小电阻接地系统高灵敏性及相关保护研究

2022-11-21钱添

科技创新与应用 2022年33期

钱添

（江阴市供电公司，江苏江阴 214400）

本文针对阻值较小的电阻接地系统中零序电压数值与电流之间关系进行分析，发现当阻值较高的电阻产生接地故障时，母线处的零序电压和出现故障线路中的零序电流之间存在一定的比例，此时的零序电压数值可以间接体现过渡电阻阻值。基于此，研究设计一种高灵敏性的零序电流系统保护系统方案。

1 复杂的系统接地故障问题

1.1 多相回线类型的同相接地故障问题情况下零序电流数值计算方法

如果阻值较小的电阻接地系统出现多回线类型的同相接地故障问题的时候，发生故障的相间状态相当于对大地是短路的，此时线路系统中的零序电流和出现单相回线接地问题故障的情况相比对，发现数值明显增大，也就是说单相回线接地问题发生的情况对于零序电流的保护方面基本上没有明显的影响。为此本文主要考察的对象是多相回线系统中发生同相接地问题故障情况下的故障原因分析。

图1为一个常规的城市10 kV阻值较小的电阻接地状态的配电网络系统图。一般情况下，在城市的配电网络系统之中，110 kV变电站网络中的主变10 kV数值的低压侧，通常情况下是应用三角形接线的操作模式。为此10 kV一侧的母线端应该配置Z型的接地类型的变压器装置，此时系统能够实现变压器装置的中性点位置通过阻值较小的电阻R0来进行接地的系统配置[1]。

1.2 单相接地类型故障问题特性研究

图2为阻值较小的电阻接地系统单相类型的接地故障问题示意图。由图2可知，用于接地操作的阻值较小的电阻Rg是接在曲折类型的变压器装置的中性点的位置；图中的N代表的是没有出现故障问题的线路；F代表出现故障的线路；如果发生故障问题的相是系统中的A相，在故障点的位置P处有1个过渡用途的电阻，也就是Rf。可以设系统中所有的元件中的参数都具有三相对称的特性，此时各个序的参数分量具有对其他序列的独立性特点。可以使用叠加定理来进行分析，分析的过程需要结合使用对称分量的方法。

1.3 多回线类型及单回线类型接地故障问题的下馈线中零序电流参数之间的关系

一般情况下，在多回线类型的同相接地问题故障出现的情况之下，发生故障问题的馈线中零序电流数值可能和初始状态下此回线中发生单独问题故障情况下的零序电流数值发生明显的变化，进而一定会对于当前的具有单相回线类型故障问题特性的零序电流参数的保护功能造成显著的影响。研究人员为了实现对其系统量化的目标，将会进一步研究出现多相回线类型的同相接地问题故障的，馈线内部的零序电流数值和出现单相回线类型的接地问题故障的情况下，内部的零序电流参数间存在稳定的定量类型的关系。

2 创新类型的自动适应零序电流参数的保护解决方案

一般情况下，系统如果想对常规类型的馈线中的零序电流参数进行有效的保护，其动作数值的大小的整定过程和系统参数的保护算法通常会采用上文所说到的高灵敏度的零序电流参数保护操作过程的算法和操作的流程。相关工程技术人员为了实现算法和流程与实际的工程习惯及情况相互协调，在操作的过程中保持零序的分量都取成3倍的零序数值，后面也是相同的方案；取3I0.Set作为高灵敏度类型馈线中的零序电流参数保护操作的整定数值；3U0．Set作为系统设置出的零序类型的电压数值的下限量，操作过程中设置此电压数值的下限量是用于预防测量过程中所得到的零序类型的电压数值过小，进而造成系统的保护操作机制触发误操作，其数值的具体量和电压类型的互感器装置及系统中线路的不对称程度有一定程度的联系；将TL．Set作为计时过程的设定参数值。

此过程的系统配置都是建立在系统是单相回线类型的接地问题故障发生的前提之下，也就说此保护操作的机制对单相回线类型的故障问题具有非常优秀的灵敏度及可选择特性。为此，针对系统是多相回线类型的接地问题故障，假如可以把某一相回线的问题故障线路中零序类型的电流数值，通过补偿及校正的操作转化成单相类型的回线接地问题故障条件下的零序电流参数，就可以使得零序类型的电流保护机制在继续沿用初始整定条件的前提下，也能够同样适合用在多相回线类型的接地问题故障之中。根据上述的设计思路，本文将会基于上述针对多相回线类型的复杂接地问题故障的产生机理，作为后续研究的基础，设计出了一类适合应用到阻值较小的电阻接地系统的新型馈线自动适应的零序电流参数保护系统[2]。

