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配電自動(dòng)化——小電流接地故障就近隔離原來可以這么簡單

小電流接地方式在我國中壓配電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,其單相接地故障稱為小電流接地故障(以下簡稱接地故障),是最常見的故障類型,受接地電流小、接地電弧不穩(wěn)定、消弧線圈補(bǔ)償?shù)仍?,檢測困難,是我國電力科技工作者多年來努力研究和探索實(shí)踐的方向之一。

近年來,發(fā)生了多起因小電流接地故障沒有及時(shí)處理導(dǎo)致觸電、火災(zāi)、大面積停電的惡性事故,一些事故通過新聞媒體廣泛傳播,引起了社會(huì)的極大關(guān)注,小電流接地故障檢測問題受到了業(yè)界空前的關(guān)注。

為此,我國電力公司吸取發(fā)達(dá)國家先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合國內(nèi)配電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀,改變了上世紀(jì)70年代借鑒蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)確定的帶接地故障可運(yùn)行2小時(shí)原則,提出了就近快速判斷和隔離永久性接地故障的發(fā)展思路。接地故障定位與就近隔離在接地電弧不能自我熄滅的情況下啟動(dòng),既能充分發(fā)揮小電流接地系統(tǒng)瞬時(shí)性故障自愈的優(yōu)點(diǎn),又消除了系統(tǒng)帶故障點(diǎn)運(yùn)行帶來的事故擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)避免了變電站出線斷路器跳閘帶來的全線停電問題,是配電系統(tǒng)接地故障處理與運(yùn)行管理方式的重大變革。

一、接地故障處理應(yīng)用技術(shù)回顧

01接地故障選線技術(shù)

接地故障選線指安裝在變電站的集中式選線裝置或饋線保護(hù)裝置在發(fā)生接地故障后選擇出故障線路來,動(dòng)作于報(bào)警信號或直接跳閘切除故障。

經(jīng)過我國電力科技工作者多年的努力研究和探索實(shí)踐,可以說配電網(wǎng)接地故障選線問題,特別是低阻接地故障的檢測問題,在技術(shù)上已經(jīng)解決。南方電網(wǎng)公司經(jīng)2016年著手解決接地故障選線問題,所轄變電站選線裝置選線成功率已由不到50%提高到80%多,努力目標(biāo)是達(dá)到90%。

目前,現(xiàn)場應(yīng)用的接地故障選線方法主要有利用工頻量(零序電流群體比幅比相法、零序無功功率方向法、零序有功功率方向法)、暫態(tài)量、相電流突變量的被動(dòng)選線方法等以及投入中電阻法、改變消弧線圈補(bǔ)償度法等主動(dòng)選線方法。

選線方法適用范圍需要其他設(shè)備配合
不接地系統(tǒng)諧振接地系統(tǒng)
工頻零序電流群體比幅比相法

工頻無功功率方向法

工頻有功功率方向法
暫態(tài)量法
相電流突變量
投入中電阻法
改變消弧線圈補(bǔ)償度法

現(xiàn)場應(yīng)用中,由于暫態(tài)量選線方法不受消弧線圈的影響,在弧光接地和間歇性接地故障時(shí),暫態(tài)量更加豐富,既使在電壓過零時(shí)故障,暫態(tài)零序電流的幅值仍然接近穩(wěn)態(tài)工頻電容電流的幅值;此外,由于不需要安裝額外的一次設(shè)備、安全性好。因此,暫態(tài)量選線技術(shù)已在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用,成為主流選線技術(shù)。 


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暫態(tài)選線裝置現(xiàn)場穩(wěn)定性接地故障波形


