单相接地故障脉选装置在小电流接地系统中的应用

2020-12-27张印

冶金动力 2020年1期

张印

（福建三钢集团动力厂，福建三明 365000）

引言

三钢集团有限公司共有7个变电站，2个220 kV 变电站、1个110 kV 变电站、4个35 kV 变电站，分220 kV、110 kV、35 kV、10 kV、6 kV 共5个电压等级，变电站6～35 kV 系统采用中性点不接地和经消弧线圈接地两种方式，属于小电流接地系统。虽然小电流接地系统发生单相接地时的故障电流很小，系统仍可运行1～2 h，但仍需尽快找出接地回路，此时非故障相的电压升高1.732 倍，至线电压。如果单相接地故障不能快速、有效处理，可能引起其他事故并发展为相间短路，致使事故扩大。

近年来三钢供电系统已出现过多次单相接地故障没有快速有效处理造成的供电事故。如前段时间，供电车间发生一起因35 kV 384#线路B相接地，A、C 相电压升高1.732 倍，在故障排查倒闸时，35 kV 372#线路电缆C 相中间头短时过压造成绝缘击穿，从而导致两相接地短路故障，造成部分生产用电中断，给企业带来了很大的经济损失。

统计三钢近5 年6～35 kV 配电网故障情况，单相接地故障发生率最高，占比达87%，是电力事故的高发区。三钢属于钢铁企业，具有高温高压、连续性自动化生产的特殊性，因此对供电系统的可靠性和安全性有更高的要求。单相接地故障的快速、有效处理对电网的安全运行意义重大，但直至目前为止，仍然没有令人十分满意、准确度非常高的选线装置。究其原因是选线装置所依赖的原理有局限性，实际现场情况各不相同、所依赖的条件无法很好地满足。为了选择合适的故障选线系统，应该了解影响故障选线的因素，掌握供电系统实际运行情况。

1 影响小电流接地系统选线的因素分析

目前存在的小电流接地故障选线方法都不是尽善尽美的，为更好地实现小电流接地系统单相故障选线，要了解影响选线的因素。

（1）与中性点接地方式有关。由系统的工作原理可知，中性点不接地系统与经消弧线圈接地系统的故障特征是不同的，因此选线方法有显著不同。

（2）与线路的长短与结构有关。单相接地故障电流是系统对地电容产生的，线路的电容与线路长短和结构相关。一般来说，线路长度与对地电容成正比，电缆线路的对地电容比架空线路大。

（3）与系统故障方式有关。单相接地故障电流与接地阻抗有关，不同的接地阻抗产生的接地电流是不同的，因此小电流接地系统的选线要满足不同故障情况下故障电流采集的准确性。

（4）与零序电流互感器、电压互感器有关。一般采用零序电流互感器获得故障电流，电压互感器采集零序电压，通过这些电气特征量进行选线。电流互感器、电压互感器的精度、质量影响故障选线的质量。

2 现阶段单相接地故障主要选线方法

目前，配电网小电流接地选线法根据是否利用及如何利用故障电气特征量划分以下几类：稳态信息的故障选线方法、暂态信息的故障选线方法、信息融合的综合故障选线方法、利用其他特征量的选线方法。

基于稳态特征量的选线方法是多次采集故障发生后的有用信号，主要是零序电流和零序电压，通过特征量的分析、比较、计算判断故障线路。主要选线方法有零序电流幅值法、零序电流比相法、零序电流群体比幅比相法、有功分量法、谐波分量法、零序导纳法等。基于零序电流电压量的比较方法，均需采集零序电流，小电流接地系统单相接地时电流小，对CT 精度要求较高，且受到消弧线圈补偿、过渡电阻及不平衡电流运行影响比较大。

暂态选线方法利用暂态特征分量选线，由于暂态分量信息丰富、变化明显、特征突出，其灵敏度高。主要选线方法有首半波法、小波变换法和暂态能量法等。由于暂态信号持续时间短，在数值上、变化规律上相差悬殊，不利于信号采集与处理。

基于信息融合的综合故障选线方法有模糊控制综合选线法、多层前馈神经网路法和模式识别。融合了人工智能和现代数学处理方法，在理论上能进一步提高选线准确度，但实际效果仍需验证。

