小电流接地选线在变电站出线保护装置的应用

陆帅，姜梦，卞林林

（南京磐能电力科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

我国中、低压配电网多为小电流接地系统，即系统采用中性点不接地或经消弧线圈接点的运行方式[1-3]。小电流接地系统发生单相接地故障后，按照有关规章制度的要求，可短时运行。随着经济、科技的发展，各类用电客户对用电质量的要求在逐步提高，同时，故障定位和切除越早越有利于降低单相电压升高引起相间短路的风险[4-8]。

目前我国变电站10 kV出线保护设备未配置小电流接地选线功能，对故障后的快速定位和隔离有一定的影响，从而进一步影响电网一次设备的安全和系统的稳定[9-13]；因此，设计一种基于故障暂态信号的小电流接地选线方案，此方案在本单位的线路保护装置上得到较好的实际应用。

1 变电站出线单相接地处理方式现状

变电站10 kV出线装置受运维单位、装置规范等多方面影响，目前主要采用接地试拉、专用小电流接地装置两种方式处理单相接地故障[14-16]。

1.1 接地试拉处理单相接地

接地试拉单相接地选线方式需要对站内每条线路进行停电试拉，整个选线过程需要频繁地进行分、合闸操作，选出接地线路的时间具有很高的随机性，可能会导致一些误操作事故并引起长时间的停电。频繁的分、合闸操作和长时间单相接地会增大一次设备绝缘损坏的概率，简单的接地故障就会发展成为短路故障。

1.2 专用小电流接地选线装置

专用小电流接地选线装置可以实现对整条或多条母线所有间隔的接地选线功能，采用多种选线原理，但其选线正确率受所有间隔实际接线情况影响较大，后期运维成本较高，每一次增加间隔时均需要重新接线，每一次装置运维期间将使涉及的所有间隔失去选线功能。

综上所述，变电站10 kV出线现有的两种单相接地处理方式均存在明显的缺点。可参考配电网终端设备，在出线间隔保护装置配置小电流接地选线功能，但需要解决选线原理与现有保护装置采样率、计算能力等方面的问题。

2 基于故障暂态信号的小电流接地选线原理

相对于传统的稳态信号小电流接地选线原理，基于故障暂态信号的小电流接地选线原理具有灵敏度高且不受消弧线圈影响的优势。上世纪50年代德国提出首半波法，中国70年代开发出了产品，受当时的技术水平影响未获得大范围推广应用[16]。近年来计算机、微电子技术的发展为开发暂态信号小电流接地选线技术创造了条件。

2.1 暂态首半波法

故障线路零序电压导数与零序电流在暂态首半波内极性相反，而非故障线路、故障点下游线路极性相同，如图1、图2所示。

图1 不接地系统单相接地波形

图2 消弧线圈接地系统单相接地波形

定义变量qk(t)为

式中，i0(t)，u0(t)为某时刻线路的零序电流、零序电压。

对于故障线路有qk(t)＜0，非故障线路qk(t)＞0。

对变量qk(t)从故障起始时刻开始进行积分，得到变量Eq为

式中：T1为积分结束时刻，标准时间为故障起始后半个周波。

显然，故障线路Eq＜0，非故障线路Eq＞0。为防止在保护程序计算过程中产生的误差引起误判断，因此判断条件设定为

式中：Ez为固定门槛值。

经过研究证明[17]，在设定频段（selected frequency band，SFB）内，故障线路和非故障线路其阻抗呈容性，超出频段时，阻抗特性较为复杂，不好确定；因此，程序在进行暂态接地选线判断前，应对相应零序数据进行滤波处理，以保证计算结果的正确性。

基于暂态信号的首半波接地选线保护算法如图3所示。

图3 暂态首半波接地选线保护算法

2.2 启动继电器

暂态首半波法需要采用故障后半个周波内数据进行接地选线判断，因此故障起始点的确定对于算法的实现结果至关重要。设计一种突变量启动继电器，采用零序电流、零序电压突变量原理，快速识别故障、确认故障起始点。

利用当前采样点、1个周波前采样点、2个周波前采样点计算零序电流突变量Δi0(t)、零序电压突变量Δu0(t)，计算公式为

式中：T为采样周期。

零序电流突变量启动判据：Δi0(t)＞I0set+k1Δi0T;

零序电压突变量启动判据：Δu0(t)＞u0set+k1Δu0T。

式中：u0set、i0set分别为零序电压突变定值、零序电流突变定值；Δi0T为零序电流突变量浮动门槛；Δu0T为零序电压突变量浮动门槛；k1为浮动门槛的可靠系数，取1.25。

3 试验与验证

在不改变保护装置其他功能的前提下，在型号DMP-3311的出线间隔保护装置上实现基于暂态首半波的小电流接地选线功能，装置采用32位高性能的CPU及操作系统、内部高速总线、智能IO，硬件及软件均采用模拟化设计，灵活可配置，同时配置最大48套故障波形记录故障，具有通用、易于扩展、易于维护的特点。

将研制的出线间隔保护装置送检并进行动态模拟实验，模拟系统如图4所示，S1、S2为110 kV等值电源，主变压器T1、T2副边35 kV上各有4条出线，共设置24个故障点，被测装置安装于支路8上，分别模拟系统变压器副边中性点不接地或经消弧线圈接地两种运行方式下各故障点发生金属性接地、经电阻接地两种故障类型，共进行312次不同类型故障模拟。实验结果证明装置在区内各故障点所有故障均能正确动作，区外各故障点所有故障均可靠不动作。

图4 测试主接线

将4台装置进行试验，系统接线见图5。4台装置分别安装在线路1～4的出线首端，分别在中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统中进行测试。中性点不接地系统电容电流10 A，三相电压基本平衡；中性点经消弧线圈接地系统电容电流65 A，消弧线圈过补偿电流小于10 A，三相电压基本平衡。测试过程中，仅在系统中性点接地方式发生改变时允许调整装置参数设置。分别在两种中性点接地方式下，进行金属性接地、电缆弧光接地、经2 kΩ以内电阻接地、断线接泥土地等共30种不同类型实验，实验结果证明4台装置在区内各故障点所有故障均能正确动作，区外各故障点所有故障均可靠不动作。

在经过型式实验、真型实验验证后，配置此选线方案的出线间隔保护装置在山东、山西等多个现场得到应用，对安装在晋能控股煤业集团石窑煤矿地面变电所的入井Ⅰ回线、入井Ⅱ回线两个间隔的保护装置运行情况进行跟踪记录，在近一年时间的运行期间，共记录到47次故障以及对应波形数据，根据波形进行分析，其中区内单相接地故障15次，区外单相接地故障32次，装置的动作行为全部正确。

4 结论

提出一种基于暂态首半波的小电流接地选线方案，并在出线间隔线路保护装置实现此方案应用，通过模拟系统、真型场地实验、现场实际运行证明，该选线方案不受不稳定电弧和消弧线圈的影响，灵敏度高，可靠性好。相对于传统的接地选线装置，配置此接地选线方案的间隔线路保护装置，不增加硬件成本，后期维护成本低，增补间隔不会影响其他间隔的运行。同时在一定条件下支持升级原有间隔线路保护装置的软件实现此功能，降低了现场改造升级的成本。