基于中性點全補償技術的故障選線現場試驗研究

胡葉舟，張 琳，陳欣華，謝 成，尤 敏，楊 勇，顧國強

0 引言

隨著城市配電網的不斷擴大，對供電可靠性和電能質量的要求越來越高。城市配電網主要以電纜為主，發生的故障大多為永久性故障，在運行中長時間單相接地往往會發展為相間短路故障，繼而引發嚴重的電纜溝、開關柜、甚至變電站起火事故[1-5]。2017年發布的Q/GDW 10370-2016《配電網技術導則》中要求現代配電網具備一定的自愈能力和應急處理能力，小電流接地系統單相接地故障處理技術原則由“2 h運行+接地選線”改為“選線選段、就近快速隔離”，在提高故障處理能力的同時降低線路接地對人身安全的危害。因此如何控制并降低配電網單相接地故障發生后的風險成為必要的研究課題[6-9]。

國網浙江省電力有限公司為提高配電網單相接地選線和滅弧能力，引進國內首臺GFN（接地故障綜合保護）設備。GFN設備通過與消弧線圈相互配合實現對配電網單相接地故障電流的全補償，以達到快速熄弧、故障選線和防止事故擴大目的，保障人身安全，提升配電網搶修效率和運行可靠性。文中介紹了GFN設備功能驗證試驗設計、試驗實施過程，并對功能驗證結果進行分析，提出了相關建議。

1 GFN設備簡介

GFN設備并聯安裝于變電站母線消弧線圈，設備主要由RCC（逆變模塊）、電容器組、升壓變、控制柜等部分組成。故障處理的基本原理是當配電網發生單相接地故障后進行接地點殘流全補償，達到快速熄弧和精準選線的目的，保障人身安全，提升運行可靠性。GFN設備電氣連接如圖1所示。

圖1 GFN設備電氣連接

GFN設備主要功能概述如下：

（1）接地電流全補償功能。

當接地故障發生后，GFN設備通過調節中性點電壓幅值及相角，反向注入與消弧線圈補償后故障點殘流大小相等、方向相反的電流，實現故障點殘流全補償，達到抑制接地點殘流，保障人身安全的目的。

（2）單相接地選線功能。

設備具備故障錄波功能，通過綜合暫態特征法和自適應零序導納法進行接地選線研判。暫態特征選線法基本原理為在接地故障發生瞬間比較各線路零序電流幅值、相位并對比序電壓極性；故障線路具備瞬時暫態電流方向與非故障線路相反，且幅值較非故障線路大的特征[10]；零序導納選線法基本原理為對比故障前后各線路零序導納值，故障線路具備線路導納值及相位均發生較大變化的特征[11-13]。GFN設備同時具備上述兩種選線功能，通過綜合研判實現故障線路選線功能。

2 GFN設備功能驗證試驗設計

2.1 試驗回路設計

為進行GFN設備功能驗證，進行現場單相接地模擬試驗，以杭州某110 kV變電站10 kV側一出線間隔為模擬故障線路，故障模擬出線至10 kV開關站Ⅰ母，10 kV開關站Ⅰ母備用間隔引出電纜約700 m至110 kV變電站站內空地進行單相接地試驗。試驗回路如圖2所示。

2.2 故障類型設置

為了充分進行功能驗證，現場模擬4種單相接地故障：金屬性接地故障、經過渡電阻（500 Ω/16 000 Ω）接地故障、電纜弧光接地故障、斷線接地故障。

從10 kV開關站Ⅰ母備用間隔引出電纜約700 m，至110 kV變電站站內空地接地樁，電纜B相進行人工模擬接地故障，在接地引線處串接電流互感器，用于現場接地點電流波形測錄。回路如圖3所示。

圖2 GFN設備功能驗證試驗電氣回路

圖3 故障模擬回路示意

2.2.1 金屬性接地

電纜B相引出后通過接地引線直接接入接地樁，示意如圖4所示。電纜A與C相終端做絕緣包覆處理。

圖4 金屬性接地接線示意

2.2.2 過渡電阻接地

電纜B相引出后通過過渡電阻（R=500/16 000 Ω）接入接地銅排。過渡電阻設備絕緣按照線電壓水平，容量按照消弧線圈補償后最大的可能電流選擇，并留有一定的裕度。現場接線示意圖如圖5所示。