利用其他特征量的选线方法，目前主要有信号注入法。信号注入法不利用故障信息选线，通过主动地注入信号，注入信号仅在故障回路中流通，通过检测该信号进行选线。主要选线方法有S 注入法、脉冲信号注入法，主要区别是S注入法注入的是非工频的正弦信号；脉冲信号注入法注入的是1/2周期工频信号，信号可控易于采集。信号注入法在一定程度上克服了稳态信号小、特征不明显的不足，缓解了暂态信号时间短、采样困难的难点。

3 单相接地故障脉选装置原理

三钢的热回收焦炉余热发电工程项目10 kV电气系统是中性点经消弧线圈接地系统，电网出线是电缆线路，采用的电压互感器、零序电流互感器符合行业规范要求，且零序电流互感器变比一致。为了克服利用稳态信号和暂态信号的不足，三钢的热回收焦炉余热发电工程项目上采用了利用脉冲信号注入法的单相接地故障脉选装置，系统原理如图1。

在中性点不直接接地系统中，接地变压器与可控硅串联后接地。正常运行时，接地变压器的中性点电压为零或有很小的偏移电压，可控硅不导通。当某条支路发生单相接地故障时，主控制器检测到接地信号，判断接地相，触发可控硅导通，故障线路流过一个可控的强脉冲零序电流信号，该信号不受消弧线圈接地的影响，仅在故障回路中流通，经零序电流互感器采集，并转化为数字信号再传输到主控制器，主控制器判断故障回路、故障类型及故障信息，从而进行报警，提示电气运行人员进行故障排除。

该系统在三钢供配电系统中首次使用，为了检验该系统的单相接地故障检测性能，进行了现场试验。

4 单相接地故障脉选装置功能试验

试验目的：验证单相接地故障脉选装置选线的准确性。

图1 单相接地故障脉选装置系统原理图

前期准备：所在10 kV I段系统负荷已转移，上级系统负荷已转移，预防单相接地故障引起进线柜或上级供电柜跳闸，导致事故扩大。检查相关保护装置运行情况及保护定值，确保试验过程不影响主线运行。试验用YJV 3×70/10 kV 电缆（两端电缆冷缩头已制作完成）120 m，且绝缘良好。

试验接线：选择备用917#柜作为试验柜，将该柜转至检修状态，将试验用电缆一端放置在水平水泥地面上，B 相与水泥地面接触，A、C 相电缆头与B 相电缆头分开至安全距离并悬空。另一端电缆穿过917#柜零序电流互感器，B 相电缆头与电缆室出线铜排连接，A、C 相电缆头与B 相电缆头分开至安全距离并悬空，如图2。

图2 接地试验接线示意图

试验过程：进行2 s 内的瞬时接地，10 s 以上的永久接地试验。试验两端派专人监护，接地端人员在安全距离外监护，将917#柜转至热备用状态，遥控合、分断路器，分别进行瞬时接地、永久接地试验，观察两端情况。

试验全部完毕后，线路转至检修状态，拆除试验各接线，系统恢复至原运行状态。

试验结果：接地故障脉选装置能够快速准确判断917#柜瞬时接地、永久接地并显示接地信息。永久接地试验接地系统显示如图3，接地点电缆头情况如图4，故障数据如表1。

图3 永久接地试验系统

图4 接地点电缆头情况

表1 接地试验数据对比

5 试验效果

在线路发生单相接地故障时，该装置能够直接快速、准确判断支路的接地信息。上述单相接地试验中测试的项目仅进行了水泥接地试验，有条件可以进行其他接地工况和其他相接地时的性能和效果的测试。

2019 年5 月13 日，三钢的热回收焦炉余热发电站10 kV 电气系统单相故障脉选装置显示支路010（1#锅炉给水泵910#柜）C相接地故障。故障信息Ua：066.92 V，Ub：062.14，Uc：051.18，U0：009.48，故障电流1 A，当班电气人员配合汽机、锅炉人员及时地完成了倒闸换泵操作，消除了可能造成的事故隐患。事后查出故障原因是施工过程中的电缆损伤引起的单相接地。