新型小電流選線技術的發展及應用

龍毅

(江西銅業集團公司材料設備公司，江西貴溪 335424)

新型小電流選線技術的發展及應用

龍毅

(江西銅業集團公司材料設備公司，江西貴溪 335424)

分析了小電流接地選線在配電網的發展趨勢，并對新型ZXJ－II綜合故障診斷及錄波系統的總體結構和基于過程分析的綜合選線判據進行了示例描述，然后通過對零序故障診斷及錄波系統的現場實踐和應用，獲取實際錄波波形和診斷結果，驗證了零序故障診斷及錄波系統的有效性。

故障特征;選線;綜合診斷;錄波;零序電流

1 引言

小電流接地系統在我國35kV以及以下的電壓等級的電網系統中應用非常廣泛，而單相接地故障在小電流接地系統中故障率很高［1］。近年來隨電網容量的加大，接地電流也在增大，同時因單相接地故障造成的損失也更嚴重。單相接地故障時，非故障相對地電壓升高，同時易產生系統諧振，對電網設備的絕緣產生破壞作用，這種損傷積累到一定程度會造成避雷器、PT爆炸或絕緣子閃絡等情況［2］。

通常接地選線的辦法是利用變電所的交流絕緣監察裝置發出接地信號，然后根據接地拉閘順序選擇出接地出線柜。沒有發生單相接地的線路，也需短時間停電，這對要求連續供電的企業會造成影響。所以研究應用迅速、準確的小電流接地選線裝置意義重大，可大大提高電力供應中的安全性、經濟性［3］。

2 小電流接地選線研究發展方向

目前，單相接地故障選線的的檢測是靠PT開口三角形電壓即零序電壓的升高作為啟動和判斷依據的，但造成零序電壓升高的故障原因有很多如:鐵磁諧振、串聯諧振、傳遞過電壓、PT故障、母線故障、單相接地、虛幻接地等，因此對于單相接地故障選線的前提是零序故障類型診斷，確認是單相接地故障后進行準確選線才是合理的準確的［4］。

在電網整個零序回路的監測方面，目前國內在應用上，正處于由小電流選線階段向零序回路全面監測階段發展，這包括零序故障在線綜合診斷、零序信號高采樣率全程錄波記錄(故障錄波和系統零序漂移特性)，零序回路設備運行監控，后臺錄波分析等。

在歐洲，基于零序信號全程錄波的零序回路監控系統已得到廣泛應用，該類系統監控全面，診斷準確，大大提高了電網安全性和供電可靠性。

事實上小電流系統的接地現象非常復雜，完全的穩定接地是不存在的，不穩定接地才是絕對的，只有利用不穩定接地過程中全部錄波信息綜合診斷零序故障才是全面解決問題的出路［4］。

因此，全時域、全頻段、全類型監控、錄取所有零序回路信號，并進行綜合在線診斷和分析處理的零序故障錄波診斷系統才能能全面解決現場在零序回路監控方面面臨的問題，是接地選線的發展方向。目前國內僅有的少數設備能對零序故障進行完整錄波，并對錄波數據進行統一管理和分析［5］。

3 零序故障綜合診斷及錄波系統

ZXJ－II綜合故障診斷及錄波系統是集零序故障錄波、小電流選線、過電壓監測、消弧線圈動態特性監視為一體的新一代產品，其采用應用高端32位600MHz DSP(數字信號處理)技術及雙CPU的硬件設計，對故障前后的波形進行長周期，高精度錄波，采用基于故障過程分析的辨識方法實現電網的故障辨識及單相接地選線。

該系統將采用了與傳統小電流選線設備完全不同的上下位機體系結構和診斷算法，立足于完整捕獲故障信息、實現對故障過程進行綜合分析，準確辨識零序故障類型，并且能實現消弧線圈動態特性監視、過電壓監測和單相接地故障選線等功能，是新型小電流接地選線裝置的典型代表。

圖1 系統總體結構圖

上圖1中反映出當前我國配網變電站常見的網絡結構，35KV側和6－10KV側各由母聯斷路器分為I段和II段，每段上可能存在n條支路(n＜= 15)。根據前述裝置需要實現的功能要求，系統設計分為以下幾個主要的部分:

(1)數據采集

(2)通信網絡

(3)數據存儲

(4)人機界面

(5)微處理

4 基于過程分析的綜合選線判據

現場的單相接地故障中，絕大多數為瞬時性接地或間歇性接地，其故障點普遍為電弧接地。即使對于金屬性永久接地故障，其故障的一般發展過程為:間歇性電弧接地——穩定電弧接地——金屬性接地。根據實測，間歇性電弧接地持續時間可達0.2～2s，頻率可達300～3000Hz;穩定電弧接地持續時間可達2～10s;最后故障點被燒熔成金屬性接地，即所謂永久性故障接地。因此，弧光接地在單相接地故障中較為普遍。弧光接地故障的發展較為復雜，一般認為電弧在接地電流過零時熄滅，而在電壓接近峰值時重燃。弧光電阻也隨電壓和電流非線性變化。因此，弧光接地故障大多是不穩定的。

基于上述對弧光接地故障的描述，拋去弧光電阻具體的非線性變化特性，在ATP進行仿真時用一壓控開關和固定電阻來進行模擬。對這一過程進行仿真計算，根據對該例分析，詳細闡述ZXJ－II零序故障綜合診斷及錄波系統的“基于過程分析的綜合選線判據”應用過程。

