配电网开闭所选线方式

吴传玺

（本溪供电公司,辽宁 本溪 117000）

开闭所常用于电力系统及大型工矿企业。企业因负荷比较分散,为方便配线,降低线损,主电源首先接入开闭所,再分出多路出线到各负荷集中的变配电室或车间变电所。开闭所仅有开关柜,根据需要和负荷大小,电气接线可以是二进线4-6出线、4进线8-10出线（均单母分段）,出线供各配电站。配电站有环网式（用环网柜）、终端式,配电站带有配变,一般可设2台配变,以提高供电可靠性。

我国10～66 kV配电网系统多采用中性点经消弧线圈接地方式[1-4],该接地方式存在严重的选线准确性问题,消弧线圈的感性电流补偿线路系统的电容电流,使流过故障线路的电流较小,开闭所的接地故障很难判定。常规的故障方法很难区别故障线路和非故障线路,原有选线方案存在原理性缺陷,因此需要一种更有效的选线方式解决这一问题。

图1 带开闭所的配电网系统

1 配电网的开闭所

随着负荷的增加、城市电网的扩建,配电网系统建设了越来越多的开闭所,使系统负荷配置灵活,带开闭所的配电网系统如图1所示。变电站出线的部分线路接开闭所,开闭所的部分出线再接用户或开闭所。目前,故障选线大多集中在变电站,由于配电网系统分支较多,当系统发生接地故障时,很难找到故障线路,如果对系统的开闭所也进行故障选线,则很容易找到故障点,因此对开闭所进行故障选线是必要的。

2 故障选线方法

配电网消弧线圈接地系统故障电流较小,故障选线比较困难,特别对于单相接地故障,现有的故障选线方法存在不足之处。目前单相接地故障的选线方法主要有零序电流法、首半波法、5次谐波法等。

a.零序电流法

中性点不接地系统发生永久性单相接地故障时,非接地线路零序电流等于该线路三相对地电容电流的向量和,方向是从母线向线路;而接地线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的向量和,方向是从线路流向母线。消弧线圈接地系统由于消弧线圈的补偿作用,流过非接地线路的零序电流仍为自身的电容电流,但流过接地点的零序电流为消弧线圈提供的感性电流与电网中所有非接地线路电容电流之和的迭加,零序电流幅值和相位随消弧线圈补偿度的不同而变化,故障选线的准确性受到影响。

b.首半波检测法

图2 故障选线系统

首半波检测法利用发生单相接地瞬间,故障线路电容电流和电压首半波幅值和方向均与正常情况不同的特点进行单相接地故障检测。首半波法的前提条件是故障发生在相电压接近最大值瞬间,但是如果接地故障发生在电压零点附近,其值很小,是首半波检测死区,即首半波法理论上有死区。

c.5次谐波检测法

当小电流接地电网发生单相接地故障时,系统中含有铁心的设备,由于三相电压不平衡而进入磁饱和状态（磁化曲线在非线性区）,产生大量5次谐波。尽管理论上5次谐波在单相接地时有非常明显的特征,但在实际运行中非故障相5次谐波电流也有增加的现象,很难准确判断故障线路。

3 并联中电阻选线原理

较长时间以来,配电网中性点经消弧线圈接地方式,由于其很高的运行可靠性,受到广泛认同。但由于消弧线圈的存在,接地发生时,故障点容性接地电流会自动被消弧线圈产生的感性电流所补偿,接地电流很小,传统的选线方法不再适用,需要考虑新的方法。为此采用投并联中电阻的方式[5],使接地点产生一个阻性分量电流,再利用这个阻性分量电流作为选线依据。

在变电站中性点安装并联中电阻装置,在开闭所安装故障选线装置,当系统发生接地故障时,短时间投切并联中电阻,故障线路的零序电流发生变化,开闭所的故障选线装置根据变化特征值选出故障线路,故障选线系统如图2所示。

消弧线圈并联中电阻接地系统发生单相接地时等值零序电路如图3（a）所示,单相接地一定时间后,ZT0闭合,投入接地电阻R0,发挥故障选线功能,故障点电流矢量如图3（b）所示。

R0投入后产生一有功零序电流分量,该有功电流流向故障线路,选择合适的接地电阻可使该有功电流很容易被线路零序TA识别,达到故障选线的目的。

当发生永久性单相接地故障时,投入并联中电阻进行选线。计算机对所有出线零序电流进行快速采样。利用快速傅立叶变换对采样数据进行处理,几个周波后再断开中电阻。在并联中电阻投入的时间内（几个周期即可）,零序电流信号差异相当显著,故障线路很容易区分,对高阻、低阻和金属性接地及间隙性弧光接地都能准确识别。

