高灵敏小电流接地系统单相接地选线方案

叶晓山

（中石化安庆石化分公司电仪部，安徽 安庆 246001）

高灵敏小电流接地系统单相接地选线方案

叶晓山

（中石化安庆石化分公司电仪部，安徽 安庆 246001）

简要分析小电流接地系统单相接地故障时的基本电路模型，针对中性点不接地系统的零序电流保护灵敏度较低的缺点，提出采用有功电流基础发展起来的反向残流有功分量（DESIR）法，取残余有功电流最大的线路作为接地线路的选线方案，该方案可提高中性点不接地系统接地选线的灵敏度，具有一定的实用性。

小电流接地系统；反向残流有功分量；接地选线

（一）引言

中性点不接地系统单相接地后，都属于小电流接地系统。该系统具有发生单相接地时故障电流小的优点，同时系统线电压基本不变， 不影响对负荷连续供电，《电力系统安全规程》规定仍可继续运行0.5～2个小时。小电流接地故障尽管不影响电网的正常运行，但由此引起的过电压会危害电网绝缘，可能导致短路故障，使事故扩大，严重影响了供电系统的安全可靠性。

因此，需要尽快选出故障线路，以便帮助运行人员快捷地判别接地，及时采取措施加以处理。但单相接地时，由于故障电流小，小电流接地故障选线（简称接地选线）比较困难。为在供电系统的中性点非直接接地系统中应装设灵敏度高、选择性好、接线简单的接地保护装置或接地选线装置。长期以来，人们做了大量的工作，开发出了许多种检测方法及装置，但实际运行效果并不理想。以前广泛采用的继电绝缘检察装置是利用测量母线零序电压来反应系统接地的，因而无选线功能。利用容性零序电流和零序功率原理可构成具有选线功能的中性点不接地系统的接地保护或选线装置，但由于反应容性零序电流原理构成的零序电流保护其灵敏度受系统一相对地电容大小和分布的影响。因此，在某些场合不得不采用接线较复杂、维护较困难的零序功率方向保护，甚至在新型的微机接地选线装置中，也仅采用零序功率方向原理构成中性点不接地系统的接地选线功能。

显然，采用接线较简单的零序电流原理构成选线装置，提高其灵敏度是关键。本文提出的反向残流有功分量（DESIR）原理可提高选线灵敏度，以利于零序电流原理在接地保护和选线装置中的应用。

近年来，随着综合自动化设备在供电系统中的应用，对小电流接地选线已经能够做到：单相接地后可直接判断故障点所在线路。这样就为我们迅速查找故障点提供了可靠的保证。正确应用综合自动化设备中小电流接地选线功能，是一个值得研究和重视的问题。

（二）单相接地时中性点不接地系统的特点

电路模型的建立：

图1为简化的小电流接地系统模型，为了分析方便，忽略输电线阻抗以及线路对地电导。

在中性点不接地的电网中，假定有i条长度不等的线路，当线路2的C相发生永久性单相接地故障时，电网中基波电容电流的分布状况如图1所示。

图1 中性点不接地系统单相接地时电流分布图

对于非故障的线路1来说，其三相电容电流各为：

这样，非故障线路1的基波零序电流可用下式求得：

对于故障线路2来说，健全相的电容电流仍用同样方法求得，只是故障相的电容电流不再为零。此时，三相的电容电流值分别为：

同样，利用（式-2)可求得故障线路3的基波零序电流为：

（式-4）说明，故障线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的向量和，唯方向相反，由线路流向母线。

不接地的电网中，利用基波零序电流方向保护有可能检出故障线路。不过，在电网的最小运行方式下，只有当故障点的总电容电流达到最长线路电容电流的（3～4)倍时，才能实现继电保护的选择性。实际上，许多电网的结构比较复杂，满足不了这个条件。运行经验表明，零序电流方向不能不能全部正确动作。