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暫態(tài)選線裝置間歇性接地故障波形

此外,近年來出現(xiàn)了區(qū)別于傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的其他接地故障處理技術(shù),如消弧線圈并小電阻以及基于故障相轉(zhuǎn)移消弧裝置和柔性接地裝置的主動(dòng)干預(yù)型消弧技術(shù)。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)小電阻接地方式目前在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)部分配電系統(tǒng)均有應(yīng)用。發(fā)生永久接地故障時(shí)投入小電阻,實(shí)質(zhì)上是將由諧振接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為小電阻接地系統(tǒng),采用零序過電流保護(hù)切除接地故障。以中性點(diǎn)接地電阻10Ω、定值40A-60A的系統(tǒng)為例,零序過電流保護(hù)最大只能檢測到90Ω-140Ω左右的接地電阻,難以反應(yīng)樹障、斷線墜地以及人身觸電等高阻接地故障,據(jù)南方某地5座20kV消弧線圈并小阻接地系統(tǒng)在2012年-2018年間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),共投入小電阻1037次,保護(hù)動(dòng)作269次,保護(hù)動(dòng)作率僅為25.94%。

年份小電阻投入次數(shù)保護(hù)動(dòng)作次數(shù)動(dòng)作率
2012662030.3%
2013573052.6%
2014892730.3%
20152588131.4%
20163335015.0%
20171434229.4%
2018911920.9%
合計(jì)103726925.9%

故障相轉(zhuǎn)移消弧裝置在變電站內(nèi)將故障相母線與大地短接,把故障相對地電壓降為零,力圖將接地電流轉(zhuǎn)移到母線人工短接點(diǎn),利用線路零序電流在短接前后的變化特征進(jìn)行故障選線。故障相轉(zhuǎn)移消弧技術(shù)對選相準(zhǔn)確度要求高,故障相誤判將引起相間短路擴(kuò)大事故;受故障相負(fù)荷電流壓降以及非故障相負(fù)荷電流耦合影響,母線短接時(shí)故障點(diǎn)電壓并不為零,故障點(diǎn)仍然可能有較大殘流,不能保證可靠熄弧。

基于柔性接地的消弧技術(shù)通過注入零序電流控制零序電壓,強(qiáng)迫故障相電壓為零。目前,以故障點(diǎn)電流為控制目標(biāo)的柔性接地消弧技術(shù),其復(fù)雜控制回路的可靠性以及高額的設(shè)備成本限制了其在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

02常規(guī)接地故障定位與隔離技術(shù)

接地故障定位與隔離指在故障選線的基礎(chǔ)上,利用線路上分布安裝的自動(dòng)化設(shè)備,判斷出故障點(diǎn)所處的區(qū)段后跳開故障點(diǎn)相鄰的上游開關(guān)隔離故障。目前,現(xiàn)場應(yīng)用的常規(guī)方法有比較暫態(tài)零序電流波形相似性法、信號注入法以及基于就地型饋線自動(dòng)化法。

比較暫態(tài)零序電流波形相似性法,通過接地故障定位主站利用線路上的自動(dòng)化設(shè)備上送的暫態(tài)零序電流波形,判斷出故障點(diǎn)所處的區(qū)段,然后遙控或人工現(xiàn)場操作線路開關(guān)隔離故障區(qū)段。

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利用注入信號實(shí)現(xiàn)故障定位的方法國內(nèi)主要采用外施擾動(dòng)信號法,在系統(tǒng)中性點(diǎn)與變電站地網(wǎng)之間周期性地投切數(shù)值在100Ω-300Ω之間的中電阻,產(chǎn)生一個(gè)交替變化的、幅值約40A的附加零序電流信號,接地定位主站通過線路上的自動(dòng)化設(shè)備檢測到的附加電流信號判斷故障區(qū)段。

波形相似性法、信號注入法線路上的自動(dòng)化設(shè)備可以采用配電終端或故障指示器,目前,現(xiàn)場主要采用故障指示器方式,故障定位與隔離過程依賴通信網(wǎng)絡(luò)與定位主站,受產(chǎn)品抗干擾、檢測可靠性、制作工藝等因素,現(xiàn)場應(yīng)用效果不夠理想。此外,信號注入法在高阻接地故障時(shí),容易拒動(dòng),且無法用于瞬時(shí)性接地故障定位,在間歇性接地故障容易誤動(dòng)。