3 数值模拟仿真试验（自动适应类型的保护方案运行研究）

为了对本文所描述的自动适应类型的零序电流参数保护设计方案系统的有效性进行验证，相关工程技术人员借助数值模拟仿真分析的方法对该系统进行了动作情况的模拟验证，验证中包括了对自动适应类型的零序电流参数保护机制及一般情况下零序类型电流的保护机制，考察其在不同类型的故障点位及不同数值的过渡电阻条件下各种保护动作触发的不同状态。结果表明，当系统中发生多相类型的回线接地问题故障的情况下，线路中的零序电流参数的保护机制可能出现拒动的情况，特别是在过渡用途的电阻的阻值量之间差别比较显著的情况下，系统中可能出现某个回线中的零序电流数值明显减少进而出现保护操作机制出现拒动的问题；对自动适应类型的零序电流系统的保护机制，设计的初衷是希望其可以把所处线路中零序类型的电流数值补偿到此回线系统单独出现接地问题故障的时候测量得到的零序电流数值，通过此类补偿操作，就能够保证以回线类型接地问题故障作为前提所整定的保护系统的动作数值可以同样适用在多相回线系统中的复杂故障中，提升常规系统中的零序类型的电流保护机制的广泛适用性和通用性。与此同时，零序类型的电流，其补偿数值的大小只和本类故障问题发生的线路中的故障点位及系统的过渡电阻的阻值大小有关系，不会受到其他发生问题故障的线路中参数的影响和制约[3]。

4 灵敏度较高的零序类型电流保护

本文所设定的灵敏度较高的零序类型电流保护系统的算法和执行流程。相关技术人员为了实现本保护系统和实际的工程情况和数据的相互协调，设定系统的零序类型的分量都是3倍的零序电流数值，后面也是同样的设定；在研究过程中，设置3I0.Set作为灵敏度比较高的馈线中零序类型的电流触发保护操作的一个整定参数值；设置3U0.Set作为系统设置的零序类型的电压数值的下限量，此零序电压下限值的设计主要是用于预防系统中测量得到的零序电压数值过小的情况可能造成保护机制系统产生不必要的误操作，这个电压的下限数值和电压类型的互感器装置及系统中各个参数的不对称程度有直接的关联；设置TL.Set作为计时过程的设定值参数。

5 自动适应类型的零序保护系统装置搭建及RTDS测试

5.1 自动适应类型的零序保护系统实现过程

RTDS（Real Time Digital Simulation），指的是一套专门用在电力系统中的硬件系统及程序软件的操作平台。RTDS系统是由加拿大的RTDS技术公司所研究和开发，现阶段已经普遍应用到针对电力系统的二次装置的各类在线测试的领域之中。本文使用的自动适应类型的馈线保护方面的测控操作平台为DPNC-21型号，该设备具有32位的浮点DSP（容量为300 MB）的芯片及16位的高精度模拟与数字信号采样的能力，具有非常强大的逻辑功能及运算功能。系统采用单元化的设计思路及封装使用的模块化的主体结构，具有较强的扩展能力。在保护功能的测控单元中的处理器使用的是ONAP-L136型号的模块，该模块是由DSP内核及ARM内核这2个主要的框架来构成。该装置中的程序软件的主体架构主要包含了用于保护动作的程序、平台的操作系统以及电路的监控程序等等，当中的保护程序软件是在DSP类型的内核中进行工作，平台的操作系统以及电路的监控程序是在ARM类型的内核中进行工作，这2个内核模块借助于系统中的共享内存（英文全称为Share RAM）实现数据之间的有效交互。此外，系统中还有在单片机单元上进行运行的可以实现IRIG-B类型的信息数据解析的程序软件及在复杂的可编程逻辑器件单元（英文简称CPLD）上运行的信息数据输入／输出（DI/DO）的可扩展程序软件。

5.2 系统的RTDS平台测试

在适当的实时数字模拟仿真操作平台，也就是RTDS上设立1个中性点经过阻值较小的电阻接地的模拟10 kV的城市配电网络的模型，以此模型为基础来进行自动适应类型零序电流的保护系统装置的试验测试工作，发挥保护作用的装置设置在线路L1的初始端位置。测试过程是建立在RTDS操作平台的基础上，对于此套零序电流的保护系统在不同问题故障的点位及不同数值的过渡电阻条件下出现多相回线接地问题故障的零序电流数值的补偿和修正效果及保护动作执行的状况进行了测试和验证。

5.3 线路系统中负荷对于保护系统装置的影响

因为馈线类型的负荷，其改变的随机性特点比较显著，并且线路系统中负荷的改变对线路系统出口位置的保护机制一般情况下是不容易实现的，因此为了方便分析和研究过程，本文采用的自动适应类型零序电流补偿和校正的数学算法计算过程中忽略了问题状态的负荷电流数值，不过在实际模拟的过程中出现单相类型接地问题故障的状态下线路依旧有负荷电流的量，为此保护系统装置的补偿精确程度将会受到负荷电流分量的干扰。不过因为系统中性点位置是经过阻值较小的电阻R0来进行接地操作（R0值通常为10～14 Ω），在问题故障复合的序网络之中的Zs数值主要和3R0的数值相关，因此和接地类型的电阻R0相比，阻抗负荷数值对于零序类型的电流的补偿作用的影响和制约程度是比较有限的。在保护系统的层面来考虑，负荷数值造成的零序类型的电流的补偿操作的误差值一般都位于允许的区间之内，因此其对于保护系统的正确操作过程的影响微乎其微。图3是最为恶劣的外界条件（也就是负载元器件工作、末端发生问题故障）下此系统的电流补偿校正的最终结果。可知与空载状态进行对比，尽管由于负荷造成补偿电流数值有误差存在，不过补偿动作依旧提升了此保护系统对多相回线问题故障动作的灵敏程度，能够触发正确的保护操作。个传感器装置的顺序持续调换，信号到达这2个传感器装置的时间一致的时候，也就表明放电点位在2个传感器装置的中线之上，也就能够明确放电点位的准确位置。