（三）DESIR接地选线原理

为了检出高阻接地故障，法国电力公司（Electricite de France)开发了DESIR (DEtection Selective par les Intensites slleud)保护装置，其原理是以电网的基波电流信号为基础发展起来的。当发生单相接地故障时，该保护装置首先从所有馈线中检测零序电流的基波有功分量，算出故障点的残余有功电流，对于中心点不接地系统也即所有馈线零序有功电流的向量和IR，并选取该向量和的垂直线作为参考轴，再对所有的馈线的基波零序电流在参考轴上的投影进行比较。此时，故障馈线的接地电流的投影与各条非故障馈线零序电流的投影不仅相位相反，而且数值最大(图2)，据此便可检出故障馈线。图中的Irl、Ir2、Ir3…Iri分别为馈线l、2、3….i零序电流的基波有功分量。

图2 DESIR接地保护原理图

当电网发生单相永久接地故障时，残流中的基波有功分量与零序电压同相，其数值主要由电网的接地电容电流等参数确定，该接地电容电流的相位领先零序电压90°，所以，故障点的残余电流在零序电压上的投影便等于它自身的有功分量。DESIR检出故障线路的唯一性，源于只用所有馈线的零序有功电流总和的相位作为参考相位(与上述参考轴等效)。所以，此种接地保护既不要求测量零序电压，也不需要专用的传感器，只要利用现有的电流互器就足够了。

由于DESIR接地保护是以所有馈线零序电流的变量作为输入数据，故在灵敏度方面可以达到很高的水平(50kΩ以上)。该保护反应迅速，检出故障的时间仅为1s。

（四）微机选线装置的实现

DESIR接地选线方案的实现可基于微机综合保护成套装置，充分发挥微机系统的运算能力，利用成熟的高速DSP模块，对采集各条线路的零序电流进行快速的傅里叶分析计算，求出各线路的零序电流的相位和幅值，按DESIR的原理计算出所有馈线零序有功电流的向量和IR，及各线路零序电流在参考轴上的投影的分解值进行比较，以实现单相接地快速选线功能。

此方案可实现综合保护系统与接地选线系统为一体。降低变配电所的设备投资，减少其设备的维护量；对于老系统只要对总控单元进行相应的软件升级或升级中央控制板，以比较简便的方式实现快速接地选线功能，避免了新投设备的安装及安装过程对原有设备进行改动而造成的设备隐患；提高运行人员分析处理出现的供电系统单相接地故障能力，减轻处理时设备检查和操作的工作强度。

（五）零序互感器的选择和安装

中性点不接地系统一般不允许接地电流超过10A，所以一般10A以下保护就要动作。要求零序电流互感器在一次接地电流较小时，和非金属性接地时，零序电流互感器也要有一定的输出，来满足装置启动的门坎值。使用的综合保护，就要求有整定值，一般定值≤10A，如整定值一次电流为5A，可考虑100/5A或20/1A ，一次电流5A时，二次电流0.25A，一般已超过综合保护的启动电流。如综合保护最小启动电流＞0.25A，则选用75/5；50/5；15/1；10/1的变比，这些变比的零序电流互感器最好选用整体式的，否则精度要差一些。装置本身的负载阻抗并不大，但需要通过电缆将各个零序电流互感器与装置连接起来，所以电缆的阻抗就是零序电流互感器的主要负载阻抗，这种零序电流互感器的负载阻抗一般为2.5Ω左右，经过多年实践和试验得知与小电流选线装置配套的零序电流互感器选用容量：5VA

另外选线装置要求比较相位，因此零序互感器的安装方式、接线极性要求保持一致，安装校验时对其极性进行检验。

（六）结论

本文对零序电流反向残流有功分量（DESIR）原理，比较各零序电流间的相位差别，实际隐含了有功分量的原理，因为有功分量都是在同一零序电压作用下产生的，零序有功在各支路中存在区别主要原因还是各出线零序电流相位上的区别，而本方法则直接利用了这一特征，减少了多引入零序电压一个量带来的误差，同时利用了残流特征，提高了该方法的选线准确率。

[1] 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社,2004.

[2] 要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[M].中国电力出版社,2009.

[3] 崔家佩,孟庆炎.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M].中国电力出版社,2009.

TM86

A

1008-1151(2010)04-0119-02

2010-01-13

叶晓山（1962－），男，安徽安庆人，中石化安庆石化分公司电仪部工程师，从事电气技术管理。