X-B9000小电流选线装置基于10kV中性点不接地系统应用研究

兖州煤业榆林能化有限公司 伊永臣

X-B9000型小电流选线装置在10kV中性点不接地系统发生单相接地故障时，小电流选线装置自动捕捉到故障时的零序电压、零序电流的暂态突变量，利用接地故障发生初期暂态量是稳态量的几倍到几十倍的特点，从捕捉暂态量的角度出发，装置捕捉到暂态量后自动计算和分析，并从中选择暂态量最集中的特征频带，利用特征频带内暂态零序分量在故障线路与非故障线路中最明显的幅值和相位差来实现精准选线[1]。

1 项目实施背景

1.1 选线技术应用现状

中性点不接地系统，单相接地故障对系统运行、设备安全及人身造成威胁，容易引发事故。但是大部分接地故障信号量小，受互感器和测量误差、消弧线圈补偿、接地电阻和故障类型等影响，接地选线非常困难。基于故障信号稳态分量，信号量小、可靠性差，保护装置又不能反应单相接地故障，传统选线装置正确率较低。

1.2 选线原理比较

X-B9000型小电流选线装置所采用的“自适应特征频带的暂态量选线法”超越了传统的“稳态量选线法”和“首半波暂态量选线法”，除具有跟“注入法”和“残流增量法”一样不受系统运行情况影响的全部优点以外，不再需要增加其它一次设备与之配合、安装接线和调试简单、可以快速捕捉到瞬时性故障的优点，同时该选线技术可以应用到集中或分散继电保护中，广泛适应中性点不接地配电系统的发展需求。综上所述，自适应特征频带的暂态量选线法技术及经济优势明显，方案最佳。

1.3 10kV电气系统选线装置实施背景

厂内10kV供电系统建厂初期已配置小电流选线装置和继电保护装置，经常出现误报警现象，而当中性点不接地系统真正发生接地故障时，原小电流选线装置无法精准选择出故障回路、且报警混乱。如不及时切除故障点则极易造成事故扩大，对电气设备、生产系统、人身安全构成威胁，甚至引起生产系统联锁跳车，严重影响到厂内安全稳定生产。

2 内涵和主要做法

2.1 成果内涵

X-B9000小电流接地选线装置属于选线技术前沿产品，适用于66kV及以下电压等级中性点不接地系统或系统经电阻、消弧线圈间接接地的电力系统，该装置具有灵敏、可靠、选择、快速的继电保护特性，能够精准地隔离不接地系统中发生单相接地故障的线路或设备，选线准确率近100%；装置以每周波1024点的高频率监测各线路。出现接地故障时，高速采样保障了把暂态过程完整清晰的捕捉的可能性，从而进行有效的分析，找到故障的症状，保障了正确的选线；借助分析软件能在线的对故障数据进行统计分析，对被保护线路的绝缘状态进行评估并发出预警信号，辅助决策。

2.2 主要做法

2.2.1 项目实施目的

为保证10kV系统在发生单相接地故障后，单相接地事故迅速得到控制不再扩大，在不影响生产系统的情况下，暂时采用消弧消谐装置复位及倒负荷的方式先排除故障段位及变电所，再对故障回路进行切除，由于馈出回路较多，造成故障回路排查时间长、系统处理时间长，容易造成事故扩大。

2.2.2 X-B9000小电流接地选线装置选线原理

小电流系统单相接地故障基本特征分析。当中性点不接地系统发生单相接地时（例如A相接地故障），如果忽略负荷电流和电容电流在线路阻抗上的电压降，全系统A相对地电压均为零，A相对地电容电流也为零，同时B相和C相的对地电压和电容电流都升高√3倍。中性点不接地系统发生单相接地故障时，在接地故障点要流过整个系统的对地电容电流，如果电容电流达到一定程度，在接地点就会燃起电弧、引起弧光过电压，从而造成非故障相对地电压升高，容易使非故障相绝缘损坏，导致两点或多点接地，造成事故进一步扩大甚至停电。针对以上此问题避免事故，用户在系统的中性点与地之间加上消弧线圈，一般采用5%～10%的过补偿方式。

中性点不接地系统暂态电流分布特征。中性点不接地系统（小电流系统）中发生馈出线路单相接地故障，其暂态电流故障分量的分布如图1，图中箭头标示出暂态电流故障分量的流通回路。从图中电流回路流向可以看出，故障线路J故障相（A相）的暂态电流故障分量由本线路B、C相的暂态电流分量和健全线路I各相暂态电流分量组成。

图1 电网单相接地故障暂态电流的分布

经消弧线圈接地系统暂态电流分布特征。接有消弧线圈接地的系统发生单相接地故障时，与中性点不接地系统相同的是：在故障线路故障相中，暂态电流分量是由本线路非故障相的暂态电流分量和其他健全线路暂态电流分量组成。但由于消弧线圈补偿的存在，在故障线路故障相有感性暂态电流分量流过，而所有非故障相则仍然保持流过自身容性暂态电流分量。

暂态零序电流相频特性分析。任何线路都有一个最低的容性频带，在这个频带里，各健全线路的零序电流都为容性。而影响暂态零序电流相位的主要因素为线路的零序阻抗角，即随着频率升高，暂态零序电流相位在正负90°交变出现，且在最低的频带为容性电流。