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就地型饋線自動(dòng)化接地故障處理工作原理與動(dòng)作過程類似于短路故障的隔離,不依賴于通信系統(tǒng),其區(qū)別主要在于測量零序電壓與零序電流信號。當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí),首先由線路上首臺(tái)開關(guān)跳閘,導(dǎo)致非故障區(qū)段短時(shí)停電,擴(kuò)大了停電范圍;由于線路上分段開關(guān)采用“無壓分閘、來電延時(shí)合閘”方式,開關(guān)動(dòng)作次數(shù)較多。

二、接地故障多級暫態(tài)方向保護(hù)技術(shù)

接地故障多級暫態(tài)方向保護(hù)技術(shù)通過安裝在變電站的接地故障保護(hù)裝置與安裝在線路上一二次融合開關(guān)配合,不依賴通信有選擇性地快速定位、就近隔離接地故障,簡單、可靠。

01多級暫態(tài)方向保護(hù)工作原理

接地故障時(shí),故障點(diǎn)上游暫態(tài)零序電流流向母線,故障點(diǎn)下游暫態(tài)零序電流流向線路,檢測暫態(tài)零序電流的方向即可判斷接地故障方向。暫態(tài)零序電流方向暫態(tài)零序電流極性比較法或暫態(tài)無功功率方向法來檢測,由于需要檢測暫態(tài)零序電流方向,配電終端需要采集零序電壓與零序電流。

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02多級暫態(tài)方向保護(hù)配置與整定

配電線路接地故障多級暫態(tài)方向保護(hù)系統(tǒng)由安裝在變電站的接地故障保護(hù)裝置、線路上具有接地故障暫態(tài)方向保護(hù)功能的分段開關(guān)、分支開關(guān)以及分界開關(guān)構(gòu)成。

變電站接地故障保護(hù)裝置可以采用集中式接地故障選線跳閘裝置與出線開關(guān)保護(hù)裝置配合,亦可采用具有接地方向保護(hù)功能的出線保護(hù)裝置。線路上分段、分支、分界開關(guān)采用具備零序電流互感器與零序電壓互感器的一二次成套融合開關(guān);開關(guān)配套的配電終端具有暫態(tài)原理接地故障方向保護(hù)功能。

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變電站接地故障保護(hù)裝置與線路開關(guān)的配電終端在檢測到接地方向?yàn)檎较驎r(shí)啟動(dòng),通過階梯式動(dòng)作時(shí)限配合,由故障點(diǎn)相鄰的上游開關(guān)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)接地故障的快速定位與就近隔離。接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限根據(jù)開關(guān)所處的位置整定,末級分界開關(guān)接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限躲過瞬時(shí)性接地故障(可選為10s),其他開關(guān)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限均比下游相鄰開關(guān)的最大動(dòng)作時(shí)限大一個(gè)時(shí)間級差(可選為1s)。

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以下圖所示的架空配電線路為例,線路出口斷路器QF1、主干線路開關(guān)Q1與Q2、分支線路開關(guān)Q11、Q21、分界開關(guān)Q111與Q121都部署了暫態(tài)原理接地保護(hù)。分界開關(guān)Q111與Q121接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)限選為10s;分支線路開關(guān)Q11與Q21的動(dòng)作時(shí)限增加一個(gè)時(shí)間級差,設(shè)為11s;主干線路末級開關(guān)Q2接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限比分支開關(guān)Q21增加一個(gè)時(shí)間級差,設(shè)為12s;Q1接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限比Q2增加一個(gè)時(shí)間級差,設(shè)為13s;出口接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限則設(shè)為14s。電纜環(huán)網(wǎng)線路配置與整定類似,不再詳細(xì)介紹。

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按照上述動(dòng)作時(shí)限配合,任一點(diǎn)故障,均可實(shí)現(xiàn)定位與就近隔離,比如在分支線路上k處發(fā)生接地故障時(shí),Q11在11s后跳閘切除故障,實(shí)現(xiàn)了保護(hù)選擇性動(dòng)作。

為提高供電可靠性,架空線路上接地故障多級暫態(tài)方向保護(hù)應(yīng)配置一次重合閘,部分電弧不能自行熄滅的接地故障在跳閘切除后再送電可以恢復(fù)正常運(yùn)行。

