小電流接地選線裝置技術規范有關規定的探討

◎張振旗 劉長利 柴玲芳 胡紅垓

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小電流接地選線裝置技術規范有關規定的探討

◎張振旗 劉長利 柴玲芳 胡紅垓

本篇分析了電壓互感器鐵磁諧振、消弧線圈串聯諧振以及斷線時接地選線裝置的動作行為，認為后兩種情況不能列入虛幻接地范疇。對電壓信號發生器的容量、諧波含量、間歇接地的導通、關斷角，以及接地持續時間進行了探討。建議測試項目應標注量化指標，并規定試驗方法。

我國第一部小電流接地系統接地選線行業標準DL/T872-2004[1]于2004年3月發布，使接地選線裝置（以下簡稱裝置）的設計、制造、檢驗和應用有了依據，結束了無法可依的混亂時局面。國網和南網分別于2009 年11月、2012年9月又相繼發布了企業標準[2][3]，目前這3個文件均是有效文件。文[1][2]的內容大體相近，文[3]變動較大。

文[1]第5.2.2條規定，中性點不接地系統疊加鐵磁諧振不得誤動。該規定明確是針對中性點不接地系統，也沒有涉及消弧線圈接地系統在接近全補償狀態由于系統不對稱度上升而引起的電壓諧振。文[2]第3.7條以及文[3]第3.8條對鐵磁諧振的定義一樣：在小電流接地系統中，由于電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起的持續性、高幅值諧振過電壓現象，僅指電壓互感器。文[1]對小電流接地系統的定義中還包括了中性點經消弧線圈接地及高阻接地系統，文[2]、[3]將鐵磁諧振從文[1]的中性點不接地方式擴展到小電流接地方式，用“電壓互感器等”不指名增加了電壓互感器之外的鐵磁諧振，延伸了文[1]的內容。文[2]第5.2.1條中規定了三種接地方式均疊加鐵磁諧振，裝置不應誤報、誤動。文[3]第5.15條a)中規定了測試系統諧振過電壓下的動作行為（估計表述的內容是在系統諧振過電壓下不應誤動——筆者注）。因為“系統諧振過電壓”涉及的內容不只是鐵磁諧振，還包括系統不平衡電壓引起的位移電壓越限。技術標準出現概念性條款，執行起來就比較麻煩。眾所周知，中性點經消弧線圈接地及高阻接地方式不可能會出現鐵磁諧振，文[1][2][3]均沒有給出如何模擬疊加鐵磁諧振的檢測電路。本篇對鐵磁諧振、消弧線圈諧振及斷線作了初步分析，提出應規定檢測電源的容量、擴展模擬間歇性弧光接地電壓導通角以及簡化電壓諧波規定的理由。

電壓互感器飽和出現的鐵磁諧振

眾所周知，鐵磁諧振是指鐵磁元件電感的非線性特征與系統相～地電容匹配后出現的諧振現象，開口三角輸出類似單相接地的零序電壓，主要針對電磁式電壓互感器，教科書早有詳細論述，這里不再重復。因為系統沒有真正發生單相接地，所以也稱之為“虛幻接地”。當裝置利用零序電壓作為啟動量時會出現誤啟動，這就要求接地選線避開“虛幻接地”的誤區。對于中性點不接地系統，諧振時的三相電流不能通過大地（電壓互感器的接地點）返回到電源，或者說，零序電壓的起始點只能位于三角形之外的相電壓的延長線上[4]，滿足，沒有零序電流通過線路電流互感器，只有母線電壓互感器開口三角出線零序電壓，這就是電壓互感器鐵磁諧振的特征。由于接地選線判據不能缺少零序電流的參與，所以，裝置沒有接收到超過閾值的零序電流時不滿足選線條件，不會選出接地線路。當僅出現零序電壓、沒有零序電流時發出“虛幻接地”更直接了當的條件文[5][6][7]認為需要另加防止措施，實際上沒有必要。文[1][2][3]規定了系統出現鐵磁諧振時不能誤動，如何模擬鐵磁諧振？又如何疊加在電壓回路？沒有檢測電路，顯然是一缺失。

消弧線圈接地系統中，消弧線圈的感抗XL只有數十到上百歐姆，電壓互感器的勵磁電抗XTV一般為數百千歐（系統用戶一般使用V-V接法，不會與變電站YO接法產生并聯效果，使總體等值電感下降），零序回路被消弧線圈短接，XTV的變化不會引起鐵磁諧振，即使隨調式消弧線圈，補償任務完成之后只是快速偏離諧振點，并不是徹底脫離母線，恢復到V=1。因此，規定在消弧線圈接地系統疊加鐵磁諧振試驗沒有必要。同樣道理，中性點經高阻接地也不可能產生鐵磁諧振。

