铁路10 kV自闭、贯通线单相接地故障定位的研究

张起殿

(中铁第一勘察设计院 电气化处 地铁所,陕西西安710043)

铁路10 kV配电系统属中性点不接地系统,由10 kV配电所和自闭、贯通电力线路组成,其中自闭、贯通电力线路通过配电所内的调压隔离变压器与地方供电系统隔离。当自闭、贯通线路发生单相接地故障后,配电所内发出接地报警信号,在安装了小电流选线装置的配电所可区分接地线路,但无法准确定位接地故障点。当线路发生单相接地故障后,接地点容性电流较小,线间电压不变,不会影响向负荷供电,运行规程规定可继续运行2 h。但是在此期间非故障相电压会升高 3倍,间隙性单相接地故障引起的暂态过电压有可能达3.5倍,长时间带故障运行会使设备绝缘受损,严重危及整个线路及线路上所有运行设备的安全和人身安全,影响铁路运输。因此,接地故障的标定,对铁路运输安全至关重要。

1 10 kV不接地系统单相接地故障理论分析

为了能对单相接地故障更好地分析和判断,我们对小电流系统的单相接地故障后的电压、电流情况进行理论分析。

1.1 电压计算

中性点不接地系统中,如果不考虑线路的分布电容(例如线路很短时)及电气设备对地电容,则在发生单相接地后,仅引起系统各点对地电位的变化,对线路电流没有影响。当考虑线路电容作用存在时,才产生很小的电容电流变化,此电流在电力线路及所带设备上产生的阻抗压降一般很小,因此不影响系统各点对地电位的变化。图1为铁路10kV配电系统具有2路馈出的简化系统,A相D点金属性接地,接地点=0,则中性点电位。根据中性点电位可计算非故障相电压为(以 ÈA为参考向量):

即B、C相电压均升高为相电压的 3倍。

图1 简化系统接线中A相接地

故障点各相序电压为:

上面计算表明,中性点不接地系统发生单相接地后,系统中无负序电压,其零序电压即为单相接地后,电源中性点与大地间的电压,其矢量关系见图2。10 kV变压器(负载)的一次电压全部取自线电压,由于各线电压的相位和幅值保持不变,故变压器二次侧的电压相位和幅值也不会改变,故不会影响用户的正常用电。

图2 单相接地电压相量图

1.2 电流计算

鉴于线路分布电容(图中以集中电容表示)所构成的容抗(10 kV架空线路每公里约400 kΩ)远大于线路阻抗(10 kV架空线路每公里约26 Ω)。故计算中可忽略线路阻抗;鉴于线路架设方式考虑了换位(以保证正常运行中三相电压平衡),三相对地电容近似相等,即CA=CB=CC=C,故各线路电容电流为:

线路XL1

线路XL2

因 ÙdA=0(故障相电压为零),故A相集中电容C1、C2中无电流。对于D点有如下关系:

式中CΣ为所计算电压级全部线路每相对地总电容。从以上计算可知故障相流过的电容电流为所有非故障相电容电流之和并且滞后零序电压90°。

2 现有接地检测技术比较

常用的单相接地检测技术有零序功率方向原理、谐波电流方向原理、电抗法原理、首半波原理等,由于这些检测方法受线路参数影响较大,都无法准确定位接地故障点。

零序功率方向原理在实际应用中,受零序电流互感器(或三相电流互感器构成零序电流过滤器)二次侧波形畸变、电流互感器测量误差、信号干扰、线路长短差别、接地电阻的影响以及电压互感器的非线性特性等影响,零序方向继电器存在死区,造成发生误判;并且只能判断出接地线路,不能标定出故障点。

谐波电流方向原理的产品受电流互感器变比、特性及精度影响较大,并且只能判断出接地线路,不能标定出故障点。电抗法原理对输入的线路参数依赖性强,若输入参数不准确,则造成误判断。

