一种具有电流回路自检功能的零序保护实现方法

刘国徽，李新海，范德和，袁拓来，邱天怡

(广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

0 引言

广东电网变电站10 kV系统目前多采用小电阻并消弧线圈[1]或纯小电阻接地，若某10 kV线路的零序保护电流二次回路断线且该线路发生了单相接地故障，该线路零序保护将拒动，并导致上级零序保护动作[2]，将造成10 kV母线失压和大面积的停电。针对此问题，本文阐述了一种具有电流回路自检功能的零序保护实现方法。

1 零序保护存在的问题

当前10 kV保护装置的零序电流保护因正常运行时无电流，无法监视、预警零序电流二次回路异常，而零序保护的电流回路隐患主要靠人工进行排查，采用外观检查、紧固二次接线的不停电检查，以及零序保护二次加量试验或测量电流回路电阻等的停电检查。电流回路采用不停电的人工检查时，只能做外观检查及紧固接线，难以发现隐藏的开路隐患，且检查工作量大；而采用一次设备停电的检查时，则会造成用户停电，影响配网的供电可靠性。

2 一种具有电流回路自检功能的零序保护装置及保护方法

该保护装置的零序保护电流回路自检原理结构图如图1所示，主要由低频电流产生模块、电流采集模块、保护处理器、通信及告警模块、人机交互模块、电源模块等部分组成。

图1 零序保护电流回路自检原理结构图

该保护装置的零序电流二次回路自动检测接线示意图如图2所示(其中加粗部分为相较于常规零序保护所增加的硬件部分)，其零序电流互感器T3一般安装在10 kV间隔的一次电缆层或开关柜内。本文中的低频电流产生模块输出的电流为低频非工频电流，人机交互模块包括液晶触摸屏，在使用过程中工作人员可通过人机交互模块设定低频非工频电流输出定值Iscdp、“低频非工频电流采样值与低频非工频电流输出定值的比值”告警定值Kset及零序电流二次回路自动检测时间周期T，并存储至保护处理器中，其中低频非工频电流输出定值Iscdp在设定时程序限制不大于本零序保护装置的0.8倍零序保护动作电流定值，以确保检测过程中零序保护不误动，保护处理器控制低频电流产生模块按设定低频非工频电流输出定值Iscdp输出相应大小的低频非工频电流。

目前10 kV零序电流保护是通过采集工频(50 Hz)电流分量作为零序电流保护的动作判据。本文使用低频非工频电流且不大于0.8倍零序保护动作值的限制电流幅值检测方式实现，因为通过外部注入电流方式不能绝对保证不影响50 Hz工频量保护的串扰，为可靠起见，采用小于工频量保护动作值的外部注入电流，能够有效避免回路检测时零序保护误动的可能。

图2 零序保护电流二次回路自动检测接线示意图

该保护的具体实施流程如图3所示，在保护装置启动或复归后，保护处理器首先判断是否启动手动检测零序电流二次回路功能，若“是”则直接启动零序电流二次回路检测，并将检测结果显示在液晶触摸屏；若“否”则进入自动检测模式，判断是否达到设定的零序电流二次回路自动检测时间周期T，若“否”则继续循环计时直至满足预设的自动检测时间，开始进入零序电流二次回路检测：保护处理器控制低频电流产生模块按设定低频非工频电流输出定值Iscdp输出相应大小的低频非工频电流，该电流经电流互感器T2注入零序电流二次回路中，电流采集模块通过电流互感器T1实时采集零序电流二次回路中电流(可能包含50 Hz工频电流)，该电流经A/D(模拟/数字)信号转换后，将电流数字信号发送至保护处理器中处理，保护处理器使用时间抽取的快速傅里叶变换(FFT)算法[3]，将时域离散采集的电流变换为频域的50 Hz工频电流采样值和低频非工频电流采样值共2个分量，其中50 Hz工频电流采样值用于零序保护启动，同时与零序保护动作定值比较，当零序保护启动，同时50 Hz工频电流采样值大于保护定值，在达到零序保护动作时间后保护出口跳闸。而保护处理器计算低频非工频电流采样值Icydp与低频非工频电流输出定值Iscdp的比值K=Icydp/Iscdp，其比值与Kset比较作为零序电流二次回路接触状态的判断依据。检测完成后保护处理器控制低频电流产生模块停止输出。

当K≥Kset时，保护处理器判断当前零序电流二次回路接触状态完好，此时控制通信及告警模块发送检测结果软报文至自动化系统，程序也将回到手动检测判断状态，等待下一次的检测；当K

此外，该保护还具有零序电流二次回路接触电阻变化趋势分析功能，在使用过程中工作人员可通过人机交互模块设定阻值变化率告警定值ΔRset并存储至保护处理器中，当保护处理器控制低频电流产生模块输出低频非工频电流时，低频电流产生模块内部的电压测量表V可以实时测量模块输出的低频非工频电压Ucydp并经A/D变换后将测量结果反馈给保护处理器，电流采集模块通过电流互感器T1实时采集零序电流二次回路中的低频非工频电流Icydp并经A/D变换后将测量结果反馈给保护处理器，如图3所示。保护处理器根据采样值计算并存储零序电流二次回路接触电阻值R=(Ucydp×cosθ)/Icydp(其中θ为U与I的夹角)，在多次检测后会自动生成接触电阻R的阻值曲线图和阻值变化率曲线图，以直观展示二次回路接触电阻状态变化。当检测阻值变化率ΔR≥ΔRset时，保护处理器判断当前零序电流二次回路接触电阻劣化，此时保护处理器向通信及告警模块发送告警信息；通信及告警模块接受到告警信息后，一边通过TCP/IP通信协议向自动化系统发送告警软报文，一边向测控告警系统发出硬接点告警，同时点亮本保护装置的告警指示灯，提醒继电保护人员检查处理，至此保护自检零序电流二次回路的工作结束，等待保护信号复归或重启，装置将继续进行下次的二次回路自检工作。

3 具有电流回路自检功能的零序保护的优点

该保护的检测功能完全集成于常规保护当中，采用互感器耦合注入低频非工频电流方法，相比现有技术具有以下优势。①检测精度更高。因互感器耦合注入的低频非工频电流，在电流二次回路中遇到的阻抗为Z=jwL，其中w为电流频率对应的角速度。频率越低，Z越小，电流二次回路中流过的低频非工频电流值就越大，检测灵敏度就越高。②全自动管理，无需外部接线及人工干预等。③该装置使用的器件小、结构简单，工作可靠性更高。④功耗小，节能环保。

图3 零序电流二次回路自动检测流程图

4 结语

该保护是在常规10 kV零序保护结构上进行改进，在硬件上增加低频电流注入模块，在软件上增加低频电流的输出控制及检测功能程序，从而实现零序电流回路完好性的自检功能。该保护能够自动快速检测10 kV零序保护电流回路的完好性，且外部接线与传统零序保护的接线完全一致(无需额外独立的检测装置和接线)，克服了目前零序电流回路检测方法自动化程度不高、检测不经济的缺点。