鐵路10 kV自閉、貫通線單相接地故障定位的研究

張起殿

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院 電氣化處 地鐵所,陜西西安710043)

鐵路10 kV配電系統(tǒng)屬中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),由10 kV配電所和自閉、貫通電力線路組成,其中自閉、貫通電力線路通過(guò)配電所內(nèi)的調(diào)壓隔離變壓器與地方供電系統(tǒng)隔離。當(dāng)自閉、貫通線路發(fā)生單相接地故障后,配電所內(nèi)發(fā)出接地報(bào)警信號(hào),在安裝了小電流選線裝置的配電所可區(qū)分接地線路,但無(wú)法準(zhǔn)確定位接地故障點(diǎn)。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障后,接地點(diǎn)容性電流較小,線間電壓不變,不會(huì)影響向負(fù)荷供電,運(yùn)行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運(yùn)行2 h。但是在此期間非故障相電壓會(huì)升高 3倍,間隙性單相接地故障引起的暫態(tài)過(guò)電壓有可能達(dá)3.5倍,長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)使設(shè)備絕緣受損,嚴(yán)重危及整個(gè)線路及線路上所有運(yùn)行設(shè)備的安全和人身安全,影響鐵路運(yùn)輸。因此,接地故障的標(biāo)定,對(duì)鐵路運(yùn)輸安全至關(guān)重要。

1 10 kV不接地系統(tǒng)單相接地故障理論分析

為了能對(duì)單相接地故障更好地分析和判斷,我們對(duì)小電流系統(tǒng)的單相接地故障后的電壓、電流情況進(jìn)行理論分析。

1.1 電壓計(jì)算

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,如果不考慮線路的分布電容(例如線路很短時(shí))及電氣設(shè)備對(duì)地電容,則在發(fā)生單相接地后,僅引起系統(tǒng)各點(diǎn)對(duì)地電位的變化,對(duì)線路電流沒有影響。當(dāng)考慮線路電容作用存在時(shí),才產(chǎn)生很小的電容電流變化,此電流在電力線路及所帶設(shè)備上產(chǎn)生的阻抗壓降一般很小,因此不影響系統(tǒng)各點(diǎn)對(duì)地電位的變化。圖1為鐵路10kV配電系統(tǒng)具有2路饋出的簡(jiǎn)化系統(tǒng),A相D點(diǎn)金屬性接地,接地點(diǎn)=0,則中性點(diǎn)電位。根據(jù)中性點(diǎn)電位可計(jì)算非故障相電壓為(以 èA為參考向量):

即B、C相電壓均升高為相電壓的 3倍。

圖1 簡(jiǎn)化系統(tǒng)接線中A相接地

故障點(diǎn)各相序電壓為:

上面計(jì)算表明,中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后,系統(tǒng)中無(wú)負(fù)序電壓,其零序電壓即為單相接地后,電源中性點(diǎn)與大地間的電壓,其矢量關(guān)系見圖2。10 kV變壓器(負(fù)載)的一次電壓全部取自線電壓,由于各線電壓的相位和幅值保持不變,故變壓器二次側(cè)的電壓相位和幅值也不會(huì)改變,故不會(huì)影響用戶的正常用電。

圖2 單相接地電壓相量圖

1.2 電流計(jì)算

鑒于線路分布電容(圖中以集中電容表示)所構(gòu)成的容抗(10 kV架空線路每公里約400 kΩ)遠(yuǎn)大于線路阻抗(10 kV架空線路每公里約26 Ω)。故計(jì)算中可忽略線路阻抗;鑒于線路架設(shè)方式考慮了換位(以保證正常運(yùn)行中三相電壓平衡),三相對(duì)地電容近似相等,即CA=CB=CC=C,故各線路電容電流為:

線路XL1

線路XL2

因 ùdA=0(故障相電壓為零),故A相集中電容C1、C2中無(wú)電流。對(duì)于D點(diǎn)有如下關(guān)系:

式中CΣ為所計(jì)算電壓級(jí)全部線路每相對(duì)地總電容。從以上計(jì)算可知故障相流過(guò)的電容電流為所有非故障相電容電流之和并且滯后零序電壓90°。