按首半波原理生产的接地选线装置是不能反映相电压较低时的接地故障,易受系统运行方式和接地电阻影响,存在工作死区。并且只能判断出接地线路,不能标定出故障点。

3 基于特殊信号注入原理的接地定位系统原理与组成

从以上分析可以看出,发生单相接地故障后,系统的特征为:

(1)故障相接地点至电源间的电容电流为所有非故障相电容电流之和,但无论该电流量值及测试方法均不能利用这一特征实现故障点定位。

(2)系统的零序电压为故障相的相电压,这一特征同样不能实现故障点定位;如果此时将电源中性点人为接地,由于前述零序电压的存在,将在故障相接地点至电源间形成满足测试要求的零序电流,但实际运行中不允许采用这种方法。

特殊信号注入原理就是在单相接地故障后形成的零序回路内,按规定时间间隔注入不同于工频的特殊电流信号,其包络线为一脉冲群,根据接地点不断变化的接地电阻值,自动调整特殊电流的幅值,在特殊电流值满足测试要求的同时,仍保持电源中性点与大地间的高阻状态。

基于特殊信号注入原理的接地定位系统,是一种采用信号寻踪的检测方法。当线路发生单相接地故障时,通过控制接地电流的变化,形成特殊信号向线路耦合,这一信号沿故障线路、接地点、大地、调压变压器中性点构成回路,只能被安装在线路上的检测装置识别,用以判断故障线路并标定故障点。这种方法不受线路参数和运行条件的影响,因是有功信号其抗干扰能力强。采用信号寻踪的方法,可以较准确地标定出故障位置,是目前单相接地故障探测方法的发展趋势。利用电力远动系统通道和平台,通过编写自动判断程序可以自动将接地故障区段标定出来。

3.1 系统组成

该系统由4部分组成:中性点信号注入装置、单相接地故障指示器、FTU(Feeder Termital Unit馈线终端单元)及通信线路、调度主站自动判断软件。

3.1.1 中性点信号注入装置

中性点信号注入装置安装于配电所自闭调压变压器室内,接于调压变压器中性点处,通过控制真空接触器分、合,使中性点经过电阻短时接地,将一组特殊信号耦合到线路上,并由故障线路和故障点形成通路,作为区分故障区段与非故障区段的信号。

3.1.2 单相接地故障指示器

单相接地故障指示器分为信号传输型和非信号传输型两种。信号传输型单相接地故障指示器安装于高压远动负荷开关的引线上,通过光纤与远程控制终端FTU相联,非信号传输型接地故障指示器在区间每隔一公里安装一处,与信号传输型故障指示器配合使用,实现接地故障点的标定。

3.1.3 FT U及通信线路

传输型接地故障指示器安装于高压远动负荷开关处,它的接点信号与其他开关的状态量一样,通过FT U的遥信端子和传输通道,传给调度主站。

3.1.4 调度主站自动判断软件

由于调度主站系统与各 RT U(Remote Termital Unit远动终端单元)及FTU采用的是点对点的通信方式,101规约规定遥信数据为一级数据,优先传送,因此,在各RTU及FT U处产生的变位等遥信数据将立即传至调度主站,只有通道传输的延时时间。调度主站接到各FTU上传的接地信号后,启动主站判断及自动隔离软件,判断出接地故障的区段,并弹出提示信息,提示调度值班员接地故障区段,值班员按接地故障处理程序执行。接地点自动判断软件由C++语言编写。

3.2 特殊信号注入原理(图3)

3.2.1 基本原理

当图3所示位置发生接地故障时,甲配电所接地信号源向线路发出特殊信号,这一特殊信号由中性点瞬时接地形成,沿故障线路由接地故障点流回系统,则在这一回路上装设的接地信号指示器发出信号,即A站、B站、C站的接地故障指示器发出信号,这些信号及其发生的时间通过FT U和远动通道传送到调度中心,调度中心根据这一供电臂接地故障指示器上传的信号和时标及两甲、乙配电所的开关位置,判断故障区段为沿供电方向最后一个上传信号的故障指示器(C站)和第一个没有上传信号的故障指示器(D站)之间。最后在调度CRT画面上给出接地故障的提示信息。

