配网灵活接地保护策略研究＊

叶远波,谢 民,王同文,贾雅君,魏立新

（1．安徽电力调度控制中心，安徽 合肥230022；2．上海交通大学，上海200240；3．思源电气，上海201108)

1 引言

配网灵活接地方式，即中性点经消弧线圈并联小电阻接地方式，目前在6～35kV 电网中有部分试点应用[1]。其基本原理是电网发生单相接地故障时，消弧线圈投入，若故障为瞬时性故障，则由消弧线圈的补偿作用，接地故障可自行消除，电网即恢复正常[2]；若消弧线圈投入持续一段时间，接地故障未消失，则视为永久性故障，此时小电阻投入，从而增大接地电流，促使线路零序过流保护动作，切除接地故障支路，使电网恢复正常[3]。

实际应用中，由于对接地过程的复杂性认识不足、对小电阻与配电网相关保护设备协调配合策略考虑不周等原因，灵活接地方式未能达到设计初衷。

本文通过对灵活接地电网存在的现实难点进行分析，然后针对这些难点如何解决提出全新的保护控制策略。

2 灵活接地系统的问题和难点

2.1 与配网中DTU/FTU等设备配合不理想造成的小电阻频繁投切、故障无法隔离

现有的配电网中，广泛采用了具有故障自动重合闸、自动故障分隔功能的DTU/FTU 等设备。当小电阻延时投入使线路首端的零序保护跳闸后，线路上的各级DTU/FTU由于失电会自动分闸，实现故障的自动隔离。而后待首端的线路保护装置完成重合闸后，线路上的各级DTU/FTU逐级感受到电压后也会依次延时完成自动合闸。当合闸到永久故障所在区间后，接地故障重现。

而此时小电阻早已退出运行，无法提供零序过流保护需要的电流，线路重合于故障时的后加速跳闸功能无法实现。此时将重新开始一轮消弧线圈与小电阻的依次投入，以及随之而来的线路各级保护、DTU/FTU的重复跳闸、重合，故障不能彻底隔离，如此循环往复[4]。

2.2 高阻接地时零序电流过小，不能使零序过流保护动作，故障无法切除

实际运行中，为避免线路零序过流保护误动，支路零序过流保护定值设定一般大于线路本身的零序电流值[5]。而当电网发生高阻接地时，这样的定值整定，小电阻投入后产生的接地故障电流难以使线路的零序过流保护动作，造成接地故障持续存在。

在典型的10kV 配电网中，一般对应600A 的零序故障电流，小电阻阻值约10Ω。若按照零序过流保护定值60A，则此时极限的高阻接地电阻仅约90Ω；若零序保护定值降低到40A，虽然其极限高阻接地的阻值可以稍稍提高至约140Ω，但随之而来的是零序保护可能误动[6]。

2.3 持续短时接地故障时，小电阻投入延时无法达到，不能投入，故障无法切除

现有控制逻辑，小电阻投入前需要有等待延时来判断是否发生永久性的接地故障，若在等待延时前接地故障即消失，小电阻不会投入。若系统发生持续的、周期性的短时接地故障，小电阻由于延时未到而无法投入，故障支路零序过流失效，从而无法切除故障支路。

这类故障，虽然单次时间短，但其连续故障持续时间长，给电网安全运行带来隐患[7]。

2.4 对接地故障的识别过于简单，在非单相接地、非支路接地时小电阻误投

现有控制逻辑，根据单纯监测电网中性点电压的超过报警值来识别接地故障的发生，而实际运行中，除单相接地外，PT 断线、铁磁谐振等能够引起电网中性点电压超限[8]。同时，若单相接地发生在母线上，投入小电阻实际也达不到切除故障支路的目的。在这些情况下误投入小电阻，有可能因为小电阻投入增大了故障电流，从而引起变电站越级跳闸，扩大故障范围。