2 現(xiàn)有接地檢測(cè)技術(shù)比較

常用的單相接地檢測(cè)技術(shù)有零序功率方向原理、諧波電流方向原理、電抗法原理、首半波原理等,由于這些檢測(cè)方法受線路參數(shù)影響較大,都無(wú)法準(zhǔn)確定位接地故障點(diǎn)。

零序功率方向原理在實(shí)際應(yīng)用中,受零序電流互感器(或三相電流互感器構(gòu)成零序電流過(guò)濾器)二次側(cè)波形畸變、電流互感器測(cè)量誤差、信號(hào)干擾、線路長(zhǎng)短差別、接地電阻的影響以及電壓互感器的非線性特性等影響,零序方向繼電器存在死區(qū),造成發(fā)生誤判;并且只能判斷出接地線路,不能標(biāo)定出故障點(diǎn)。

諧波電流方向原理的產(chǎn)品受電流互感器變比、特性及精度影響較大,并且只能判斷出接地線路,不能標(biāo)定出故障點(diǎn)。電抗法原理對(duì)輸入的線路參數(shù)依賴性強(qiáng),若輸入?yún)?shù)不準(zhǔn)確,則造成誤判斷。

按首半波原理生產(chǎn)的接地選線裝置是不能反映相電壓較低時(shí)的接地故障,易受系統(tǒng)運(yùn)行方式和接地電阻影響,存在工作死區(qū)。并且只能判斷出接地線路,不能標(biāo)定出故障點(diǎn)。

3 基于特殊信號(hào)注入原理的接地定位系統(tǒng)原理與組成

從以上分析可以看出,發(fā)生單相接地故障后,系統(tǒng)的特征為:

(1)故障相接地點(diǎn)至電源間的電容電流為所有非故障相電容電流之和,但無(wú)論該電流量值及測(cè)試方法均不能利用這一特征實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位。

(2)系統(tǒng)的零序電壓為故障相的相電壓,這一特征同樣不能實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位;如果此時(shí)將電源中性點(diǎn)人為接地,由于前述零序電壓的存在,將在故障相接地點(diǎn)至電源間形成滿足測(cè)試要求的零序電流,但實(shí)際運(yùn)行中不允許采用這種方法。

特殊信號(hào)注入原理就是在單相接地故障后形成的零序回路內(nèi),按規(guī)定時(shí)間間隔注入不同于工頻的特殊電流信號(hào),其包絡(luò)線為一脈沖群,根據(jù)接地點(diǎn)不斷變化的接地電阻值,自動(dòng)調(diào)整特殊電流的幅值,在特殊電流值滿足測(cè)試要求的同時(shí),仍保持電源中性點(diǎn)與大地間的高阻狀態(tài)。

基于特殊信號(hào)注入原理的接地定位系統(tǒng),是一種采用信號(hào)尋蹤的檢測(cè)方法。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí),通過(guò)控制接地電流的變化,形成特殊信號(hào)向線路耦合,這一信號(hào)沿故障線路、接地點(diǎn)、大地、調(diào)壓變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成回路,只能被安裝在線路上的檢測(cè)裝置識(shí)別,用以判斷故障線路并標(biāo)定故障點(diǎn)。這種方法不受線路參數(shù)和運(yùn)行條件的影響,因是有功信號(hào)其抗干擾能力強(qiáng)。采用信號(hào)尋蹤的方法,可以較準(zhǔn)確地標(biāo)定出故障位置,是目前單相接地故障探測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)。利用電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)通道和平臺(tái),通過(guò)編寫自動(dòng)判斷程序可以自動(dòng)將接地故障區(qū)段標(biāo)定出來(lái)。

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由4部分組成:中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置、單相接地故障指示器、FTU(Feeder Termital Unit饋線終端單元)及通信線路、調(diào)度主站自動(dòng)判斷軟件。

