小电流接地选线装置原理及其应用

师萍，王勇，张静波

(甘肃兰州石化公司电仪仪表厂，甘肃 兰州 730060)

1 引言

6～35kV配电网一般采用小电流接地方式，即中性点非有效接地方式。由于石化行业的特殊性、负荷的复杂性和容量的增加导致6～35kV配电网电容电流有很大的增加，如不采取有效措施，将危及配电网的安全运行和生产的稳定。中性点非有效接地方式主要可分为以下三种:不接地、经消弧线圈接地及经电阻接地。在中性点非有效接地系统中最常见的故障是单相接地。此类电网发生单相接地时，非故障两相的对地电压将升高至线电压(UL)，发生单项接地故障时，凡是对地有电容的线路都将有零序电流通过，但由于零序电流较小，又有很大的分散性，选择接地线路有一定困难;若系统中有消弧线圈，困难更大。单相接地时接地电流较小，按电力系统安全运行规程的规定，发生单相接地故障后可继续运行1～2小时，但此时系统非故障相对地电压升高为线电压，若不及时处理，极易发展成两相短路使故障扩大，弧光接地还会引起全系统过电压。通过小电流接地选线装置 可以准确找出接地线路以便及时处理故障。

2 小电流接地选线装置工作流程图以及理论依据

2.1 零序功率方向原理

中性点非有效接地系统在正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压。如果线路各相对地电容量相同，在各相电压作用下各相电容电流相等并超前于相应相电压90°。

单发生单相金属性接地时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网的线电压，零序电压大小等于电网正常的相电压;非故障线路零序电流3I0等于本线路的充电电流，其相位超前于零序电压90°;故障线路零序电流3I0等于全部非故障线路充电电流的总和，其相位滞后于零序电压90°;接地故障处电流的大小等于全部线路接地充电电流的总和，其相位超前于零序电压90°。所以，故障线路与非故障线路出现零序电流相差点180°。零序功率方向原理的小电流接地装置就是利用在系统发生单相接地故障进，故障与非故障线路零序电流反相，由零序功率继电器判别故障与非故障电流。在实际应用时，由于零序电流互感器、二次侧波形畸变，电流互感器测量误差，信号干扰，线路长短差别悬殊，接地电阻的影响以及电压互感器的非线性特性等影响，将造成零序方向继电器存在死区。虽然装置本身都设置了排序法和采用相对相位法概念，在现行运行方式下取前三个最大的进行比较鉴别，但误判断总是难免的，对装有消弧线圈的中性点不接地系统更为明显。

图1 流程图

2.2 谐波电流方向原理

当中性点非有效接地系统发生单相接地故障进，在各线路中都会出现零序谐波电流。由于谐波次数的增加，相对应的感抗增加，容抗减小，所以总可以找到一个m次谐波，这时故障线路与非故障线路m次谐波电流方向相反，同时对所有大于m次谐波的电流均满足这一关系。这种判断谐波电流方向原理构成的接地选线装置不受系统运行方式变化及过渡电阻的影响，谐波电流相位关系与幅值无关，只要计算机能识别即可。对相位容差大，即相位大于90°即认为反相，小于90°则认为同相。

2.3 外加高频信号电流原理

当中性点非有效接地系统发生单相接地时，通过电压互感器二次绕组向母线接地相注入一种外加高频信号电流，该信号电流主要沿故障线路接地相的接地点入地，部分信号电流经其他非故障线路对地电容入地。用一只电磁感应及谐波原理制成的信号电流探测器，靠近线路导体接收该线路故障相流过信号电流的大小(故障线路接地相流过的信号电流大，非故障线路接地相流过的信号电流小，它们之间的比值大于10倍)判断故障线路与非故障线路。在单相接地故障时，用信号电流探测器，对注入系统接地相的信号电流进行寻踪，还可以找到接地线路和接地点的确切位置。

2.4 首半波原理

首半波原理是基于接地故障信号发生在相电压接近最大值瞬间这一假设。当电压接近最大值时，若发生接地故障，则故障相电容电荷通过故障线路向故障点放电，故障线路分布电感和分布电容使电流具有衰减振荡特性，该电流不经过消弧线圈，故不受消弧线圈影响。

3 装置工作原理

我单位所辖各配电系统多采KLDX-D10型小电流接地选线装置，该应用INTEL 80C196KC微处理机多CPU系统，结合多种新型技术做到多路信号同时采集，采集系统独立工作不占用主CPU工作时间。具有采集速度快，抗干扰能力强等特点。

3.1 工作方式

电流方式:一接地就显示接地的电容电流值，不选线，继电器不报警输出，不记忆，不打印。

幅值方式特点:对现有零序CT选取的信号中幅值最大的选为故障线，如信号电流太小则不动作。

配合方式特点:对现有零序CT选取的信号中两个阶段中增量最大的一路为故障线。如信号电流太小则不动作。

配合方式工作原理:装置在启动工作后，当发生接地时，零序电压会触发装置进入采集状态采集各回路零序电流，取出数据后进行第一阶段运算。如1、2、3、4号线的电流分别为-15A、+4A、+5A、+6A。此时消弧设备判断接地类型，如果是金属接地，消弧设备不动作;如果是弧光接地，消弧设备把弧光接地强行变为金属接地，装置再进行采集状态采集各回路零序电流，根据本次数据进行第二阶段运算。如果是金属接地，此时接地1、2、3、4号线的电流将可能约为-15A、+4A、+5A、+6A，故障线(1号线)电流与非故障线电流相反且至较大，故可直接判断选线。如果是弧光接地，此时接地1、2、3、4号线的电流方向一致，可能约为+5A、+4A、+5A、+6A，此时四条线路电流分别与第一阶段的-15A、+4A、+5A、+6A分别相减的增量差为20A、0A、0A、0A，故障线(1 号线)的增量为 20A，是增量最大的一路线，即可选出故障线。然后把所选出的接地信息在液晶显示屏上显示，并打印出来，若接地现象消失、排除，本机返回工作状态，否则接地信息会一直在液晶显示屏上显示。