3 优化的灵活接地保护控制策略

3.1 策略概述

对现有灵活接地运行中出现的各类实际问题，需要有针对性的调整现有的灵活接地控制方式，采取更加合理、科学的控制策略。包括：

首先，准确判断引起中性点电压升高的原因，避免非单相接地故障时小电阻的无效投入；

其次，对单相接地故障进行判断，使高阻接地、连续短时接地等故障时，小电阻能有效工作；

再次，优化单相接地时与线路保护以及DTU/FTU进行合理的时间配合，避免多次的、长时间的投入小电阻；

最后，加入具备跳闸能力的小电流接地选线功能，由选线的跳闸功能来弥补诸如高阻接地等小电阻控制盲区下的故障切除。

3.2 接地类故障的识别策略

接地类故障的识别，即是当电网中性点电压升高并超过设定的报警值时，对引起电压升高的原因进行分析判断，当排除掉PT断线、铁磁谐振等非单相接地原因后，对于确定的由单相接地故障才控制消弧线圈、小电阻进行后续的补偿以及投退。对于PT断线、铁磁谐振等原因引起的直接告警提示，消弧线圈及小电阻不进行无效的、错误的投入。

对PT 断线的识别，需要采集电网的三相电压，然后对三相电压进行数字合成，得到合成零序电压，然后与直接采集到的零序电压进行有效值比较，当两者不同时，认为PT断线，进行报警提示。

对铁磁谐振的识别，是对采集到的零序电压信号进行频谱分析，然后由频谱分析结果计算出谐波总畸变率Thd，若零序电压ThdU0超过100%，则认为电网发生铁磁谐振，进行报警提示。

排除PT 断线、铁磁谐振后，其余即可以确定为单相接地故障。

3.3 高阻接地控制策略

灵活接地电网的高阻接地故障，包括两层含义：其一，消弧线圈能够识别的最低故障电压(一般情况下设定为30%Un)时的接地；其二，是小电阻投入后，产生的能够使线路零序保护动作的最小零序电流时的接地。而这两种情况下所能承受的接地点过渡电阻值是不同的。灵活接地电网如图1所示。

图1 灵活接地电网图

在图1所示灵活接地电网中，当电网发生单相接地时，消弧线圈L投入，此时中性点电压U01为：

待故障稳定，开关Kn闭合，小电阻Rn投入，此时中性点电压U02为：

由公式(2)、(3)可见，在投入小电阻Rn后，中性点电压EC会较仅投入消弧线圈时有明显降低。若要使投入小电阻前后中性点电压EC相同，则必须使投入小电阻后接地电阻Rd2小于仅有消弧线圈投入时的接地电阻Rd1，即小电阻系统零序过流动作的故障点接地电阻值要小于消弧线圈系统所能够耐受的接地电阻值。

实际运行表明，小电阻接地系统一般极限高阻接地电阻仅在100Ω左右，远小于消弧线圈接地系统一般能够耐受的高阻接地电阻约1000Ω或更高。

在灵活接地电网，高阻接地故障时，一是不能产生足够高的零序电压，无法启动消弧线圈、小电阻；二是零序电压即便稍高，能勉强启动消弧线圈、小电阻，也会由于小电阻投入后产生的零序电流过低，小于线路零序保护的定值，不能使零序过流保护跳闸、不能切除故障线路。

现有的选线技术，已经有较高的选线准确度，只需在此基础上增加必要的高阻接地判断，即可实现高阻接地时的小电阻投入控制；增加选线支路跳闸功能，即可弥补小电阻投入后零序电流过小而无法启动零序保护时的故障支路选线及切除。

引入选线技术后，若电网零序电压小于故障启动值(30%Un)，但高于正常运行时的最高零序电压值(10%Un)时，则认为电网可能发生接地。随即通过检测零序电压突变以及各支路零序电流突变，来准确判断是否高阻接地发生。

