基于中性点全补偿技术的故障选线现场试验研究

胡叶舟，张 琳，陈欣华，谢 成，尤 敏，杨 勇，顾国强

0 引言

随着城市配电网的不断扩大，对供电可靠性和电能质量的要求越来越高。城市配电网主要以电缆为主，发生的故障大多为永久性故障，在运行中长时间单相接地往往会发展为相间短路故障，继而引发严重的电缆沟、开关柜、甚至变电站起火事故[1-5]。2017年发布的Q/GDW 10370-2016《配电网技术导则》中要求现代配电网具备一定的自愈能力和应急处理能力，小电流接地系统单相接地故障处理技术原则由“2 h运行+接地选线”改为“选线选段、就近快速隔离”，在提高故障处理能力的同时降低线路接地对人身安全的危害。因此如何控制并降低配电网单相接地故障发生后的风险成为必要的研究课题[6-9]。

国网浙江省电力有限公司为提高配电网单相接地选线和灭弧能力，引进国内首台GFN（接地故障综合保护）设备。GFN设备通过与消弧线圈相互配合实现对配电网单相接地故障电流的全补偿，以达到快速熄弧、故障选线和防止事故扩大目的，保障人身安全，提升配电网抢修效率和运行可靠性。文中介绍了GFN设备功能验证试验设计、试验实施过程，并对功能验证结果进行分析，提出了相关建议。

1 GFN设备简介

GFN设备并联安装于变电站母线消弧线圈，设备主要由RCC（逆变模块）、电容器组、升压变、控制柜等部分组成。故障处理的基本原理是当配电网发生单相接地故障后进行接地点残流全补偿，达到快速熄弧和精准选线的目的，保障人身安全，提升运行可靠性。GFN设备电气连接如图1所示。

图1 GFN设备电气连接

GFN设备主要功能概述如下：

（1）接地电流全补偿功能。

当接地故障发生后，GFN设备通过调节中性点电压幅值及相角，反向注入与消弧线圈补偿后故障点残流大小相等、方向相反的电流，实现故障点残流全补偿，达到抑制接地点残流，保障人身安全的目的。

（2）单相接地选线功能。

设备具备故障录波功能，通过综合暂态特征法和自适应零序导纳法进行接地选线研判。暂态特征选线法基本原理为在接地故障发生瞬间比较各线路零序电流幅值、相位并对比序电压极性；故障线路具备瞬时暂态电流方向与非故障线路相反，且幅值较非故障线路大的特征[10]；零序导纳选线法基本原理为对比故障前后各线路零序导纳值，故障线路具备线路导纳值及相位均发生较大变化的特征[11-13]。GFN设备同时具备上述两种选线功能，通过综合研判实现故障线路选线功能。

2 GFN设备功能验证试验设计

2.1 试验回路设计

为进行GFN设备功能验证，进行现场单相接地模拟试验，以杭州某110 kV变电站10 kV侧一出线间隔为模拟故障线路，故障模拟出线至10 kV开关站Ⅰ母，10 kV开关站Ⅰ母备用间隔引出电缆约700 m至110 kV变电站站内空地进行单相接地试验。试验回路如图2所示。

2.2 故障类型设置

为了充分进行功能验证，现场模拟4种单相接地故障：金属性接地故障、经过渡电阻（500 Ω/16 000 Ω）接地故障、电缆弧光接地故障、断线接地故障。

从10 kV开关站Ⅰ母备用间隔引出电缆约700 m，至110 kV变电站站内空地接地桩，电缆B相进行人工模拟接地故障，在接地引线处串接电流互感器，用于现场接地点电流波形测录。回路如图3所示。

图2 GFN设备功能验证试验电气回路

图3 故障模拟回路示意

2.2.1 金属性接地

电缆B相引出后通过接地引线直接接入接地桩，示意如图4所示。电缆A与C相终端做绝缘包覆处理。

图4 金属性接地接线示意

2.2.2 过渡电阻接地

电缆B相引出后通过过渡电阻（R=500/16 000 Ω）接入接地铜排。过渡电阻设备绝缘按照线电压水平，容量按照消弧线圈补偿后最大的可能电流选择，并留有一定的裕度。现场接线示意图如图5所示。

图5 经过渡电阻接地接线示意

2.2.3 电缆单相弧光接地接地

将电缆B相出线固定后进行钻孔（直径5 mm钻头），破坏铠装层绝缘，屏蔽层接地，电缆A与C相终端做绝缘包覆处理，现场接线示意图如图6所示。

图6 电缆单相弧光接线示意

2.2.4 断线故障接地

将电缆B相出线固定后连接240 mm2架空导线段（2 m），并将架空导线段置于干草地，对电缆A与C相终端做绝缘包覆处理，现场接线示意图如图7所示。

图7 断线故障接线示意

2.3 试验运行工况

试验时系统运行方式：110 kV变电站1号、2号主变压器（简称主变）分列运行，1号主变低压侧带10 kVⅠ段母线，10 kVⅠ段母线带故障模拟线路。10 kVⅠ段母线中性点通过1号接地所用变后经消弧线圈接地，消弧线圈采用预调式过补偿方式运行。

3 试验过程

编制试验方案后，分别进行金属性接地、经500 Ω电阻接地、经16 000 Ω电阻接地、电缆弧光接地、断线接地等接地模拟试验，每种试验分别在GFN设备投入、GFN设备退出2种情况下进行。