03多級暫態(tài)方向保護(hù)技術(shù)在環(huán)網(wǎng)線路的應(yīng)用

對于有聯(lián)絡(luò)電源的環(huán)網(wǎng)線路,在由聯(lián)絡(luò)電源供電時(shí),因?yàn)楣╇姺较虬l(fā)生了變化,在本側(cè)線路上發(fā)生接地故障時(shí),分段開關(guān)檢測到的接地故障方向?yàn)榉聪?,保護(hù)將拒動(dòng)(分支、分界開關(guān)不受影響),此時(shí)由聯(lián)絡(luò)開關(guān)與分段開關(guān)帶電合閘邏輯、后加速保護(hù)配合隔離故障與恢復(fù)非故障區(qū)段供電。

如下圖所示單聯(lián)絡(luò)線路,變電站M側(cè)電源因檢修退出運(yùn)行,出線斷路器QF1處于分位,聯(lián)絡(luò)開關(guān)Qt處于合位,本側(cè)線路由N側(cè)變電站供電。如在開關(guān)Q1與出線斷路器QF1之間的線路上k處發(fā)生接地故障,Q1、Q2均檢測到故障為反向的,保護(hù)不啟動(dòng);聯(lián)絡(luò)開關(guān)Qt檢測到接地故障在其供電方向的下游,保護(hù)動(dòng)作切除故障,開關(guān)Q1、Q2因檢測到接地故障后又失電自動(dòng)跳閘;Qt動(dòng)作切除故障后延時(shí)合閘,Q2檢測到來電后延時(shí)合閘,Q1檢測到來電后也延時(shí)合閘,如故障是永久性的,Q1加速跳閘隔離故障,恢復(fù)Q1與Qt之間的線路供電。

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在聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于分位的正常運(yùn)行狀態(tài)下,如下圖所示k1點(diǎn)永久性故障時(shí),QF1在14s后保護(hù)跳閘切除故障,聯(lián)絡(luò)開關(guān)Qt在檢測到一側(cè)失壓后合閘,Q1與Q2失電后檢測到接地故障加速跳閘;Q2一側(cè)帶電延時(shí)合閘,Q1檢測到來電后延時(shí)合閘,合閘到故障加速跳閘;Q2維持合閘狀態(tài),Q1下游線路恢復(fù)供電。

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04多級暫態(tài)方向保護(hù)示范工程案例

多級方向保護(hù)在山東某地線路故障多發(fā)的三個(gè)變電站(其中一個(gè)為消弧線圈接地系統(tǒng))建設(shè)了配電網(wǎng)保護(hù)示范工程,變電站各安裝一臺(tái)暫態(tài)接地故障選線保護(hù)裝置,在架空線路安裝一二次融合分段開關(guān)、分支開關(guān)與用戶分界開關(guān)73臺(tái),在電纜線路環(huán)網(wǎng)柜出線安裝二遙動(dòng)作型DTU共計(jì)126臺(tái),終端均配置過電流保護(hù)與暫態(tài)接地方向保護(hù)功能。線路開關(guān)與變電站選線跳閘裝置通過階梯式動(dòng)作時(shí)限配合,就近切除相間短路與接地故障。

2019年7月10日至8月15日,示范區(qū)域經(jīng)歷“迎峰度夏”和臺(tái)風(fēng)“利奇馬”雙重考驗(yàn),示范終端覆蓋的線路共發(fā)生15次故障,保護(hù)均正確動(dòng)作,其中14次故障是分支線路開關(guān)動(dòng)作,1次故障出線斷路器動(dòng)作;8次永久性單相接地故障,占比53%;7次短路故障,其中2次故障為單相接地發(fā)展而來;6次故障發(fā)生在“利奇馬”臺(tái)風(fēng)期間。

(1)瞬時(shí)性接地故障處理案例

2019年7月10日下午13時(shí)30分,調(diào)度供服中心收到DL站多條選線保護(hù)裝置的接地故障啟動(dòng)和選線信息,選線結(jié)果為GZ線;同時(shí)供服中心收到GZ線XZ支線085D分支開關(guān)上報(bào)的接地故障方向保護(hù)啟動(dòng)信號。