电网发生高阻接地时，由于接地信号过小，此时，可以将小电阻短时投入，利用小电阻投入后产生只流过接地支路的零序有功电流信号，来进行高阻接地下的选线。

对选出的高阻接地支路，以及由于零序电流过小、长时间投入小电阻后仍旧无法使零序保护动作的接地故障，则由选线装置的跳闸功能实现故障线路的跳闸切除。

高阻接地时的控制策略流程如图2所示。

图2 高阻接地控制策略流程

3.4 永久性接地控制策略

对持续时间较长的永久性接地故障，需要确保线路零序保护能够动作、线路上的DTU/FTU 等设备能够准确隔离的前提下，减少灵活接地系统中小电阻的投切次数。为此，必需使小电阻的投切时序，与线路的零序保护、各级DTU/FTU 等设备的保护时限完全匹配。即小电阻单次投入的时间，应该至少大于线路首端及大部分线路FTU/DTU的重合闸时间(例如10S)；在小电阻切除后的较短时间内(例如3 分钟)，若再次发生单相接地故障，则小电阻不再等待消弧线圈，而是立即投入，以使线路零序保护、线路DTU/FTU 等能够尽快通过后加速等快速切除再次发生的故障，实现故障的可靠隔离。

当电网发生单相接地后，系统零序电压超过30%Un，此时正常投入消弧线圈。待接地故障稳定存在后，投入小电阻，在接地回路中产生较大的零序电流，促使线路的零序过流保护动作跳闸。线路跳闸后，故障消失，零序电压消失，消弧线圈退出。此时，小电阻应持续保持投入，等待线路首端及线路上的各级DTU/FTU依次完成重合闸。

若在小电阻单次投入时间内，重合于接地故障，则由线路保护后加速跳闸，切除故障；若线路上的DTU/FTU级数较多、依次重合时间较长，超过小电阻单次投入时间，则在3分钟的等待时间内，若重合于故障，则小电阻立即投入，使线路的零序保护跳闸，线路上的DTU/FTU也掉电分闸后，实现故障隔离。若3分钟后还没有重合于故障，则按照新的一次接地处理。

永久接地的控制策略流程如图3所示。

图3 永久接地控制策略流程

上述的控制策略中的具体时间，可以依具体运行工况的不同进行调整，以提高现场适应性。

3.5 连续短时(间歇性)接地控制策略

配电网经常会发生连续的、短时的接地故障，即间歇性接地故障。此时，当接地故障发生时，消弧线圈投入补偿，小电阻未到达延时，接地故障短时恢复后，再次发生接地，如此往复。这样的接地情况，会造成接地故障持续存在，无法排除。

对于此类间歇性接地故障，采用故障累积法，当在一段时间内，发生超过设定次数的多次连续的、短时的、间歇性接地，则小电阻控制策略不应再等待消弧线圈延时、而是立即投入小电阻，以使线路的零序保护能够动作。

连续短时(间歇性)接地的控制策略流程如图4所示。

图4 连续短时(间歇性)控制策略流程

3.6 选线跳闸控制策略

灵活接地系统引入选线及选线跳闸技术后，可有效解决高阻接地时选线跳闸问题。而高阻接地本身，可能是永久的、短时多次(瞬间)的，这就需要将单纯的选线跳闸与前述的针对小电阻零序保护的永久接地策略、短时多次策略进行有效结合。

对经由选线跳闸切除的高阻类故障，若故障切除一定时间内，故障再次复现，则认为是永久性高阻接地，故障由线路保护、各级DTU/FTU重合于故障造成。此时，选线立即再次将原故障支路切除，即选线后加速跳闸。

若短时间内高阻接地持续发生，但始终不到选线跳闸延时，则认为是短时多次(间歇性)高阻接地。此时，选线采用故障累积法功能，立即切除已经经有功分量法选出的故障支路，解除故障。

选线跳闸控制策略流程如图5所示。

图5 选线跳闸控制策略流程

4 灵活接地电网高阻接地的仿真

4.1 模型概述

为验证高阻接地时，前述新的灵活接地保护控制策略的有效性，在Matlab中搭建了一个灵活接地电网仿真模型如图6所示。

图6 灵活接地仿真电网

该10kV 电网有4 条线路，中性点采用灵活接地方式。消弧线圈处于过补偿运行状态，脱谐度5%；中性点小电阻为10Ω。单相接地发生在支路L4上，接地后先投入消弧线圈，延时0．1S后小电阻投入，分别验证金属性、经中电阻、经高电阻接地三种工况。

验证结果以波形方式呈现，波形中包括零序电压U0、支路L1～L4的零序电流I01～I04、中性点电流Iz等信号。

4.2 金属性接地(Rd=0Ω)