图3 接地故障点标定原理图

当判断出故障区间后,我们还可以利用安装在区间的没有传输功能的接地故障指示器的翻牌情况将故障点确定在1 km的范围内。

3.2.2 特殊信号

中性点信号注入装置由单极真空接触器、逻辑控制部分、限流电阻组成。当系统发生单相接地故障后,由母线电压互感器开口三角形零序电压启动信号源,由逻辑控制部分控制真空接触器分合,形成中性点对地的瞬时短路,产生特殊信号。

对中性点信号源所发信号的类型进行特殊设计,首先应短时投入,其次这一信号应不同于正常的负荷电流,并与负荷变化能明显区分。综合各种因素,将信号源的信号类型设计为如图4形式:这一组特殊电流矩形包络线有其特殊性,第一个脉宽350 ms,间隔650 ms,第二个脉宽250 ms,间隔1 000 ms。可以看出这一信号与正常负荷电流有明显区别,任何干扰源都不易产生类似波形。

图4 信号源的信号类型

当线路发生单相接地故障时,故障相流过所有非故障相的零序电流和正常负荷电流,当信号源内的单极真空接触器瞬时闭合时,故障相流过的电流除各非故障相的电容电流和正常负荷电流外,还有零序电压在变压器中性点、变压器故障相、线路故障相、接地点、大地、限流电阻、变压器中性点构成的单相短路电流,这一电流的大小由零序电压的大小和回路的电阻决定。流过线路故障相电流互感器的电流由正常的负荷电流、所有非故障相电容电流、单相短路电流3个电流矢量叠加而成。这一电流不应超过馈出柜断路器的保护整定值,或这一电流的持续时间小于保护的启动时间,不能因为检测接地故障,而造成断路器保护跳闸,影响供电的可靠性。因此,对串入电阻进行了选择,并调整了自闭馈出柜的保护定值,使各种情况下仅产生有效值约为5 A的特殊测试电流,确保不致引起保护动作。

3.2.3 有效接收可靠判断

接地故障指示器安装于运行线路上,为了提高抗干扰强度,接收装置即故障指示器只有连续检测到中性点注入装置所发信号中的4个矩形波信号后,才确定接收到了中性点信号注入装置所发的信号。在调度自动判断接地故障程序的启动条件中加入配电所中性点信号注入装置动作信号。这种方法不受线路参数、负荷情况、运行状态影响,并且判断故障范围清楚直观、准确有效,利于现场巡视人员快速处理故障。

4 结束语

中性点非有效性接地的供电系统发生单相接地故障时,由于接地点的类型不确定,存在接地电弧,查找起来相当困难。而铁路自闭、贯通线路的供电臂较长,运行环境差,不仅发生单相接地故障的几率高,而且查找和排除故障困难,使得人员出动多、故障处理时间长,严重影响了铁路的正常运营和行车安全。利用基于特殊信号注入原理的接地故障定位系统,将大大降低单相接地故障的查找时间及所耗费用,有效地确保了行车信号供电的可靠性,具有极高的安全效益和经济效益。

高速客运专线10 kV供电,目前较多采用中性点直接接地的单芯电缆供电方式,发生单相接地故障时,10 kV系统退出运行,基于特殊信号注入原理的接地故障定位系统应用于该供电方式,中性点信号注入装置将更加简化,仅需要考虑电缆外皮中的电流对接地故障指示器的测试影响。

[1] 郝小丽.单相接地故障对电网安全运行的威胁及故障处理[J].新疆水利,2006,(04).

[2] 李福寿.中性点非有效接地电网的运行[M].北京:水利电力出版社,1993.

[3] 肖 白,束洪春,高 峰.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述[J].继电器,2001.