示例一:間歇性電弧接地，中性點過電壓，35T (T為工頻周期)故障錄波后在由中性點電壓是否仍為過電壓的基礎上，過程分析結果得出為目前狀態為弧光接地，如下圖。

圖2 示例一中性點電壓相對有效值變化圖

由圖2可以看出，整體過程變化為:穩態——暫態——暫穩態——穩態。其中暫態長度為3個半工頻周期，時間為30ms，暫穩態長度為30個半工頻周期，時間為300ms，其他為穩態過程。經過分析可知，接地故障在35T內已經消失，并且轉為消弧線圈串聯諧振。上位控制機得知為“串聯諧振狀態”則通知消弧線圈控制器使得其并聯電阻接入電路，消除諧振狀態。并通知各采集板進入“間歇性采樣”狀態，持續時間10s。間歇性采樣后，根據35T內的過程分析結果得知:暫態過程內諧波含量占整體信號的比值大于50%，選用暫態特征分量幅值和極性比較法可以實現正確選線。

圖5 中性點電壓及其諧波含量變化情況

［db5，4］后頻帶［3，15］內信號分布情況

由圖3中性點電壓暫態過程小波變換后能量分布情況可以得知［3，15］頻帶內能量最大，然后對各支路零序電流暫態過程進行小波包變換［db5，4］。圖4給出了小波包變換后各支路零序電流暫態過程在用于選線判別的頻帶上的分布情況，根據幅值最大和相位反向兩個判據分別進行選線判別，可以得出結果為線路5故障，與實際故障情況符合。

示例二:間歇電弧接地，中性點過電壓，電弧接地已經在比較短的時間內已經發展成為金屬性接地，35T故障錄波后在由中性點持續過電壓的基礎上，過程分析得知為穩定接地。持續間歇采樣數段時間。

由圖5可以看出中性點電壓的變化過程為:穩態——暫態——穩態。與穩定單相接地電壓變化過程吻合。其中暫態持續長度為3個工頻周期，時間為30ms，其余時間均為穩態。上位控制機得知為穩態接地故障，通知各采集板進入“間歇性采樣”狀態。在采樣結束后，進行選線計算。暫態過程內諧波含量均超過50%，選用暫態特征分量的幅值和極性判據可以進行可靠選線。

具體過程同示例一，采用小波包變換［db5，4］對數據處理，選出暫態特征分量所在頻帶，然后比較各條支路零序電流暫態過程在特征頻帶上的分布情況，根據特征分量幅值最大和極性相反的判據進行判別，選線結果判斷得出為支路2故障，與仿真實際相吻合。

5 實例應用

ZXJ－II綜合故障診斷及錄波系統安裝應用于德興銅礦220kV大山變電站35kV母線，系統運行期間多次發生穩定性和瞬時性接地故障，通過錄波及系統自動診斷分析，故障辨識及選線成功率較高。部分選線及錄波波形如下:

示例一:323下山一線(2011－12－27/00:26: 50)發生單相接地，系統錄取的波形如圖6圖7。

圖7 故障支路切除后電壓及支路零序電流波形圖

本次示例為“323下山一線，深天藍線條”電網發生單相接地，并導致避雷器燒毀及開關柜跳閘，圖6和圖7為故障過程和開關柜速斷動作前后波形。

示例二:328半自磨二線(12－02－07/04: 58:36)發生接地，系統錄取的波形如圖8、圖9、圖10。

圖10 故障支路切除后電壓及支路零序電流波形圖

本示例為“328半自磨二線，午夜藍色線”單相間歇性弧光接地故障，運行人員根據裝置選線結果拉斷328線路開關后，故障消失避免了重大事故發生。圖8、圖9和圖10為故障過程及故障恢復波形。

6 結語

隨著科學技術的發展以及各類數學方法在實際工程中的廣泛應用，出現微機實現的選線裝置和各類新型的保護算法，但是由于接地故障過渡電阻波及范圍較廣及故障演變的復雜性等種種實際情況的制約，完全準確可靠的接地故障診斷系統和方法還需同過大量獲取實際故障波形的基礎上，通過分析和算法完善。小電流選線技術的發展任重而道遠。

［1］李福壽.中性點非有效接地電網的運行［M］.北京:水利電力出版社，1993:20－62.

［2］要煥年，曹梅月.電力系統諧振接地［M］.北京:中國電力出版社，2000:28－32.

［3］王錫凡，李建華，張伏生，等.電力工程基礎［M］.西安:西安交通大學出版社，2003:194－261.

［4］劉笙.電氣工程基礎(下冊)［M］.北京:科學出版社，2001: 272－273.

［5］楊淑英，王麗宏，杜榮華，蘇濤，等.電力系統暫態保護中小波基的選擇與應用［R］.天津市:天津大學，2008.

［6］馬珂，張保會.中性點非直接接地系統故障選線原理的發展與展望［R］.河南許昌:許昌繼電器研究所.2003.

［7］曾祥君.配電網接地故障負序電流分布及接地保護原理研究［J］.中國電機工程學報.2001.

Development and Application of New Technology in Fault Line Selection

LONG Yi
(JCC Material＆Equipment Company，Guixi，Jiangxi 335424，China)

The development tendency of fault line selection in distribution network has been analyzed，and the article also described the general structure and the criterion description of a new comprehensive fault diagnosis and wave record system，type ZXJII，which based on the analysis of the process of comprehensive fault line selection criterion.Then through the practice and application of the new comprehensive fault diagnosis and wave recording system，we got the site practical fault wave and diagnostic results which verify the validity of the system.

fault characteristic signal;fault line selection;comprehensive fault diagnosis;wave recording;zero sequence current

TM862+.3

:A

:1009－3842(2012)04－0057－04

2012－05－07

龍毅(1969－)，男，湖南漣源人，本科，電氣工程師，主要從事采礦、選礦設備電氣技術和備件供應工作。E－mail:xkbjly@163.com