3.1.1 中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置

中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置安裝于配電所自閉調(diào)壓變壓器室內(nèi),接于調(diào)壓變壓器中性點(diǎn)處,通過(guò)控制真空接觸器分、合,使中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)電阻短時(shí)接地,將一組特殊信號(hào)耦合到線路上,并由故障線路和故障點(diǎn)形成通路,作為區(qū)分故障區(qū)段與非故障區(qū)段的信號(hào)。

3.1.2 單相接地故障指示器

單相接地故障指示器分為信號(hào)傳輸型和非信號(hào)傳輸型兩種。信號(hào)傳輸型單相接地故障指示器安裝于高壓遠(yuǎn)動(dòng)負(fù)荷開關(guān)的引線上,通過(guò)光纖與遠(yuǎn)程控制終端FTU相聯(lián),非信號(hào)傳輸型接地故障指示器在區(qū)間每隔一公里安裝一處,與信號(hào)傳輸型故障指示器配合使用,實(shí)現(xiàn)接地故障點(diǎn)的標(biāo)定。

3.1.3 FT U及通信線路

傳輸型接地故障指示器安裝于高壓遠(yuǎn)動(dòng)負(fù)荷開關(guān)處,它的接點(diǎn)信號(hào)與其他開關(guān)的狀態(tài)量一樣,通過(guò)FT U的遙信端子和傳輸通道,傳給調(diào)度主站。

3.1.4 調(diào)度主站自動(dòng)判斷軟件

由于調(diào)度主站系統(tǒng)與各 RT U(Remote Termital Unit遠(yuǎn)動(dòng)終端單元)及FTU采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式,101規(guī)約規(guī)定遙信數(shù)據(jù)為一級(jí)數(shù)據(jù),優(yōu)先傳送,因此,在各RTU及FT U處產(chǎn)生的變位等遙信數(shù)據(jù)將立即傳至調(diào)度主站,只有通道傳輸?shù)难訒r(shí)時(shí)間。調(diào)度主站接到各FTU上傳的接地信號(hào)后,啟動(dòng)主站判斷及自動(dòng)隔離軟件,判斷出接地故障的區(qū)段,并彈出提示信息,提示調(diào)度值班員接地故障區(qū)段,值班員按接地故障處理程序執(zhí)行。接地點(diǎn)自動(dòng)判斷軟件由C++語(yǔ)言編寫。

3.2 特殊信號(hào)注入原理(圖3)

3.2.1 基本原理

當(dāng)圖3所示位置發(fā)生接地故障時(shí),甲配電所接地信號(hào)源向線路發(fā)出特殊信號(hào),這一特殊信號(hào)由中性點(diǎn)瞬時(shí)接地形成,沿故障線路由接地故障點(diǎn)流回系統(tǒng),則在這一回路上裝設(shè)的接地信號(hào)指示器發(fā)出信號(hào),即A站、B站、C站的接地故障指示器發(fā)出信號(hào),這些信號(hào)及其發(fā)生的時(shí)間通過(guò)FT U和遠(yuǎn)動(dòng)通道傳送到調(diào)度中心,調(diào)度中心根據(jù)這一供電臂接地故障指示器上傳的信號(hào)和時(shí)標(biāo)及兩甲、乙配電所的開關(guān)位置,判斷故障區(qū)段為沿供電方向最后一個(gè)上傳信號(hào)的故障指示器(C站)和第一個(gè)沒有上傳信號(hào)的故障指示器(D站)之間。最后在調(diào)度CRT畫面上給出接地故障的提示信息。

圖3 接地故障點(diǎn)標(biāo)定原理圖

當(dāng)判斷出故障區(qū)間后,我們還可以利用安裝在區(qū)間的沒有傳輸功能的接地故障指示器的翻牌情況將故障點(diǎn)確定在1 km的范圍內(nèi)。

3.2.2 特殊信號(hào)

中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置由單極真空接觸器、邏輯控制部分、限流電阻組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后,由母線電壓互感器開口三角形零序電壓?jiǎn)?dòng)信號(hào)源,由邏輯控制部分控制真空接觸器分合,形成中性點(diǎn)對(duì)地的瞬時(shí)短路,產(chǎn)生特殊信號(hào)。