圖5 經過渡電阻接地接線示意

2.2.3 電纜單相弧光接地接地

將電纜B相出線固定后進行鉆孔（直徑5 mm鉆頭），破壞鎧裝層絕緣，屏蔽層接地，電纜A與C相終端做絕緣包覆處理，現場接線示意圖如圖6所示。

圖6 電纜單相弧光接線示意

2.2.4 斷線故障接地

將電纜B相出線固定后連接240 mm2架空導線段（2 m），并將架空導線段置于干草地，對電纜A與C相終端做絕緣包覆處理，現場接線示意圖如圖7所示。

圖7 斷線故障接線示意

2.3 試驗運行工況

試驗時系統運行方式：110 kV變電站1號、2號主變壓器（簡稱主變）分列運行，1號主變低壓側帶10 kVⅠ段母線，10 kVⅠ段母線帶故障模擬線路。10 kVⅠ段母線中性點通過1號接地所用變后經消弧線圈接地，消弧線圈采用預調式過補償方式運行。

3 試驗過程

編制試驗方案后，分別進行金屬性接地、經500 Ω電阻接地、經16 000 Ω電阻接地、電纜弧光接地、斷線接地等接地模擬試驗，每種試驗分別在GFN設備投入、GFN設備退出2種情況下進行。

3.1 試驗步驟

（1）試驗接線。確認安全措施完備后，按照試驗工況要求進行接地試驗回路接線和各個測點布置，完成后站內10 kV故障線出線開關由檢修改熱備用操作。

（2）對站內10 kV故障線開關進行合閘操作，模擬單相經過渡電阻接地故障，測錄接地試驗波形，記錄變電站及開關站相關設備電氣狀態量，記錄變電站、開關站、用戶側相關事件。

（3）對站內10 kV故障線開關進行分閘操作，切換至檢修狀態，更改試驗工況。

各試驗工況下現場如圖8—12所示。

3.2 數據測錄

運用數字錄波儀分別測錄Ⅰ段母線A，B，C相電壓，故障線路A與C相及零序電流，非故障線路零序電流，消弧線圈電流、電壓，GFN設備輸出電流、現場接地點電流等暫態參數，如表1所示。同時記錄各參數穩態值和每次故障工況下GFN設備選線結果、現場接地點熄弧效果等。

圖8 金屬性接地

圖9 經500 Ω電阻接地

圖10 經160 000 Ω電阻接地

圖11 斷線接地

4 試驗結果及分析

分別對比GFN設備投入、退出工況下各項試驗數據，對接地點電流抑制效果、選線效果及投運前后電網運行參數進行比較分析。

圖12 電纜弧光接地鉆孔

表1 試驗數據采集位置

4.1 接地點電流抑制效果分析

比較不同工況下GFN設備投入前后現場接地點電流的有效值和峰值，如表2所示。

表2 現場接地點不同工況下電流值比較

GFN設備投入后，在經過渡電阻接地、電纜弧光接地、斷線接地工況下，接地電流有效值均小于0.5 A，并在弧光接地和導線斷線接地工況下將接地電流峰值由21.73 A和11.57 A抑制到0.94 A和0.53 A，補償效果較好；但金屬性接地工況下GFN設備對接地電流抑制效果不明顯。

在電纜單相弧光接地故障工況下，GFN設備退出時接地后電纜擊穿點持續放電，直至開關站遙分操作后熄弧；GFN設備投入時接地后電纜模擬擊穿點瞬間熄弧。接地點電流波形及試驗現場如圖13—14所示。

圖13 弧光接地GFN設備退出、投入前后接地點電流錄波

圖14 GFN設備退出工況下電纜弧光接地

在導線斷線接地故障工況下，GFN設備退出時接地后對地持續放電，持續出現火花并伴隨接地點干草灼燒后冒煙，直至開關站遙分操作后熄弧；GFN設備投入時導線接地點瞬間熄弧，未出現燃弧現象，滅弧效果較明顯。接地點電流波形及試驗現場如圖15—16所示。

4.2 選線結果分析

GFN設備在其投入與退出狀態下均具備單相接地故障選線功能，總結各試驗工況下GFN設備選線結果，如表3所示。在金屬性接地、經500 Ω電阻接地、弧光接地和斷線接地工況下，GFN設備選線結果均正確；經16 000 Ω電阻接地工況下，GFN設備退出狀態因接地電阻較高，各研判參數變化量小，GFN設備無法啟動選線功能；GFN設備啟動情況下，GFN設備選線正確。

