配電網開閉所選線方式

吳傳璽

（本溪供電公司,遼寧 本溪 117000）

開閉所常用于電力系統及大型工礦企業。企業因負荷比較分散,為方便配線,降低線損,主電源首先接入開閉所,再分出多路出線到各負荷集中的變配電室或車間變電所。開閉所僅有開關柜,根據需要和負荷大小,電氣接線可以是二進線4-6出線、4進線8-10出線（均單母分段）,出線供各配電站。配電站有環網式（用環網柜）、終端式,配電站帶有配變,一般可設2臺配變,以提高供電可靠性。

我國10～66 kV配電網系統多采用中性點經消弧線圈接地方式[1-4],該接地方式存在嚴重的選線準確性問題,消弧線圈的感性電流補償線路系統的電容電流,使流過故障線路的電流較小,開閉所的接地故障很難判定。常規的故障方法很難區別故障線路和非故障線路,原有選線方案存在原理性缺陷,因此需要一種更有效的選線方式解決這一問題。

圖1 帶開閉所的配電網系統

1 配電網的開閉所

隨著負荷的增加、城市電網的擴建,配電網系統建設了越來越多的開閉所,使系統負荷配置靈活,帶開閉所的配電網系統如圖1所示。變電站出線的部分線路接開閉所,開閉所的部分出線再接用戶或開閉所。目前,故障選線大多集中在變電站,由于配電網系統分支較多,當系統發生接地故障時,很難找到故障線路,如果對系統的開閉所也進行故障選線,則很容易找到故障點,因此對開閉所進行故障選線是必要的。

2 故障選線方法

配電網消弧線圈接地系統故障電流較小,故障選線比較困難,特別對于單相接地故障,現有的故障選線方法存在不足之處。目前單相接地故障的選線方法主要有零序電流法、首半波法、5次諧波法等。

a.零序電流法

中性點不接地系統發生永久性單相接地故障時,非接地線路零序電流等于該線路三相對地電容電流的向量和,方向是從母線向線路;而接地線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流的向量和,方向是從線路流向母線。消弧線圈接地系統由于消弧線圈的補償作用,流過非接地線路的零序電流仍為自身的電容電流,但流過接地點的零序電流為消弧線圈提供的感性電流與電網中所有非接地線路電容電流之和的迭加,零序電流幅值和相位隨消弧線圈補償度的不同而變化,故障選線的準確性受到影響。

b.首半波檢測法

圖2 故障選線系統

首半波檢測法利用發生單相接地瞬間,故障線路電容電流和電壓首半波幅值和方向均與正常情況不同的特點進行單相接地故障檢測。首半波法的前提條件是故障發生在相電壓接近最大值瞬間,但是如果接地故障發生在電壓零點附近,其值很小,是首半波檢測死區,即首半波法理論上有死區。

c.5次諧波檢測法

當小電流接地電網發生單相接地故障時,系統中含有鐵心的設備,由于三相電壓不平衡而進入磁飽和狀態（磁化曲線在非線性區）,產生大量5次諧波。盡管理論上5次諧波在單相接地時有非常明顯的特征,但在實際運行中非故障相5次諧波電流也有增加的現象,很難準確判斷故障線路。

3 并聯中電阻選線原理

較長時間以來,配電網中性點經消弧線圈接地方式,由于其很高的運行可靠性,受到廣泛認同。但由于消弧線圈的存在,接地發生時,故障點容性接地電流會自動被消弧線圈產生的感性電流所補償,接地電流很小,傳統的選線方法不再適用,需要考慮新的方法。為此采用投并聯中電阻的方式[5],使接地點產生一個阻性分量電流,再利用這個阻性分量電流作為選線依據。

在變電站中性點安裝并聯中電阻裝置,在開閉所安裝故障選線裝置,當系統發生接地故障時,短時間投切并聯中電阻,故障線路的零序電流發生變化,開閉所的故障選線裝置根據變化特征值選出故障線路,故障選線系統如圖2所示。

消弧線圈并聯中電阻接地系統發生單相接地時等值零序電路如圖3（a）所示,單相接地一定時間后,ZT0閉合,投入接地電阻R0,發揮故障選線功能,故障點電流矢量如圖3（b）所示。

R0投入后產生一有功零序電流分量,該有功電流流向故障線路,選擇合適的接地電阻可使該有功電流很容易被線路零序TA識別,達到故障選線的目的。

當發生永久性單相接地故障時,投入并聯中電阻進行選線。計算機對所有出線零序電流進行快速采樣。利用快速傅立葉變換對采樣數據進行處理,幾個周波后再斷開中電阻。在并聯中電阻投入的時間內（幾個周期即可）,零序電流信號差異相當顯著,故障線路很容易區分,對高阻、低阻和金屬性接地及間隙性弧光接地都能準確識別。