由图7接地波形可见，在消弧线圈、小电阻投入过程中，中性点电压的幅值都稳定在额定相电压附近，有效值约5800V。此电压足以使小电阻产生足够的零序电流。

图7 金属性接地(Rd=0Ω)时仿真波形

在接地发生约50ms左右即已稳定，接地支路L4的电流最小，其电流幅值仅约5A，说明消弧线圈已经正常补偿完毕。在接地后100ms 时，小电阻投入，此时，接地支路L4支路产生了显著增大的接地电流，其电流幅值约为600A，此电流足够零序保护动作。

4.3 经中电阻接地(Rd=135Ω)

考虑线路零序保护需要高于线路正常运行时的零序电流(设为40A)，则此时理论上灵活接地电网的小电阻部分能够耐受的最大接地电阻Rd为：

则经中电阻接地(Rd=135Ω)时仿真波形图如图8所示。

图8 经中电阻接地(Rd=135Ω)时仿真波形

由图8接地波形可见，在消弧线圈投入后，中性点电压较金属性接地时有所降低，有效值约5000V，约为72%Un；小电阻投入后，中性点电压急剧降低，其有效值仅约350V，约6%Un。此电压已低于消弧线圈正常工作所需的30%Un，消弧线圈已退出补偿。

在接地发生约10ms左右即已稳定，接地支路L4的电流幅值仅约3A。在接地后100ms时，小电阻投入，此时，在接地支路L4支路也产生了明显的电流增大，但其幅值仅为35A左右，不但远小于金属性接地时的数百安培，而且已经小于最低的零序电流动作值，不足以使线路的零序保护跳闸。

4.4 经高电阻接地(Rd=2000Ω)

考虑将接地发生、小电阻未投入时的零序电压限制到30%Un，此时所对应的接地电阻才是真正意义上的高阻。而可以预见的是，此如高阻的情况下，投入小电阻更加不能使线路零序保护跳闸动作。

由图9接地波形可见，在消弧线圈投入后，由于接地电阻更高，因此中性点电压降低更为明显，其有效值约1800V，仅约为31%Un；小电阻投入后，中性点电压直接下降到约35V，仅约为0．6%Un。此电压已接近电网正常运行时的自然不平衡电压。

图9 经高电阻接地(Rd=2000Ω)时仿真波形

接地稳定后，接地支路L4的电流幅值仅约2A。在接地后100ms时，小电阻投入，此时，在接地支路L4支路产生了微弱的电流增大现象，增大到3A左右。

5 结束语

综上，灵活接地系统在实际运行中，由于设计控制策略没有考虑到接地故障的复杂性、并未与线路的保护装置、各级DTU/FTU 等故障隔离装置进行良好的时序配合，出现了很多问题，主要表现在：对经电阻接地，特别是经高阻接地故障时，零序电流过小，零序保护失灵；在遇间歇性故障时，也因无法投入小电阻而无法使零序保护动作；在遇稳定永久故障时，与线路保护、各级DTU/FTU的保护时序不配合，造成小电阻频繁投入、保护频繁动作。

为解决这些实际问题，本文设计了新型灵活接地保护控制系统，采用了全新的控制策略。为解决高阻接地时，小电阻投入产生的电流过小，无法使零序保护动作问题，在新的保护控制系统中引入选线及跳闸技术，由选线装置控制小电阻短时投入，利用产生的有功电流来选出高阻接地线路，再由选线装置将故障线路切除，从而消除接地故障；为解决间歇性故障时小电阻无法投入问题，我们在新的控制策略中增加对间歇性故障的监测，当短时间内多次发生间歇性故障时，尝试投入小电阻以使线路保护能够动作；为解决与线路保护、各级DTU/FTU保护时序的配合，我们在新的控制策略中增加了后加速策略，当小电阻切除后，若短时间内故障重现，则立即投入小电阻以使线路保护动作，加速隔离永久故障。

总之，通过新的灵活接地保护控制策略的应用，可以弥补灵活接地系统的技术短板，将极大的提高灵活接地系统的运行可靠性。