩級電 流變換元件的總誤差是造成現(xiàn)場誤判的主要原因。工程實際中使用的雲(yún)序濾序器的線性測 晝范圍超出了實際可能的接地電容電流。零序電流互感器的工作條件屬于套管型（或稱母線型）電流互感器，這種電流互感器原 方無繞組，而是將被測回路的導(dǎo)體（引線套昔或匯流排）或電纜穿過它的內(nèi)孔，作為原方繞 組，因而僅有1匝。套管型電流互感器在其原方電流小于100A時已不能保證準確度，一 般的電流互感器在制作時，額定電流400A以下多采用多匝式結(jié)構(gòu)，這是因為電流互感器 的誤差決定于它的鐵心所消

19、耗的勵磁安匝10N1®勢）占原方繞組總勵磁安匝I1N1磁勢）的 百分數(shù)，對于同一臺帙心，在相同的原方電流下，原方繞組匝數(shù)越少，誤差越大。套管型 （或稱母線型）電流互感器原方繞組僅有1匝，原方電流里激磁電流占的比例較大，造成較 大誤差。而零序電流互感器實際應(yīng)用在小電流接地系統(tǒng)中，其原方電流值均很小，正常運 行時其原方基本無電流，出現(xiàn)接地故障時其原方電流做障電流）也很小，一般在10A以下。 如該系統(tǒng)接地故障電流大于 10A時，規(guī)程規(guī)定要裝設(shè)消弧線匱進行補償，帶有消弧線圈 補償時接地故障電流更小，一般小于25A冋小到0. 20. 5A）O在這樣小的原方電流下 常規(guī)零序電流互感器的變比和相角

20、誤差均很大，所以一般各互感器生產(chǎn)廠家對零序電流互 感器均不能給出變比，也無誤差保證指標。從零序電流互感器的實際一、二次電流變化曲 線（變比曲線）中可知：零序電流互感器的電流變比值隨一次電流值變化很大，而一次電流 在小于1A時，已經(jīng)不能再給出具體的二次電流輸出值。經(jīng)實際測星，在原方零序電流為5A以下時，各廠家生產(chǎn)的零序電流互感器，帶上規(guī) 定的二次負荷后，變比誤差達20%80%,角誤差達10° 50°使得利用零序電流大小與 方向、零序電流中5次諧波電流大小與方向和零序有功、無功功率原理的接地檢測裝晝和 微機保護無法保證接地檢測的準確度。工程實際中使用的零序濾序器大多為三相保護用

21、電流互感器的組臺，即用三相保護電 流臺成零序電流，眾所周知零序濾序器本身固有的不平衡輸出使其準確性較低，而且一般 保護用電流互感器在一次電流低于50%額定電流值時誤差已不能保證3隨著系統(tǒng)容長的增 大考慮到電流互感器飽和的原因，保護所使用的電流互感器的變比逐漸増大，額定一次電 流值多大于等于600A,因此在接地電容電流小于10A的小電流接地系統(tǒng)使用零序濾序器， 單相電容電流僅為保護用互感器一次額定電流的0. 6%,互感器綜臺誤差根本無法保證。目前典型的微機選檢裝直的電流變換器均按普通保護級選擇，額定電流為5A或1A, 其線性范圍為0. 1201N,而實際使用中的輸入電流在幾十毫安左右，遠超出它的

22、線性范 圍。以IX=5A為例，當系統(tǒng)取是大接地電容電流10A,雲(yún)序電流互感器或零序濾序器取較 小值60（300/5）時，二次側(cè)的電流值為0. 16A;當接地電容電流值為2A時，二次側(cè)的電流 值為0. 03A;二次側(cè)電流值均小于0. 1IN（O. 5A）,超出電流變換器的測長線性范圍。3、工程中采取的措施通過以上分析可知，測長環(huán)節(jié)的綜合誤差是目前各種微機選線裝直誤判的主要原因， 工程應(yīng)用中盡長使參數(shù)配臺適當，減小測長環(huán)節(jié)的綜合誤差，有效提高小電流接地選線系 統(tǒng)的選線準確率。工程中一般采取的有效措施包括：1）盡長選擇準確度高的專用零序電流互感器，額定原方電流的選擇應(yīng)保證系統(tǒng)出現(xiàn)最 大接地電容電流時能處在宰序電流互感器的線性范圍內(nèi)（準確限值），原方電流的線性測長 范圍應(yīng)向下延伸到0. 2A左右，用以適應(yīng)經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)。2）零序濾序器應(yīng)盡長使用變比較小的計長級（最奸為S級）電流互感器組臺而成，較小 的變比可使電容電流的二次值較大，有利于檢測裝直的電流變換器采集電流值，S級使電 流互感器的測長精確線性范圍更寬，有利于測長較小的電容電流。工程實踐中不宜與計長 系統(tǒng)合用同一電流互感器線圏。3）微機檢測裝萱的電流變換器的線性測長范圍應(yīng)與互感器的二次輸出值配套，工程實 踐計算經(jīng)驗表明：