4 装置模拟实验和案例分析

以石化厂30变6kV系统模拟事故为例说明小电流选线装动作情况:

(1)在控制室查看30变后台机相电压变化情况(系统正常时，三相电压分别为3.5kV左右，如发生A相单相接地故障时，则A相电压下降，最小到0kV，B相、C相电压升高，最大到线电压6kV)，以尽快确定单相接地的故障相;在控制室查看28变、24变、35变、丙烯腈变、33变后台机有无零序接地报警或零序接地跳闸回路信息;

(2)检查30变小电流选线装置及6kV消弧及过电压装置报警信息:

在控制室查看小电流选线装置报警信息，根据报警信息描述“××段××线”查找对照表确定零序接地回路;在6kV室查看消弧及过电压装置断路器动作情况，以再次确认单相接地的故障相;

(3)检查30变6kV PT柜和消弧及过电压装置的相电压参数:

查看6kV PT柜上电压表的相电压(通过选择开关查看相电压，系统正常时，三相电压分别为3.5kV左右，如发生A相单相接地故障时，则A相电压下降，最小到 0kV，B相、C相电压升高，最大到线电压6kV);查看消弧及过电压装置控制器相电压变化情况(显示二次值:正常是各相显示58V左右，若A相断路器合闸，则A相电压下降，最小到0V，B相、C相电压升高，最大到线电压100V);查看消弧及过电压装置上电压表的相电压(通过选择开关查看电压:系统正常时，三相电压分别为3.5kV左右，如发生A相单相接地故障时，则A相电压下降，最小到0kV，B相、C相电压升高，最大到线电压6kV);

(4)故障现象记录:

①30变馈33变II段保护单元箱显示:零序接地报警;

②30变馈41变II段保护单元箱显示:零序接地报警;

③30变馈106罐区变电所II段保护单元箱显示:零序接地报警;

④30变馈28变II段保护单元箱显示:零序接地报警;

⑤30变后台监控机主要报警信息显示见表1;

⑥28变后台监控机报警信息显示:

2010-03-16 15:16:51.703 6212柜P-101A石脑油泵零序接地保护动作

⑦小电流选线显示6231柜28变II段馈线单相接地。

综合以上信息，最后现场确认是30变6kV系统6231柜28变II段馈线单相接地，采用小电流选线装置后准确率和处理故障的及时性有了很大提高。

5 小电流接地选线装置的应用效果

在我厂35kV变电站6kV系统中，由于消弧线圈与系统对地电容的存在，使得系统中产生传递过电压或虚接地现象。由于消弧线圈的存在，使得流过故障线路的电容电流减少，线路中的选线装置灵敏降低甚至无法选线。因此采用消弧及过电压保护装置和小电流接地选线装置相配合，在采用消弧及过电压保护装置后，弧光接地过电压未再发生，小电流选线的灵敏度也有很大提高。

由于消弧及过电压保护装置采用非补偿方式，所以发生单相接地故障时，流过故障点电容电流是系统对地最大的电流。小电流选线装置采用最大增量法的先进算法，使微机小电流选线装置灵敏性、可靠性及准确性得到了较大提高。

表1 事件记录

6 结论

(1)如果单相接地故障为弧光接地，则其过电压的最高值可达3.5倍正常运行相电压的峰值，此过电压若数小时作用于电网，势必造成电气设备内绝缘的积累性损伤，特别是在健全相的外绝缘薄弱点造成对地击穿进而引发相间短路故障;

(2)由于线路自身的电容电流可能大于系统中其他线路的电容电流之和，所以按零序电流大小整定的过电流继电器理论上就不完善，它还受系统运行方式、线路长短等许多因素的影响而导致误选、漏选、多选;

(3)“功率方向”原理采用逐条检测零序电流功率方向来完成选线功能，当用于短线路时，由于该线路的零序电流小，再加之功率方向受干扰，在一定程度上选线是不可靠的，更多地发生误、漏选情况;虽然现在大多选线装置都采用各线路零序电流作比较，选出零序电流最大的线路为故障线路的“最大值”原理，但在多条线路接地或线路长短相差悬殊的情况下，很可能造成误选和多选;“首半波”原理不能很好的反映相电压较低时的接地故障，且受接地过渡电阻影响较大，同时存在工作死区;利用5次或7次谐波电流的大小或方向构成选择性接地保护的“谐波方向”原理，由于5次或7次谐波含量相对基波而言要小得多，且各电网的谐波含量大小不一，故其零序电压动作值往往很高，灵敏度较低，在接地点存在一定过渡电阻的情况下将出现拒动现象;

(4)总的来说小电流接地选线装置调试简单，维护量少，自动选择显示故障线路，显现方案先进，具有较高的准确性，可以区分线路和母线接地，记录接地初始时刻以及累积时间，具有判断瞬间接地故障，可配置接地跳闸系统，减少了故障查找时间，提高了工作效率。

［1］何仰赞.电力系统分析［J］.华中科技大学出版社.

［2］LDX-D10型小电流接地选线装置说明书［Z］.安徽凯立科技股份有限公司.

［3］国家电力调度通信中心.电力系统继电保护规定汇编［M］.2版.中国电力出版.2000年.