基于接地選線和零序電流保護(hù)小電流接地系統(tǒng)接地故障解決方案

1、基于接地選線和零序電流保護(hù)的小電流接地系統(tǒng)接地故障解決方案目 錄1背景22研究方向23小電流接地選線系統(tǒng)的理論研究33.1零序電流電壓法33.2基于信號注入法選線裝置的工作原理43.3選線原理對比分析53.4主流系統(tǒng)對比分析53.5裝置優(yōu)缺點(diǎn)對比分析83.6實(shí)踐效果分析94基于零序電流保護(hù)的電纜線路接地故障解決方案94.1 零序電流保護(hù)配置原則94.2零序電流保護(hù)配置實(shí)施方案104.3 零序電流保護(hù)配置注意事項(xiàng)121背景目前油田電網(wǎng)的10kV中壓系統(tǒng)采用變壓器中性點(diǎn)接地或經(jīng)消弧線圈接地（中性點(diǎn)非直接接地）。中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)能帶故障運(yùn)行，但非接地相相電壓升

2、高，長時(shí)間運(yùn)行會破壞絕緣導(dǎo)致故障擴(kuò)大。本文基于冀東油田運(yùn)行現(xiàn)狀，就快速找到并準(zhǔn)確隔離小電流接地系統(tǒng)接地故障點(diǎn)開展了長期的研究和實(shí)踐，提出了基于接地選線和零序電流保護(hù)的小電流接地系統(tǒng)接地故障解決方案。2研究方向目前冀東油田電網(wǎng)主要分為陸上地區(qū)和南堡地區(qū)兩個(gè)部分。陸上地區(qū)主要以架空線路為主，南堡地區(qū)10kV線路為純電纜線路。非直接接地供電系統(tǒng)單項(xiàng)接地時(shí)，接地電流為電網(wǎng)的對地容性電流，對于非電纜線路電網(wǎng)，容性電流較小（10A以下），通?？梢詭Ы拥毓收线\(yùn)行數(shù)小時(shí)（一般為2小時(shí)），以便及時(shí)查找故障點(diǎn)和消除故障，保障電網(wǎng)連續(xù)供電，提高供電可靠性。所以在非直接接地供電系統(tǒng)中的非電纜線路（架空線路）一般不配置

3、線路零序跳閘保護(hù)?？煽康慕鉀Q方案為快速進(jìn)行單相接地故障選線，并定位接地點(diǎn)，為故障巡線提供指導(dǎo)，以最快的速度隔離或帶電消除故障點(diǎn)，盡最大努力防止設(shè)備損壞和事故擴(kuò)大。架空線路電容電流計(jì)算公式： I C = U L 350 （U ：為線電壓/kV ； L :架空線路長度/km ） 對于負(fù)荷密集、線路較長的純電纜線路，接地容流較架空線路明顯增大（數(shù)十安培），發(fā)生單項(xiàng)接地時(shí)電弧不易自行熄滅，如果系統(tǒng)繼續(xù)帶接地故障運(yùn)行，不僅會進(jìn)一步破壞電纜絕緣引起短路故障，還會引起電網(wǎng)電壓波動，造成大規(guī)模甩負(fù)荷或損壞用電設(shè)備。為南堡地區(qū)純電纜線路配置零序電流保護(hù)并作用于跳閘，成為了解決單項(xiàng)接地故障的首選方案。10kV 三

4、芯電纜零序電流估算計(jì)算公式：I C = I 0N L單芯電纜電容電流按三芯電纜的 2 倍計(jì)算 （I0N :不同截面三芯電纜每千米電容電流/ A ； L :電纜線路長度/km） 3小電流接地選線系統(tǒng)的理論研究小電流接地選線裝置按選線原理大體可分為零序電流電壓法和外加信號法。3.1零序電流電壓法1）基于零序電流基波的選線方法單相接地短路時(shí)，過流故障元件的零序電流在數(shù)值上等于所有非故障元件對地電容電流之和，即故障線路上零序電流最大，所以只要通過零序電流幅值大小比較就可以找出故障線路。2）基于諧波分量的選線方法當(dāng)小電流接地電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)。高次諧波電流便隨之產(chǎn)生。從過渡電阻的非線性可知故障點(diǎn)本

