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合性的技術(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、通信干擾及接地裝置等問題有密切的關(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)消弧線圈接地、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,覆蓋面廣,地理情況變化多樣,且受用戶增容等外界條件以及城市建設(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)分布電容引起

2、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。為了查找故障線路,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,若發(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(dāng)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。人工拉路的選線方法使正常線路也會瞬間停電

3、。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,降低了供電可靠性,影響了經(jīng)濟效益對用戶而言這種方法增加了停電概率,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量研究，并研制出了具有不同原理的選線裝置，但各種裝置的實際運行結(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)致選線裝置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)雜不定、選線裝置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，也存在不同接地方式共存的現(xiàn)象。國際上主要

4、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)消弧線圈接地方式為主；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，國外均采取了相應(yīng)的處理方式，并能夠逐步實現(xiàn)發(fā)生故障時的準(zhǔn)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)裝置進行了充分研究，保護算法從最初的零序過電流保護算法，進一步發(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，以此為基礎(chǔ)，研制出了幾代選線設(shè)備并應(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，其單相接地主要利用零序電流的無功方向為選線依據(jù)

5、。為了適應(yīng)變電站配電自動化的升級，日本研究了大量的有關(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，為了適應(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)增大的電容電流。20 世紀(jì)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，在此基礎(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、有功分量法、殘余增量法等。為提高選線的準(zhǔn)確性，并有

6、效的區(qū)分故障與非故障線路，最近幾年提出了采用小波變換和 Prony 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)采用增加對電網(wǎng)的投資以保證供電可靠性。近幾年，美國電氣和電子工程學(xué)會( IEEE )提出美國對小電流接地系統(tǒng)保護的研究應(yīng)當(dāng)加強。 自 1958 年以來，我國相關(guān)部門高度重視選線設(shè)備的研究，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)、能量法判據(jù)、“S注入法”判據(jù)、導(dǎo)納法判據(jù)等。近年來，在提取故障信息方面提出了模式識別、模糊

7、推理和小波分析等方法，提高了故障信息的可靠性。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 小電流接地選線裝置，北京自動化控制設(shè)備廠的XJD 系列產(chǎn)品，許繼電氣股份有限公司的 ZD 系列產(chǎn)品，華北電力大學(xué)研制出的1-ML 型以及 MLA 型小電流接地選線裝置。 20 世紀(jì)最后 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)，研制了模擬電路類型的小電流選線裝置。以控制技術(shù)為背景，使得以單片機為硬件平臺的大量小電流選線裝置得到了快速發(fā)展。但當(dāng)時由于單片機在數(shù)據(jù)處理方面存在速度和容量的限制，

8、不能實現(xiàn)復(fù)雜的程序邏輯，而且選線理論未考慮復(fù)雜的現(xiàn)場接線，故選線裝置準(zhǔn)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)為基礎(chǔ)的工控機選線裝置。該類裝置采用了多種選線技術(shù)，使得選線裝置的準(zhǔn)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，選線裝置的準(zhǔn)確率大多數(shù)都在 40%60%之間，因此不能滿足現(xiàn)場操作人員對裝置工作穩(wěn)定運行和高選線準(zhǔn)確率的要求。 2005 年之后，由于電子技術(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，小電流接地選線裝置在軟件和硬件兩方面有很大的改進。

9、在硬件方面，大量的選線裝置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置在國內(nèi)市場上廣泛應(yīng)用，尤其是高速數(shù)字信號處理器(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)合 DSP 處理復(fù)雜選線算法的特點，使得選線裝置的可靠性和靈敏度得到了提高。 最近幾年，大量的國外設(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)備具有不同的設(shè)計規(guī)范和使用標(biāo)準(zhǔn)。這些設(shè)備被投入使用之前，必須明確設(shè)備使用的環(huán)境，如配電網(wǎng)的接地方式、電網(wǎng)頻率等。三、小電流選線裝置介紹小電流選線全稱小電流接地選線裝置

10、，簡稱小電流。是一種電力行業(yè)使用的保護設(shè)備。該設(shè)備適用于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（1）、基于（五次）諧波量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，其中以五次諧波分量為主。由于消弧線圈對五次諧波的補償作用僅相當(dāng)于工頻時1/ 25 ,可以忽略其影響。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)象可以選擇故障線路,稱為五次諧波法。缺點是五次諧波含量較小(小于