圖1，消弧線圈諧振過電壓等值電路

消弧線圈串聯諧振不屬于鐵磁諧振及虛幻接地范疇

文[5]第8.1.6條對消弧線圈的感抗作出規定：“電壓—電流特性曲線由零至設備最高電壓（）應為線性。”所以消弧線圈在工作的范圍內不存在飽和，不能列入文[2][3]所定義“鐵磁電感飽和作用”的范疇內。分析消弧線圈串聯諧振的等值電路如圖1所示，

線路斷線時裝置的動作行為

饋線斷線與消弧線圈諧振沒有本質區別。前者的特征是不平衡電壓集中在饋線的斷線處，后者是不平衡電壓集中在消弧線圈與母線之間。為突出斷線特征，假定母線上所有線路三相對地電容相等，各饋線沒有不平衡電流，設母線上有n回饋線，某饋線A相斷線（或開關缺相合閘），斷線饋線Fdc相～地電容C0及相間電容C12占系統對地電容的1/n，即、。其余饋線相～地及相間電容歸并于三相電容絕對平衡的饋線，各相相～地及相間電容為、，健全相B～C相間電容不起作，省略，如圖2（a)所示。

圖2， 線路斷線（或開關缺相）等值電路1

依據戴維南定理，p～q之間的開路電壓等于A相電勢，p點等于A相電位，p點左側等于消弧線圈電感L與的并聯，消弧線圈在過補位置，并聯后等值感抗點右側等于斷線區段相～地電容，通過地與消弧線圈串聯，將(a)簡化為(b)。取、，圖（b)化簡為圖(c)。計算出斷線饋線的零序電流：

再把圖2還原到圖3，與單相接地等值電路比較十分相似。除健全線路的等值電容與消弧線圈電感并聯外，還有斷線線路其它未斷線的兩相相～地電容。等值電勢串接在斷線回路中，經斷線相～地電容接地。不難看出，斷線產生的零序電流特征與單相接地無本質區別，只是“接地”程度較輕，斷線線路越長，接地特征越明顯。接地選線應該發出接地信號，不宜歸屬“虛幻接地”范疇。

中性點不接地系統可將消弧線圈等值電感去掉，兩相斷線也可得出類似結論，讀者可自行分析。總之，斷線與“虛幻接地”有本質區別。

圖3，饋線斷線（缺相合閘）等值電路2

圖4，文采用的功能性能試驗電路

關于電壓信號發生器

電源容量。文[2][3]均采用了文[1]的圖A.1功能性能試驗電路，并規定了調整工作電壓的方法。見圖4。

當被試裝置額定電流為1A時，試驗電路的額定功耗是100VA，電壓信號發生器的容量如何配置沒有規定。計算和實測表明，金屬性接地出現首半波特征，產生300～3000Hz的衰減振蕩電流[9][10][11]，是系統電容與電感（電源+線路）搭配的結果。電容比0%時試驗電路的電容量，推算出產生3000Hz的暫態電流需要串聯電感量為

，工頻感抗為0.028Ω。對于固定容量的電壓信號發生器，其電感值近似取其短路阻抗（即漏抗），若電源變壓器的阻抗電壓按4%估算，推算出電壓信號發生器的最小容量應大于14.4kVA才行，這里稱作暫態容量，比電源穩態容量大十數倍。當容量不夠（即內阻較大）時，振蕩頻率太低，不能產生行業認同的（或者規定的）首半波。建議規程對電壓信號發生器的容量應有明確規定，在調節電阻R0處增加可調電感，改變暫態電流的頻率，有針對性檢測接地選線的暫態特性。配合調節R0，也能將時間常數控制在合理的范圍，更加接近實際。

順便指出，使用市電升壓到10kV[12] [13]，在相～地接入高壓電容器模擬10kV線路單相接地，受升壓變壓器容量限制，試驗結果與運行情況可能相差較大。因為升壓變壓器在升壓的同時也提升了內阻，且與變比的平方成正比，希望與高壓電容器匹配出現具有接地特征的頻帶，以及實現瞬間擊穿、間歇電弧、過渡電阻接地特征，升壓變壓器的電感很小才行，實驗室用升壓電源變壓器不可能同時滿足穩態容量和暫態容量。換句話說，不可能將變電站主變壓器移建到實驗室。因此，這種方式只能實現局部模，與實際運行狀態尚有較大差距。

諧波含量。文[2][3]采用了文[1]的規定，電壓信號發生器的諧波含量按表A.2取值，拷貝見圖5。與此同時，又規定了每半個周期的開通角為64.16°、關斷角為168.5°。文還增加了電壓初相角在90°、75°、60°30°和0°的測試。將導通角用富式級數展開，見表1.