5、身就是一個(gè)諧波源，且以基波和奇次諧波為主，根據(jù)諧波在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的分布和保護(hù)的要求，使用五次諧波分量為宜。在諧振接地網(wǎng)絡(luò)中消弧線圈的補(bǔ)償度是依據(jù)基波系統(tǒng)制定的。對于5次諧波系統(tǒng)，感抗增大為原值的5倍，容抗值減小為原來的1/5，兩者不再能相互補(bǔ)償。此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)可以看成個(gè)欠補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)或近似等效為一個(gè)不接地系統(tǒng)。在理論上，故障線路中的5次諧波零序電流應(yīng)當(dāng)最大，且滯后5次諧波零序電壓900；非故障線路中的5次諧波零序電流最小。且超前5次諧波零序電壓900，依此可以進(jìn)行對故障線路的選擇。3）基于首半波原理的選線方法首半波原理足基于接地故障發(fā)生在相電壓接近最大值的瞬間這假設(shè)而提出來的。當(dāng)相電壓接近最大值時(shí)，若

6、發(fā)生接地故障，則故障相電容通過故障線路向故障點(diǎn)放電，故障線路電感和分布電容使電流具有衰減振蕩的特性。對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于暫態(tài)電感電流的最大值應(yīng)在接地故障發(fā)生相電壓經(jīng)過零值的瞬間，而接地故障發(fā)生在相電壓接近最大值瞬間時(shí)，消弧線圈中的暫態(tài)電感電流接近于零。其過渡過程與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)相同。在這種故障情況下的電流首半波中，暫態(tài)電流的最大值遠(yuǎn)大于穩(wěn)急電流；而零序電流的相位，故障線路與非故障線路存在1800的相差。因此，可以利用故障后暫態(tài)電流首半波的方法來判斷故障線路。4）基于負(fù)序電流的選線方法當(dāng)補(bǔ)償電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障電流中含有的基波電流，可分解為正序、負(fù)序和零序分量，其中

7、的基波負(fù)序電流分量具有以下特征：基波負(fù)序電流分量與負(fù)荷電流無關(guān)；故障線路基波負(fù)序電流分量的有效值，與所有非故障線路者相比，不僅數(shù)值最大，而且比后者高出許多；故障線路與非故障線路的負(fù)序電流分量的相位相反。根據(jù)此理論分析而開發(fā)出的負(fù)序電流接地保護(hù)裝置，適用于中性點(diǎn)諧振接地和不接地電網(wǎng)。5）基于小波分析的選線方法小波分析可對信號進(jìn)行精確分析，特別是對暫態(tài)突變信號和微弱信號的變化較敏感，能可靠地提取出故障特征。根據(jù)小波變換的模極大值理論可知，出現(xiàn)故障和噪聲會導(dǎo)致信號奇異，而小波變換的模極大值點(diǎn)對應(yīng)著采樣數(shù)據(jù)的奇異點(diǎn)，由于噪聲的模極大值隨著尺度的增加而衰減，所以經(jīng)過適當(dāng)?shù)某叨确纸夂?，即可忽略噪聲影響得?/p>

8、較理想的暫態(tài)短路信號。小波變換是把一個(gè)信號分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合適的小波和小波基對暫態(tài)零序電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，易看出故障線路上暫態(tài)零序電流特征分量的幅值包絡(luò)線高于作故障線路的，且其特征分量的相位也與非故障線路相反，這樣就能構(gòu)造出利用暫態(tài)信號的選線判據(jù)。3.2基于信號注入法選線裝置的工作原理基于信號注入法選線裝置的工作原理見圖3.3。線路發(fā)生接地故障后，通過電壓互感器二次側(cè)向系統(tǒng)注入信號，該信號感應(yīng)到一次側(cè)，并通過接地點(diǎn)、分布電容等形成回路。選擇注入信號的頻率，以躲過工頻及各次諧波的干擾，并保證大部分注入信號沿故障線路的接地相流動并經(jīng)故障點(diǎn)入地。通過信號探測器檢測各出線