對(duì)中性點(diǎn)信號(hào)源所發(fā)信號(hào)的類型進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),首先應(yīng)短時(shí)投入,其次這一信號(hào)應(yīng)不同于正常的負(fù)荷電流,并與負(fù)荷變化能明顯區(qū)分。綜合各種因素,將信號(hào)源的信號(hào)類型設(shè)計(jì)為如圖4形式:這一組特殊電流矩形包絡(luò)線有其特殊性,第一個(gè)脈寬350 ms,間隔650 ms,第二個(gè)脈寬250 ms,間隔1 000 ms?？梢钥闯鲞@一信號(hào)與正常負(fù)荷電流有明顯區(qū)別,任何干擾源都不易產(chǎn)生類似波形。

圖4 信號(hào)源的信號(hào)類型

當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí),故障相流過(guò)所有非故障相的零序電流和正常負(fù)荷電流,當(dāng)信號(hào)源內(nèi)的單極真空接觸器瞬時(shí)閉合時(shí),故障相流過(guò)的電流除各非故障相的電容電流和正常負(fù)荷電流外,還有零序電壓在變壓器中性點(diǎn)、變壓器故障相、線路故障相、接地點(diǎn)、大地、限流電阻、變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成的單相短路電流,這一電流的大小由零序電壓的大小和回路的電阻決定。流過(guò)線路故障相電流互感器的電流由正常的負(fù)荷電流、所有非故障相電容電流、單相短路電流3個(gè)電流矢量疊加而成。這一電流不應(yīng)超過(guò)饋出柜斷路器的保護(hù)整定值,或這一電流的持續(xù)時(shí)間小于保護(hù)的啟動(dòng)時(shí)間,不能因?yàn)闄z測(cè)接地故障,而造成斷路器保護(hù)跳閘,影響供電的可靠性。因此,對(duì)串入電阻進(jìn)行了選擇,并調(diào)整了自閉饋出柜的保護(hù)定值,使各種情況下僅產(chǎn)生有效值約為5 A的特殊測(cè)試電流,確保不致引起保護(hù)動(dòng)作。

3.2.3 有效接收可靠判斷

接地故障指示器安裝于運(yùn)行線路上,為了提高抗干擾強(qiáng)度,接收裝置即故障指示器只有連續(xù)檢測(cè)到中性點(diǎn)注入裝置所發(fā)信號(hào)中的4個(gè)矩形波信號(hào)后,才確定接收到了中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置所發(fā)的信號(hào)。在調(diào)度自動(dòng)判斷接地故障程序的啟動(dòng)條件中加入配電所中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置動(dòng)作信號(hào)。這種方法不受線路參數(shù)、負(fù)荷情況、運(yùn)行狀態(tài)影響,并且判斷故障范圍清楚直觀、準(zhǔn)確有效,利于現(xiàn)場(chǎng)巡視人員快速處理故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

中性點(diǎn)非有效性接地的供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),由于接地點(diǎn)的類型不確定,存在接地電弧,查找起來(lái)相當(dāng)困難。而鐵路自閉、貫通線路的供電臂較長(zhǎng),運(yùn)行環(huán)境差,不僅發(fā)生單相接地故障的幾率高,而且查找和排除故障困難,使得人員出動(dòng)多、故障處理時(shí)間長(zhǎng),嚴(yán)重影響了鐵路的正常運(yùn)營(yíng)和行車安全。利用基于特殊信號(hào)注入原理的接地故障定位系統(tǒng),將大大降低單相接地故障的查找時(shí)間及所耗費(fèi)用,有效地確保了行車信號(hào)供電的可靠性,具有極高的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

高速客運(yùn)專線10 kV供電,目前較多采用中性點(diǎn)直接接地的單芯電纜供電方式,發(fā)生單相接地故障時(shí),10 kV系統(tǒng)退出運(yùn)行,基于特殊信號(hào)注入原理的接地故障定位系統(tǒng)應(yīng)用于該供電方式,中性點(diǎn)信號(hào)注入裝置將更加簡(jiǎn)化,僅需要考慮電纜外皮中的電流對(duì)接地故障指示器的測(cè)試影響。

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