圖5，文[1][2][3]諧波含量取值規定

表1，按文[1]、[2]、[3]規定的導通、關斷角計算出的諧波系數

表1看出，文[1][2][3]對實驗電壓諧波系數的規定（序號6、7）早已經被規定的導通角/關斷角產生的諧波系數所覆蓋，起不到作用。電壓信號發生器可否改為單純的電源變壓器，以簡化試驗設備。

模擬間歇電弧接地的導通、關斷角。按照絕緣擊穿的理論，相～地閃絡通常發生在相電壓接近最大值的瞬間，文[1][2][3]將擊穿時刻限定在0～90°上升段。外力因素與絕緣降低擊穿可能有所區別。結合配網接地定位，重合閘投入之后，接地時刻與電壓相位角對應的不確定性更為增加。如果將下降段90～180°也包括進去，例如按開通角取0°、45°、135°，關斷角取180°，檢測面更寬，且不需要增加更多的檢測次數。

關于接地故障點的位置

非有效接地系統的零序阻抗比正、負序阻抗大2～3個數量級，接地點的位置只對正、負序阻抗有影響，略去正、負序阻抗也是規定的計算電容電流的方法[5]。因此，認為指定的配網系統零序阻抗處處相等，即本系統任一線路上任一點的電容電流處處相等。其實，過分精確也沒有用。文[5]中的第3.2、3.3條的定義就表明了這一點。文[3]規定了檢測接地點線路首端、末端、中端的動作行為，實際上可以省略。

關于線路的類型

文[1]用最大電容比50%等值了長線，最小電容比0%等值短線，既包括了架空線、電纜線也包括了長線、斷線。文[3]規定檢測“故障在架空線、電纜，長線、短線的動作行為；”沒有用量化指標限定何種檢測方式等值“架空線”、“電纜線”、“長線”以及“短線”？希望在技術規范中看到清晰的定義表述。

接地持續時間

文[1][2][3]對動作時間有不同的規定，摘錄見表2

表2，技術規范對接地故障持續時間的規定

文[1]規定接地故障最大持續時間不超過0.2s時，換句話說，持續時間為0.2s+Δt才能選線準確就是不合格，但沒有給出最小持續時間。從反面理解就是接地故障持續時間為0.2s-Δt時，可以選出，也允許選不出來，不作為檢測標準。這樣，試驗的標準就是設定0.2s的故障時間，選線裝置正確動作，試驗通過。文[2]規定接地故障最小持續時間0.2s，最大持續時間沒有限制，也就是說0.2s視為合格，0.2s+Δt就是不合格，檢驗標準與文[1]一樣。文[3]規定不大于3s，就是說3s必須選出，但允許3s-Δt選不出來。文[3]對速動性要求低于[1][2]，可能會漏掉某些瞬時接地。不管是瞬時性還是永久性接地故障，接地就是反應出線路絕緣失效，自然是越快越好，也是選線的最終目的。另外，沒有定義“瞬時”的時間標定，如果將持續幾個周波與幾個小時均歸類瞬時性接地，恐怕很難接受，應該有所區別。

綜上所述，電磁電壓互感器僅在中性點不接地系統可能出現鐵磁諧振，不具備產生零序電流的條件，而在消弧線圈及高阻接地系統不會出現，不需要專門措施閉鎖裝置；技術規范應規定疊加鐵磁諧振的檢測電路；消弧線圈串聯諧振以及線路斷線產生的零序電流，與單相接地無本質的區別，接地選線均應動作，不宜作為“虛幻接地”處理；技術規范應規定電壓信號發生器的最小容量，模擬間歇電弧的導通角從0～180°范圍抽樣更具有普遍性；接地故障特征與接地故障點的位置沒有關系，建議省略；按電容比檢測裝置的性能比“架空線”“電纜線”“長線”“短線”容易操作；選線所用時間越短越好，因為單相接地故障絕大部分是瞬間接地且能自行清除，永久性接地極少極少，若規定的接地最大持續時間太長容易掩蓋瞬間接地故障漏選的缺陷。

（作者單位：珠海威瀚科技發展有限公司）