9、故障相中的注入信號電流強(qiáng)度，即可選出故障線路。3.3選線原理對比分析總結(jié)現(xiàn)有的零序電流電壓為特征的常規(guī)選線方法，無論是基于幾波還是諧波分量，究其根本都需要比較電壓電流等電氣量的幅值或者相位。但在小電流接地系統(tǒng)中（尤其是經(jīng)消弧線圈接地）中，存在著電氣量的準(zhǔn)確獲取和定值整定的困難，我國現(xiàn)有的選線裝置在理論上多采用零序電流高次（以五次為主）諧波原理來實(shí)現(xiàn)故障選線，首半波法，有功分量法及其他選線手段都有應(yīng)用，但是，由于裝置要使用的諧波分量在信號中所占比例較小，難以分離和提取，及負(fù)荷的諧波干擾，使基于諧波原理的裝置在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)誤判，首半波原理的前提假設(shè)是發(fā)生故障時(shí)線電壓在最大值附近，但實(shí)際運(yùn)行中，故

10、障的線電壓有可能出現(xiàn)在零附近，這使該方法的應(yīng)用受到很大的限制?；谛盘栕⑷敕ㄟx線原理，因其采用了特定頻率的信號，躲過了工頻及各次諧波的干擾，并且可采用高靈敏度無線傳感器接受注入信號電流，其較窄的通頻可以保證檢測出所需的信號，克服了傳統(tǒng)選線方法的缺點(diǎn)。但當(dāng)弧光接地或者高阻接地時(shí)信號注入困難，無法利用比較各出線故障相注入信號強(qiáng)度大小的方法進(jìn)行選線。3.4主流系統(tǒng)對比分析3.4.1 TLXJ-2微機(jī)小電流接地選線定位裝置1）裝置組成TLXJ-2微機(jī)小電流接地選線裝置主要由主機(jī)、信號檢測器及故障定位器三部分組成，如圖3.1所示：圖3.1TLXJ-2小電流接地選線裝置系統(tǒng)組成圖主機(jī)為該裝置的控制部分，油

11、單片機(jī)組成。一方面負(fù)責(zé)通信、鍵盤、液晶顯示器等人機(jī)接口工作；另一方面負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各段母線A、B、C三相電壓及零序電壓，根據(jù)零序電壓和各相電壓的特征判斷各條母線或出線有無接地，并將特殊信號注入到接地線路的故障相；同時(shí)通過串行通信接口，向系統(tǒng)內(nèi)的各信號檢測器發(fā)送檢測命令，輪詢檢測結(jié)果，根據(jù)各信號檢測器發(fā)回的數(shù)據(jù)，分析判斷出現(xiàn)接地故障的線路。信號檢測器由單片機(jī)系統(tǒng)組成，為該裝置的信號接收及處理部分，主要由信號傳感器和信號處理兩部分組成。信號傳感器將電磁信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并由信號處理線路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機(jī)對該信號進(jìn)行頻譜分析，將結(jié)果通過RS485接口送到主機(jī)，由主機(jī)根據(jù)各信號檢測器發(fā)回的

12、信號進(jìn)行綜合處理，最后確定接地線路。 在主機(jī)已判斷出某條出線有接地故障后，將主機(jī)設(shè)置在巡線狀態(tài)，此時(shí)線路查找人員可借助故障定位器，準(zhǔn)確地找出故障線路的接地點(diǎn)，如遇到分支線路，在離開分支點(diǎn)10m處對兩個(gè)分支線分別進(jìn)行測量，信號電流為零的是非接地分支線路，有信號電流的為接地分支線路，沿接地分支繼續(xù)進(jìn)行測量，直接找到接地點(diǎn)的確切位置；為提高檢測速度可采用二分法進(jìn)行定位。3）裝置原理當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，主機(jī)通過檢測零序電壓及A、B、C三相電壓確定接地線路所在母線及接地相別，然后在接地線路對應(yīng)母線的PT二次側(cè)外加一種特殊信號（如圖3.2），該信號由母線沿接地線路接地相流動并經(jīng)接地點(diǎn)入地，如圖3.3

13、虛線所示為A相接地時(shí)外加信號在系統(tǒng)中流動情況。根據(jù)電磁感應(yīng)理論該電流在線路周圍產(chǎn)生電磁場，信號檢測器接收該特殊信號產(chǎn)生的電磁波，將接收到的電磁波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過RS-485總線送到主機(jī)，主機(jī)根據(jù)各信號檢測器發(fā)回的檢測信號判定接地線路。當(dāng)判定接地線路后，故障查找人員用故障定位器沿接地線路查找，就可以找到接地點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。圖3.2激勵信號示意圖圖3.3TLXJ小電流接地選線裝置工作原理示意圖3.4.2 TLX99微機(jī)消諧小電流接地選線綜合裝置1）裝置組成該裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖3.4所示：該裝置硬件采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一個(gè)CPU為數(shù)字信號處理器（DSP），主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采