計算機迅速掃描所有出線電流,并計算系統系數δ和線路系數K。系統系數δ由式（1）確定。

圖3 單相接地等值零序電路及接地點零序電流矢量圖

式中 ΔIi——第i條線路并聯中電阻投切前后零序電流變化量;

ΔIj——第j條線路并聯中電阻投切前后零序電流變化量;

Ij、Ij——分別為單相接地時第i、j條線路電流。

正常情況下,各出線的零序電流基本相同,即Ii≈Ij。如是母線接地,則各條線路零序電流增加的比率相同,δ≈Ii/Ij≈1;如δ與1差別很大,則認為是線路接地,然后由式（2）計算出線線路系數K。

式中 gd——接地導納;

g0——并聯中電阻導納;

x——對地總電容導納-消弧線圈導納;

C——線路電容;

ω——角頻率。

歸納起來為

通過計算機分析線路系數K因子找出接地故障線路。

K的含義是線路零序電流I0和接地電流Id之比。對于正常線路,K因子和線路長短、連續電流相位無關,只與系統參數和接地電阻有關。對于故障線路,K因子和線路參數、系統參數有關。并聯中電阻投入后,有功零序電流將流向接地線路,故障線路比正常線路零序電流明顯增大,故障線路的線路系數將比正常線路大很多。因此,通過計算機分析線路系數K因子找出接地故障線路,根據系數δ判定是母線接地還是非母線接地。

該選線方法克服了殘流增量法接地后調整消弧線圈及對高阻接地選線不準的缺點,能夠正確對金屬接地、高阻接地進行選線,選線準確性達100%。現場運行經驗表明,自動跟蹤補償消弧線圈并聯中電阻選線方法對瞬時性接地和永久性接地均能提供滅弧功能。在發生永久性接地時,通過瞬時投入中電阻,準確選出故障線路,同時又兼備了中性點諧振接地系統殘流小、可帶故障運行一段時間的優點,是一種較為理想的新型接地方式。

4 實例分析

以某地區配電網系統為例分析開閉所接地選線過程。該電網系統由變電站和若干開閉所組成,變電站與開閉所的電氣主接線如圖4所示。

當電網發生單相接地故障時,安裝在變電站的消弧線圈可實現對系統電容電流的補償,但只能在變電站選線,不能進一步實現開閉所選線,無法縮小故障范圍。所以有必要對類似系統的電網結構進行研究和分析,實現在同等電網架構下開閉所的故障選線。

針對該系統需要實現變電站、開閉所在發生接地時同時選線,變電站的選線裝置選出下轄哪個開閉所發生接地故障,開閉所選線裝置選出下轄哪條出線發生接地。通過在開閉所安裝選線裝置的方法,可找出故障線路。

在變電站采取并聯中電阻選線配置方式,當發生系統單相接地故障后,啟動并聯中電阻選線流程。短時投入中電阻,在變電站處由選線裝置判斷是哪個開閉所的出線發生故障。在開閉所處,當發生單相接地故障時,啟動選線控制器進入選線流程,將所有出線的零序電流信號接入控制器,控制器實時采樣零序電流信號,在投切并聯中電阻的過程中根據電流信號判斷接地線路。

圖4 變電站與開閉所電氣主接線

在每個開閉所安裝選線控制器,一旦發生單相接地故障,變電站的消弧線圈控制器首先判斷出哪個開閉所發生故障,然后該開閉所的選線控制器進一步判斷出下一級開閉所的故障,一步步排查,最終找到故障線路。

5 結束語

中性點諧振接地系統故障電流經消弧線圈補償后,故障出線和非故障出線零序電流之間的明顯差異消失,因此傳統的選線方法失效。但通過并聯中電阻的方法,利用并聯中電阻產生的有功分量,提高選線正確率,既保持了中性點諧振接地系統供電可靠性,對短時和永久接地故障能夠滅弧,同時又解決了中性點諧振接地方式選線困難的問題,為解決小電流接地系統變電站及開閉所的接地選線問題提供了有效途徑。

[1] 要煥年,曹梅月.電力系統諧振接地[M].北京：中國電力出版社,2000.

[2] 盧國慶,姜新宇,梅中健,等.配電網中性點接地的新途徑[J].電網技術,2004,（2）32-35.

[3] 李孟秋,王耀南,王 輝,等.小電流接地系統單相接地故障點探測方法的研究[J].中國電機工程學報,2001, 21（10）：6-9.

[4] 計建仁,濮衛萍.消弧線圈接地系統單相接地的選線原理和應用[J].浙江電力,2003,（3）：51-54.

[5] 王 東.消弧線圈并聯電阻接地在城市配網中的應用[J].江蘇電機工程,2005,24（3）：31-33.