3.1 试验步骤

（1）试验接线。确认安全措施完备后，按照试验工况要求进行接地试验回路接线和各个测点布置，完成后站内10 kV故障线出线开关由检修改热备用操作。

（2）对站内10 kV故障线开关进行合闸操作，模拟单相经过渡电阻接地故障，测录接地试验波形，记录变电站及开关站相关设备电气状态量，记录变电站、开关站、用户侧相关事件。

（3）对站内10 kV故障线开关进行分闸操作，切换至检修状态，更改试验工况。

各试验工况下现场如图8—12所示。

3.2 数据测录

运用数字录波仪分别测录Ⅰ段母线A，B，C相电压，故障线路A与C相及零序电流，非故障线路零序电流，消弧线圈电流、电压，GFN设备输出电流、现场接地点电流等暂态参数，如表1所示。同时记录各参数稳态值和每次故障工况下GFN设备选线结果、现场接地点熄弧效果等。

图8 金属性接地

图9 经500 Ω电阻接地

图10 经160 000 Ω电阻接地

图11 断线接地

4 试验结果及分析

分别对比GFN设备投入、退出工况下各项试验数据，对接地点电流抑制效果、选线效果及投运前后电网运行参数进行比较分析。

图12 电缆弧光接地钻孔

表1 试验数据采集位置

4.1 接地点电流抑制效果分析

比较不同工况下GFN设备投入前后现场接地点电流的有效值和峰值，如表2所示。

表2 现场接地点不同工况下电流值比较

GFN设备投入后，在经过渡电阻接地、电缆弧光接地、断线接地工况下，接地电流有效值均小于0.5 A，并在弧光接地和导线断线接地工况下将接地电流峰值由21.73 A和11.57 A抑制到0.94 A和0.53 A，补偿效果较好；但金属性接地工况下GFN设备对接地电流抑制效果不明显。

在电缆单相弧光接地故障工况下，GFN设备退出时接地后电缆击穿点持续放电，直至开关站遥分操作后熄弧；GFN设备投入时接地后电缆模拟击穿点瞬间熄弧。接地点电流波形及试验现场如图13—14所示。

图13 弧光接地GFN设备退出、投入前后接地点电流录波

图14 GFN设备退出工况下电缆弧光接地

在导线断线接地故障工况下，GFN设备退出时接地后对地持续放电，持续出现火花并伴随接地点干草灼烧后冒烟，直至开关站遥分操作后熄弧；GFN设备投入时导线接地点瞬间熄弧，未出现燃弧现象，灭弧效果较明显。接地点电流波形及试验现场如图15—16所示。

4.2 选线结果分析

GFN设备在其投入与退出状态下均具备单相接地故障选线功能，总结各试验工况下GFN设备选线结果，如表3所示。在金属性接地、经500 Ω电阻接地、弧光接地和断线接地工况下，GFN设备选线结果均正确；经16 000 Ω电阻接地工况下，GFN设备退出状态因接地电阻较高，各研判参数变化量小，GFN设备无法启动选线功能；GFN设备启动情况下，GFN设备选线正确。

4.3 电压分析

比较不同试验工况下1号母线各相电压接地前后稳态值和接地瞬间暂态峰值，试验结果如表4所示。

由表4可知，GFN设备退出时，接地故障发生后，故障相电压均有不同程度降低，其中金属性接地降低幅度最高，16 000 Ω高阻接地压降幅度最低。GFN设备投入后，各种试验工况下故障相电压均降低至50～400 V，非故障相电压将抬升至线电压。

另外对比接地瞬间电压暂态峰值，每种试验工况下故障相在GFN设备投入较设备退出情况暂态过电压略有降低，非故障相在GFN设备投入较设备退出情况暂态过电压有不同程度升高；试验中各过电压数据符合GB/T 50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中4.1暂时过电压及限制相关要求。

图15 断线接地GFN设备退出、投入前后接地点电流录波

图16 断线试验GFN设备投入、退出现场对比

表3 GFN设备各试验工况下选线结果统计

表4 不同试验工况下1号母线电压值

5 结论

通过基于运行工况进行单相接地试验设计、现场实施，完成国内首台GFN设备现场功能验证和评价，得出以下结论：

（1）GFN 设备对经 500 Ω 电阻、 经 16 000 Ω电阻、弧光接地及断线接地工况补偿后接地点残流均小于1 A，全补偿效果较明显；金属性接地工况补偿后接地点残流大于5 A，全补偿效果不明显。金属性接地、500 Ω接地、弧光接地和断线接地补偿时间小于100 ms，16 000 Ω补偿时间小于200 ms，补偿响应速度较快。

（2）电缆单相弧光接地工况，GFN设备退出状态，接地后电缆击穿点持续放电；GFN设备投入状态，接地后电缆击穿点瞬间熄弧，灭弧效果较明显。

（3）断线接地工况，GFN设备退出状态，接地点持续放电，持续出现火花并伴随接地点干草灼烧后冒烟，直至开关站遥分操作后熄弧；GFN设备投入时导线接地点瞬间熄弧，未出现燃弧现象，灭弧效果较明显。

（4）金属性接地、经500 Ω电阻接地、弧光接地、断线接地工况下，GFN设备选线结果均正确；16 000 Ω电阻接地工况下，GFN设备退出情况下GFN设备无法启动选线功能；GFN设备投入下，GFN设备选线结果正确。

（5）不论金属性接地、经过渡电阻阻接地、弧光接地或断线接地，GFN设备投入后，故障相电压有效降低，非故障相电压将抬升至线电压，建议设备运维单位在运行中予以关注。

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