14、集、數(shù)據(jù)處理；另一個(gè)CPU為高性能單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信、鍵盤、液晶顯示等人機(jī)接口工作。3）選線原理該裝置在選線原理上采用了基于零序電流電壓法的綜合選線方法，采用測度理論和證據(jù)理論，引入可信度和加權(quán)系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)，對每一種選線方法在不同運(yùn)行方式和故障下選線結(jié)果的可信度做量化評估，根據(jù)可信度確定加權(quán)系數(shù)，最后確定選線結(jié)果。該裝置綜合利用的選線方法有小波法、基波群體比幅比相法、首半波選線法、能量函數(shù)法、電流增量法、諧波法。值得說明的是，以上這些方法均是基于零序電流電壓的測量而衍生出來的，是將多種計(jì)算方法的融合，各方法的具體技術(shù)原理在此不再贅述。3.4.3 TY-06微機(jī)小電流接地選線裝置1）裝置結(jié)

15、構(gòu)TY-06微機(jī)小電流接地選線裝置的結(jié)構(gòu)分為主機(jī)、分布式采集單元、手持式選線定位儀三大部分。2）技術(shù)原理TY-06型微機(jī)小電流接地選線裝置基于改進(jìn)“S注入法”、穩(wěn)態(tài)向量法和暫態(tài)法的選線原理，構(gòu)成各種選線可信度在線最優(yōu)跟蹤的自適應(yīng)綜合判據(jù)。改進(jìn)的S注入法：其基本原理是當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，主機(jī)通過電壓互感器TV二次側(cè)向接地相注入一種特殊的信號電流，該電流耦合到TV的一次側(cè)，將沿接地線路的接地相流動并經(jīng)接地點(diǎn)流入大地，與大地形成回路，如圖3.4所示。該電流經(jīng)零序電流互感器二次側(cè)接入主機(jī)，再經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，最終判斷接地故障線路?？赏ㄟ^手持定位探測器對信號電流進(jìn)行尋蹤，最終確定接地故障點(diǎn)。原

16、理圖見圖3.4。圖3.4 S注入法原理示意圖穩(wěn)態(tài)向量法：在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障，其穩(wěn)態(tài)基波、諧波零序電流有如下特點(diǎn)：故障線路零序電流大于非故障線路零序電流；故障線路零序電流滯后零序電壓900，非故障線路零序電流超前零序電壓900。由此可構(gòu)成基于穩(wěn)態(tài)零序電流向量的穩(wěn)態(tài)法選線原理。該方法屬于零序電流電壓法的一個(gè)分支，面臨著電氣量幅值偏小的缺陷。暫態(tài)法基本原理：在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，存在一個(gè)明顯的暫態(tài)過程，在電氣量中含有大量的高頻分量和直流分量，其電流量通常較大，通過檢測暫態(tài)分量彌補(bǔ)穩(wěn)態(tài)法電氣幅值偏小的缺陷。3.5 裝置優(yōu)缺點(diǎn)對比分析項(xiàng)目裝置基本理論優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)TLXJ-2外

17、加信號法（不加裝零序電流互感器）只反映信號電流，克服了傳統(tǒng)方法對零序電流的依賴，消除了各種諧波的干擾。弧光接地和經(jīng)高阻接地可能發(fā)生外加信號難以注入的問題。TLX-99零序電流電壓法的綜合應(yīng)用（加裝零序電流互感器）采用傳統(tǒng)零序電流電壓法的綜合選線方法，發(fā)展時(shí)間較為長久，有較多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。各種干擾的消除是其不可避免的問題，對零序電流互感器的性能依賴程度很高。TY-06外加信號法和零序電流電壓法的綜合應(yīng)用（加裝零序電流互感器）取長補(bǔ)短，克服了兩種方法中的弊端。兩種方法的配合是難點(diǎn)。3.6 實(shí)踐效果分析冀東油田電網(wǎng)于2014年，分別在110kV陸上變電站、35kV高尚堡變電站等5個(gè)變電站安裝了TY-06