4.3 電壓分析

比較不同試驗工況下1號母線各相電壓接地前后穩態值和接地瞬間暫態峰值，試驗結果如表4所示。

由表4可知，GFN設備退出時，接地故障發生后，故障相電壓均有不同程度降低，其中金屬性接地降低幅度最高，16 000 Ω高阻接地壓降幅度最低。GFN設備投入后，各種試驗工況下故障相電壓均降低至50～400 V，非故障相電壓將抬升至線電壓。

另外對比接地瞬間電壓暫態峰值，每種試驗工況下故障相在GFN設備投入較設備退出情況暫態過電壓略有降低，非故障相在GFN設備投入較設備退出情況暫態過電壓有不同程度升高；試驗中各過電壓數據符合GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中4.1暫時過電壓及限制相關要求。

圖15 斷線接地GFN設備退出、投入前后接地點電流錄波

圖16 斷線試驗GFN設備投入、退出現場對比

表3 GFN設備各試驗工況下選線結果統計

表4 不同試驗工況下1號母線電壓值

5 結論

通過基于運行工況進行單相接地試驗設計、現場實施，完成國內首臺GFN設備現場功能驗證和評價，得出以下結論：

（1）GFN 設備對經 500 Ω 電阻、 經 16 000 Ω電阻、弧光接地及斷線接地工況補償后接地點殘流均小于1 A，全補償效果較明顯；金屬性接地工況補償后接地點殘流大于5 A，全補償效果不明顯。金屬性接地、500 Ω接地、弧光接地和斷線接地補償時間小于100 ms，16 000 Ω補償時間小于200 ms，補償響應速度較快。

（2）電纜單相弧光接地工況，GFN設備退出狀態，接地后電纜擊穿點持續放電；GFN設備投入狀態，接地后電纜擊穿點瞬間熄弧，滅弧效果較明顯。

（3）斷線接地工況，GFN設備退出狀態，接地點持續放電，持續出現火花并伴隨接地點干草灼燒后冒煙，直至開關站遙分操作后熄弧；GFN設備投入時導線接地點瞬間熄弧，未出現燃弧現象，滅弧效果較明顯。

（4）金屬性接地、經500 Ω電阻接地、弧光接地、斷線接地工況下，GFN設備選線結果均正確；16 000 Ω電阻接地工況下，GFN設備退出情況下GFN設備無法啟動選線功能；GFN設備投入下，GFN設備選線結果正確。

（5）不論金屬性接地、經過渡電阻阻接地、弧光接地或斷線接地，GFN設備投入后，故障相電壓有效降低，非故障相電壓將抬升至線電壓，建議設備運維單位在運行中予以關注。

參考文獻：

[1]董振亞．城市配電網中性點接地方式的發展和改進[J]．中國電力，1998，31（8）∶38-41．

[2]蔡澤祥，周全．配網接線方式對供電可靠性影響分析[J]．電力系統及其自動化學報，2010，22（4）∶85-88．

[3]李景祿，周羽生．關于配電網中性點接地方式的探討[J]．電力自動化設備，2004，24（8）∶85-86．

[4]余衛成，徐劍峰.一起非典型的10 kV母線單相接地故障分析[J]．浙江電力，2013，32（1）∶17-19.

[5]丁愛佳，鮑炫羽，季玲玲.小電流接地系統單相接地故障選線方法研究[J].浙江電力，2017，36（5）∶8-11.

[6]謝成，金涌濤，胡葉舟.基于相關系數分析的配電網單相接地故障研判方法與試驗研究[J].浙江電力，2017，36（3）∶17-23.

[7]劉健，沈兵兵，趙江河，等．現代配電自動化系統[M]．中國水利水電出版社，2013．

[8]牟龍華.零序電流有功分量方向接地選線保護原理[J].電網技術，1999，23（9）∶60-62.

[9]唐艷波.10 kV配電網單相接地電容電流補償方式的研究[J].電力自動化設備，1999，19（4）∶52-55.

[10]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.

[11]曾祥君，尹項根，張哲，等．零序導納法饋線接地保護的研究[J]．中國電機工程學報，2001，21（4）∶5-10.

[12]薛永瑞，徐丙垠，等．小電流接地故障暫態方向保護原理研究[J]．中國電機工程學報，2003，23（7）∶51-56.

[13]吳青軍，黃駕駕，劉東紅.零序過流保護在單相接地故障選線中的應用[J].浙江電力，2016，35（5）∶47-49.