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調(diào)取XZ支線085D分支開關(guān)記錄,確認(rèn)7月10日13時(shí)30分檢測到多次接地故障,通過暫態(tài)方向判斷為該開關(guān)下游故障,上報(bào)接地故障方向保護(hù)啟動(dòng)信息給調(diào)度;由于各次故障電弧自行熄滅,持續(xù)時(shí)間低于配置的保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間,僅上報(bào)故障判斷信息,未跳閘。

根據(jù)變電站選線保護(hù)裝置以及085D分支開關(guān)的接地故障記錄和故障波形特征,結(jié)合7月10日13時(shí)30分左右該區(qū)域雷雨大風(fēng)天氣,初步分析為風(fēng)雨時(shí)樹枝接觸造成的高阻接地,故障點(diǎn)位置應(yīng)該在XZ支線085D分支開關(guān)下游。供電公司根據(jù)調(diào)度供服中心收到的故障信息及分析結(jié)果,安排運(yùn)行人員直接前往該支線巡查,現(xiàn)場確認(rèn)085D分支開關(guān)下游樹枝灼燒痕跡明顯。

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該次瞬時(shí)性接地故障處理中,故障保護(hù)延遲動(dòng)作避免了該線路直接跳閘。同時(shí),變電站選線裝置與分支開關(guān)通過接地故障暫態(tài)方向準(zhǔn)確定位了接地故障區(qū)段??s短了運(yùn)行人員巡線時(shí)間,根據(jù)巡查結(jié)果立即安排該支線環(huán)境整治工作,避免了永久性接地故障的發(fā)生。

(2)永久性接地故障處理案例

2019年7月27日凌晨05點(diǎn)03分,DH變電站監(jiān)測到零序電壓異常信號,同時(shí)調(diào)度供服中心收到DH變電站MT線SL支-10#桿開關(guān)接地故障方向保護(hù)啟動(dòng)以及開關(guān)動(dòng)作信號。運(yùn)行人員直接前往該支線,發(fā)現(xiàn)MT線SL支線10#桿跨接導(dǎo)線搭到避雷器地線,導(dǎo)致永久接地故障。

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調(diào)取MT線SL支-10#桿開關(guān)配電終端數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)05點(diǎn)03分15秒961毫秒檢測到接地故障,通過暫態(tài)方向判斷故障點(diǎn)在本開關(guān)下游,啟動(dòng)接地故障保護(hù)計(jì)時(shí),延時(shí)11秒后,于05點(diǎn)03分27秒018毫秒跳閘動(dòng)作。

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開關(guān)動(dòng)作跳閘后,延時(shí)1秒于05點(diǎn)03分28秒041毫秒執(zhí)行重合閘操作,05點(diǎn)03分28秒086毫秒終端檢測到重合到故障,后加速跳閘,切除故障支線。

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該次永久性接地故障處理中,永久性接地故障被快速、就近隔離,有效縮小了停電范圍,大大縮減了巡線工作量,加快了故障點(diǎn)處理和恢復(fù)供電時(shí)間。

三、結(jié)語

采用暫態(tài)方向原理實(shí)現(xiàn)小電流接地故障定位與就近隔離,不需要通信與主站配合,簡單、可靠!除故障點(diǎn)前的第一個(gè)開關(guān)外,其他開關(guān)不需要?jiǎng)幼?,避免了開關(guān)多次動(dòng)作,故障點(diǎn)上游非故障線路區(qū)段用戶不會(huì)遭受短時(shí)停電;配電終端同時(shí)具備常規(guī)配電自動(dòng)化功能,避免了重復(fù)投資。

白水青山不礙禪,登高臨遠(yuǎn)意翛然。作為新型暫態(tài)原理檢測小電流接地故障的發(fā)明者、實(shí)踐者和倡導(dǎo)者,科匯公司在暫態(tài)原理接地故障保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)深耕,開發(fā)出具有接地故障暫態(tài)方向保護(hù)功能的配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備,為電力公司提供了簡單、可靠的配電系統(tǒng)小電流接地故障定位與就近隔離方案,于2017年獲山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng),再次贏得行業(yè)傾慕。