11、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 等諧波分量的平方求和后進行幅值比較，幅值最大的線路選為故障線路。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）、有功分量法零序電流有功分量是根據(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量，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，故障線路有功分量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)計具體的選線裝置時，可利用零序電壓與零序電流計算并比較各線路零序有功功率的大小與方向來確定故障線路。有功分量法的優(yōu)點是不受

12、消弧線圈的影響，但由于故障電流中有功分量非常小并且受線路三相參數(shù)不平衡的影響，檢測靈敏度低，可靠性得不到保障。為了提高靈敏度，有的裝置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量。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(dāng)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,且故障線路的零序電流方向與所有非故障線路零序電流方向相反。通過零序電流的幅值和相位的比較可以找出故障線路。局限性：、零序電流的測量

13、值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。在故障線路,該電流方向與非故障相回路的零序電流的流向相同,但卻是感性的,它對故障點左側(cè)線路上容性的零序電流有補償作用?？紤]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路經(jīng)接地點注入大地，用信號探測器檢測每一條線路，有注入信號流過的線路被選為故障

14、線路。該方法的優(yōu)點是不受消弧線圈的影響，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，主要難在故障特征不顯著，諧振接地系統(tǒng)選線難。小電流選線及時準(zhǔn)確地判定接地回路是快速排除單相接地故障的基礎(chǔ)，也是小電流選線的核心功能。但早期的選線裝置常發(fā)生誤選和漏選，效果不能令人滿意?！斑x線準(zhǔn)確率偏低”是長期困擾人們的難題。分析小電流系統(tǒng)單相接地時的運行狀態(tài)，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

15、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。故障線路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，且消弧線圈的補償狀態(tài)(過補償、欠補償、完全補償)不同，接地基波電容電流的特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

16、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)單相接地保護裝置的裝設(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(dāng)系統(tǒng)較小，對地電容電流較小時，接地回路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)量頻繁改變，其電容電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等。這些都造成了

17、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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)確度，且選線檢測裝置用的電流變換器線性性能差，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定電流值時，綜合誤差難以滿足要求，兩級電流變

18、換元件的總誤差是造成現(xiàn)場誤判的主要原因。工程實際中使用的零序濾序器的線性測量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(引線套管或匯流排)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(zhǔn)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耗的勵磁安匝I0N1(磁勢)占原方繞組總勵磁安匝I1N1(磁勢)的百分?jǐn)?shù)，對于同一臺鐵心，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

19、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(故障電流)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)消弧線圈進行補償，帶有消弧線圈補償時接地故障電流更小，一般小于25A(可小到0205A)。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(biāo)。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

20、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)實際測量，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1050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置和微機保護無法保證接地檢測的準(zhǔn)確度。工程實際中使用的零序濾序器大多為三相保護用電流互感器的組合，即用三相保護電流合成零序電流，眾所周知零序濾序器本身固有的不平衡輸出使其準(zhǔn)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)容量的增大考慮到電流互感器飽和的

21、原因，保護所使用的電流互感器的變比逐漸增大，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06%，互感器綜合誤差根本無法保證。目前典型的微機選檢裝置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01201N，而實際使用中的輸入電流在幾十毫安左右，遠超出它的線性范圍。以IN=5A為例，當(dāng)系統(tǒng)取最大接地電容電流10A，零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016A；當(dāng)接地電容電流值為2A時，二次側(cè)的電流值為003A；二次側(cè)電流值均小于01IN(05A)，超

22、出電流變換器的測量線性范圍。3、工程中采取的措施通過以上分析可知，測量環(huán)節(jié)的綜合誤差是目前各種微機選線裝置誤判的主要原因，工程應(yīng)用中盡量使參數(shù)配合適當(dāng)，減小測量環(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(zhǔn)確率。工程中一般采取的有效措施包括：1)盡量選擇準(zhǔn)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零序電流互感器的線性范圍內(nèi)(準(zhǔn)確限值)，原方電流的線性測量范圍應(yīng)向下延伸到02A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)盡量使用變比較小的計量級(最好為S級)電流互感器組合而成，較小的變比可使電容電流的二次值較大，有利于檢測裝置的電流變換器采集電流值，S級使電流互感器的測量精確線性范圍更寬，有利于測量較小的電容電流。工程實踐中不宜與計量系統(tǒng)合用同一電流互感器線圈。3)微機檢測裝置的電流變換器的線性測量范圍應(yīng)與互感器的二次輸出值配套，工程實踐計算經(jīng)驗表