解决频带内暂态电流分量选线原理。在一个健全线路暂态零序电流相位一致的频带内，故障线路暂态零序电流幅值大于健全线路暂态零序电流幅值，具有最大暂态电容电流。因此通过选择一个健全线路电流相位一致的频带，利用此频带内暂态电流分量幅值比较，选择故障线路，这就是基于暂态零序电流特征频带的选线理论。一般说来，系统中最大两条线路的零序电容之和不会超过整个系统的89%。因此，特征频带内故障线路电流幅值大于或等于∑I0(f)/2，而健全线路电流模值小于∑I0(f)/2。

2.3 X-B9000小电流接地选线装置技术特点及优势

2.3.1 自适应零序电流暂态分量特征频带的选线理论

X-B9000小电流接地选线装置选线的基本原理，是利用零序电流暂态分量自适应捕捉特征双频带选线理论，利用最先进的硬件平台实现单相接地故障选线，再辅助采用其它选线方法，不受系统运行方式、故障条件、故障时刻和故障位置的影响，针对不同系统、不同故障类型，故障特征不同，实现动态寻找不同故障类型的故障特征，动态找到故障特征提取方法，实现接地选线的可靠。

2.3.2 采用双突变量启动技术，有效捕捉故障启动点

故障启动点的捕捉是算法可靠的保证。

表1 技术突破1：暂态分量

表2 技术突破2：特征频带

表3 技术突破3：自适应特征

特征频带幅值比较法。中性点不接地系统单相接地时，捕捉其零序电流的暂态分量，在首个容性频带内故障线路的幅值最大。装置自适应捕捉特征频率f1（50～5000Hz），计算特征频带的范围，从而通过特征频带（f0～f1）的幅值比较来选择故障线路。若系统未能进行零序CT的极性校验，本算法是首选算法。本算法不能反应母线故障，选线正确率在95%以上。

暂态信号波形比较法。中性点不接地系统单相接地时，捕捉其零序电流、零序电压的暂态分量，利用故障线路的波形突变总是最大，且具有与零序电压方向相同、与非故障线路方向相反的特点，自动进行波形比较，从而选择故障线路。本算法是辅助算法，尤其适用于间歇性接地、弧光接地和系统多点接地。本算法选线正确率接近100%。

特征双频极性比较法。装置自适应选择能量最大的一个高频率点Fh和一个低频率点Fl，通过两个频率点的极性比较来选择故障线路。若系统已经完成零序CT的极性校验，本算法是首选算法。本算法选线正确率接近100%。

2.3.3 连续选线技术、辅助系统绝缘监察

小电流选线装置在单相接地故障没有消失的情况下，每隔1s重复进行选线计算，直到故障消失、有效排除误选。借助小电流绝缘监察系统分析软件在线对故障数据统计、归类、分析后，对被保护线路的绝缘状态进行评估，反应出线路绝缘状态，并发出预警信号、辅助决策。不仅可以快速准确选择出实际事故线路，还可以精准判断选择出潜在绝缘薄弱点，给值班运行人员提供有力技术判断支撑，对生产运行管理起到积极的指导作用。

2.3.4 完整暂态故障录波

装置以每周波1024点的高频率监测各线路，出现接地故障时，高速采样可以使暂态过程完整清晰捕捉，从而进行有效的分析，找到故障的症状；丰富的录波信息，有助于事故分析和二次选线；X-B9000小电流接地选线装置典型故障录波分析如下。

金属性接地特征分析：故障零序电压在100V左右，暂态过程信号丰富；间歇性弧光接地特征分析：零序电压波形有畸变且幅值比较大、往往超过100V，同时零序电流呈周期性放电状态；电阻接地特征分析：故障零序电压小于100V，接地电阻越大零序电压越小，零序电压呈缓慢上升趋势，零序电流暂态信号较弱；消弧系统接地故障特征分析：单相接地故障线路零序电流的暂态过程波形与非接地故障线路反相，稳态过程波形与正常线路同相。

CT极性接反特征分析：系统所有CT极性接反的线路零序电流波形与单相接地故障线路零序电流同相。特别说明的是，分段运行的两段母线也需要对出线零序CT极性进行统一；CT开路或短路特征分析：该线路如果未投入使用、路器处于断开或短线路状态，零序电流波形就会呈现直线状，该线路零序电流并不明显，这种现象可以判断CT有可能出现开路或短路。

3 实施效果

3.1 整体效益

借助分析软件能在线对故障数据进行统计分析，对被保护线路的绝缘状态进行评估，并发出预警信号、辅助决策。不仅可以快速准确选择出实际事故线路，还可以精准判断选择出潜在绝缘薄弱点，给值班运行人员提供有力技术判断支撑。故障的快速排除，有效提高故障排查处置效率，大幅提升供电及生产系统运行稳定性。

3.2 经济效益

系统一旦因单相接地导致故障，将可能引起系统跳车，每次损失费用约150万元。自2019年X-B9000小电流接地选线装置应用以来，累计精准判断单相接地事故2次，精准判断潜在绝缘薄弱点1次，在2020年4月16日因302B气化变电所4#气化变因单相接地故障，小电流选线装置精准选线，10分钟不到将故障回路退出并隔离，未影响正常生产，共挽回直接经济损失约300余万元。

3.3 社会效益

X-B9000小电流接地选线装置技术先进，不依赖于其它操作系统和通信系统的可靠性，满足“选择性、可靠性、灵敏性和速动性”的要求，拥有最高的电磁兼容性能、拥有保护装置一样的平均无故障运行时间，选线正确率接近100%。装置的成功应用，有效的提升了接地故障点选择效率，使应急处置人员能够第一时间在保证生产系统不受影响的情况下切除故障点，可在石油化工、矿山、金属冶炼等重点危险企业推广使用。