18、小電流接地系統(tǒng)，兩年來對系統(tǒng)內(nèi)的5次接地故障進(jìn)行了自動選線操作，成功率100%，準(zhǔn)確率100%。故障接地點(diǎn)查找時(shí)間平均減4小時(shí)。徹底淘汰了以往依靠電網(wǎng)倒閘操作，分段隔離判斷故障線路的老辦法。4基于零序電流保護(hù)的電纜線路接地故障解決方案冀東油田電網(wǎng)南堡地區(qū)10kV配電網(wǎng)絡(luò)以電纜線路為主，由于油田建設(shè)初期電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一且線路較短，繼電保護(hù)配置以相間電流保護(hù)為主，沒有采用零序電流保護(hù)配置方案。南堡地區(qū)的核心生產(chǎn)負(fù)荷為電動抽油機(jī)，同時(shí)掛載大量市電鉆井設(shè)備等大容量、高沖擊負(fù)荷。電動抽油機(jī)普遍設(shè)置低電壓保護(hù)，當(dāng)電網(wǎng)以兩相或三項(xiàng)短路的方式引起相電流保護(hù)跳閘往往會引起系統(tǒng)電壓大幅度降低，造成同一變電站母線系

19、統(tǒng)中的大量抽油機(jī)停產(chǎn)。近年來南堡地區(qū)電纜網(wǎng)絡(luò)的組建擴(kuò)大，系統(tǒng)接地容流逐漸增大，并且隨著電纜運(yùn)行年限的增加，電纜接地故障頻率和風(fēng)險(xiǎn)也逐年加大。常規(guī)的相間電流保護(hù)方式已經(jīng)滿足不了油田對電網(wǎng)可靠性的需求，研究適合南堡地區(qū)的零序電流保護(hù)方案被提上了日程。4.1 零序電流保護(hù)配置原則作用于跳閘的零序跳閘保護(hù)主要應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜、開閉所出線等支線斷路器，變電站出線保護(hù)裝置零序電流保護(hù)一般不作用于跳閘，主要利用電氣量進(jìn)行接地故障判斷和選線（有小電流接地選線裝置的變電站退出選線功能）。其計(jì)算原則為：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，零序電流保護(hù)能夠判斷是區(qū)域內(nèi)發(fā)生接地故障還是區(qū)域外發(fā)生接地故障，并經(jīng)一定延時(shí)（一般為1分鐘）后

20、切除故障線路，不誤動作。整定計(jì)算公式如下：Ie1.5I0ZMAX;Ie：零序電流保護(hù)整定一次值。I0MIN：裝置所在母線電容電流最小值。I0ZMAX：裝置安裝線路電容電流值。4.2 零序電流保護(hù)配置實(shí)施方案南堡地區(qū)環(huán)網(wǎng)柜、開閉所主要采用ABB環(huán)網(wǎng)柜，配置的保護(hù)裝置有SPAJ140C（ABB）、WIC1（WOODWARD）、DF3000系列（東方電子）。不同的保護(hù)裝置型號其改造方式不同：1）WIC1（WOODWARD）該裝置使用與之配套的專用CT，分為WIC1-W2、WIC1-W3等共計(jì)6個(gè)型號，零序電流分量可通過軟件計(jì)算的方式合成，3I0=IU+IV+IW。通過該種方式獲取零序電流可以避免零序

21、功率方向錯(cuò)誤和消除開口三角二次線斷開后不易檢查等隱患。不用補(bǔ)裝零序CT。2）SPAJ140C（ABB）、DF3000系列SPAJ140C（ABB）、DF3000系列繼電保護(hù)裝置不能通過3項(xiàng)電流合成零序電流分量，必須通過電纜線路穿芯零序CT獲取零序電流。由于各環(huán)網(wǎng)柜、開閉所投產(chǎn)初期沒有安裝零序CT，需加裝。為了方便施工，可選取LXK-100系列開口式零序CT(10P10),如果柜內(nèi)有空間，在柜內(nèi)進(jìn)行安裝，當(dāng)柜內(nèi)沒有空間時(shí)，可在電纜溝中安裝支架。為了確保發(fā)生接地故障時(shí)零序保護(hù)正確動作，零序CT安裝還應(yīng)注意接地線安裝位置，當(dāng)引出點(diǎn)在零序TA上方時(shí)，接地線必須向下穿過互感器接地，見圖4.1。當(dāng)引出點(diǎn)在零序TA下方時(shí)。接地線不要穿過互感器，而是直接接地，見圖4.2。 圖4.1 零序CT安裝圖示 圖4.2零序CT安