计算机迅速扫描所有出线电流,并计算系统系数δ和线路系数K。系统系数δ由式（1）确定。

图3 单相接地等值零序电路及接地点零序电流矢量图

式中 ΔIi——第i条线路并联中电阻投切前后零序电流变化量;

ΔIj——第j条线路并联中电阻投切前后零序电流变化量;

Ij、Ij——分别为单相接地时第i、j条线路电流。

正常情况下,各出线的零序电流基本相同,即Ii≈Ij。如是母线接地,则各条线路零序电流增加的比率相同,δ≈Ii/Ij≈1;如δ与1差别很大,则认为是线路接地,然后由式（2）计算出线线路系数K。

式中 gd——接地导纳;

g0——并联中电阻导纳;

x——对地总电容导纳-消弧线圈导纳;

C——线路电容;

ω——角频率。

归纳起来为

通过计算机分析线路系数K因子找出接地故障线路。

K的含义是线路零序电流I0和接地电流Id之比。对于正常线路,K因子和线路长短、连续电流相位无关,只与系统参数和接地电阻有关。对于故障线路,K因子和线路参数、系统参数有关。并联中电阻投入后,有功零序电流将流向接地线路,故障线路比正常线路零序电流明显增大,故障线路的线路系数将比正常线路大很多。因此,通过计算机分析线路系数K因子找出接地故障线路,根据系数δ判定是母线接地还是非母线接地。

该选线方法克服了残流增量法接地后调整消弧线圈及对高阻接地选线不准的缺点,能够正确对金属接地、高阻接地进行选线,选线准确性达100%。现场运行经验表明,自动跟踪补偿消弧线圈并联中电阻选线方法对瞬时性接地和永久性接地均能提供灭弧功能。在发生永久性接地时,通过瞬时投入中电阻,准确选出故障线路,同时又兼备了中性点谐振接地系统残流小、可带故障运行一段时间的优点,是一种较为理想的新型接地方式。

4 实例分析

以某地区配电网系统为例分析开闭所接地选线过程。该电网系统由变电站和若干开闭所组成,变电站与开闭所的电气主接线如图4所示。

当电网发生单相接地故障时,安装在变电站的消弧线圈可实现对系统电容电流的补偿,但只能在变电站选线,不能进一步实现开闭所选线,无法缩小故障范围。所以有必要对类似系统的电网结构进行研究和分析,实现在同等电网架构下开闭所的故障选线。

针对该系统需要实现变电站、开闭所在发生接地时同时选线,变电站的选线装置选出下辖哪个开闭所发生接地故障,开闭所选线装置选出下辖哪条出线发生接地。通过在开闭所安装选线装置的方法,可找出故障线路。

在变电站采取并联中电阻选线配置方式,当发生系统单相接地故障后,启动并联中电阻选线流程。短时投入中电阻,在变电站处由选线装置判断是哪个开闭所的出线发生故障。在开闭所处,当发生单相接地故障时,启动选线控制器进入选线流程,将所有出线的零序电流信号接入控制器,控制器实时采样零序电流信号,在投切并联中电阻的过程中根据电流信号判断接地线路。

图4 变电站与开闭所电气主接线

在每个开闭所安装选线控制器,一旦发生单相接地故障,变电站的消弧线圈控制器首先判断出哪个开闭所发生故障,然后该开闭所的选线控制器进一步判断出下一级开闭所的故障,一步步排查,最终找到故障线路。

5 结束语

中性点谐振接地系统故障电流经消弧线圈补偿后,故障出线和非故障出线零序电流之间的明显差异消失,因此传统的选线方法失效。但通过并联中电阻的方法,利用并联中电阻产生的有功分量,提高选线正确率,既保持了中性点谐振接地系统供电可靠性,对短时和永久接地故障能够灭弧,同时又解决了中性点谐振接地方式选线困难的问题,为解决小电流接地系统变电站及开闭所的接地选线问题提供了有效途径。

[1] 要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京：中国电力出版社,2000.

[2] 卢国庆,姜新宇,梅中健,等.配电网中性点接地的新途径[J].电网技术,2004,（2）32-35.

[3] 李孟秋,王耀南,王 辉,等.小电流接地系统单相接地故障点探测方法的研究[J].中国电机工程学报,2001, 21（10）：6-9.

[4] 计建仁,濮卫萍.消弧线圈接地系统单相接地的选线原理和应用[J].浙江电力,2003,（3）：51-54.

[5] 王 东.消弧线圈并联电阻接地在城市配网中的应用[J].江苏电机工程,2005,24（3）：31-33.