配電網(wǎng)故障選線方法與發(fā)電機(jī)保護(hù)的配合

劉冠中，馮 登，李 響，張哲維

（1.武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

配電網(wǎng)事故頻發(fā)，對(duì)供電穩(wěn)定性造成了較大影響。其中，單相接地故障約占總故障的70%以上[1]，故障發(fā)生后，可能會(huì)產(chǎn)生弧光接地，引發(fā)更大的事故。如何對(duì)故障線路準(zhǔn)確快速地識(shí)別，一直是我國(guó)需要解決的問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多企業(yè)將自己裝設(shè)的發(fā)電機(jī)直接連入系統(tǒng)，對(duì)故障選線產(chǎn)生了影響。目前，單相接地故障選線的技術(shù)大致分為基于穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量?jī)纱箢悺１疚膶?duì)目前基于穩(wěn)態(tài)量的選線方法進(jìn)行綜述，并分析直配發(fā)電機(jī)接入對(duì)選線效果的影響以及保護(hù)之間的配合問(wèn)題。

1 常見(jiàn)配電網(wǎng)故障接地辨識(shí)技術(shù)

1.1 零序電流幅值相位比較法

零序電流幅值相位比較法包括基于穩(wěn)態(tài)分量的方法和基于暫態(tài)分量的方法。穩(wěn)態(tài)法主要包括零序電流幅值比較法、零序電流相位比較法、零序電流比幅比相法[2]和諧波法等基于穩(wěn)態(tài)電流信號(hào)的方法。暫態(tài)法主要包括首半波法、行波法等。

基于穩(wěn)態(tài)選線的方法判據(jù)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中選線正確率較高。但是，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，零序穩(wěn)態(tài)電流較小。在采用消弧線圈接地的系統(tǒng)中，零序電流難以檢測(cè)，此方法不再適用。該方法受故障點(diǎn)位置、接地電阻等影響。

在采用消弧線圈接地的系統(tǒng)中，基于零序電流暫態(tài)分量選線的方法有較強(qiáng)的適用性。通過(guò)分辨故障線路和健全線路的暫態(tài)電流的幅值和極性，達(dá)到區(qū)分故障線路的效果。

1.2 主動(dòng)式判別方法

主動(dòng)式選線法通過(guò)外加信號(hào)進(jìn)行選擇。一般從PT二次側(cè)注入信號(hào)，信號(hào)頻率介于整倍的諧波頻率之間，避免工頻及諧波信號(hào)的干擾。目前，使用較多的是“S”注入法（注入220 Hz信號(hào)）[3]。該方法不受消弧線圈影響，不要求在線路上裝設(shè)零序電流互感器，但注入信號(hào)強(qiáng)度受電壓互感器容量限制。接地電阻較大時(shí)，故障線路和健全線路信號(hào)差異不明顯，不易檢測(cè)。

1.3 根據(jù)零序電流變化量的選線方法

通過(guò)對(duì)故障情況下零序電流的變量進(jìn)行選線的方法有殘流增量法[4]、小擾動(dòng)法、中電阻法等。通過(guò)改變消弧線圈失諧度改變前后零序電流變化量最大的線路，或選擇投切阻尼電阻后零序電流變化最大的線路為故障線路。

殘留增量法的電流變化量一般在10 A左右。小擾動(dòng)法電力電子動(dòng)作速度快的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間很短的殘流變化，一般為數(shù)個(gè)工頻周波，便于實(shí)現(xiàn)重復(fù)調(diào)整，可靠性比殘留增量法高。中電阻法和殘留增量法的優(yōu)勢(shì)是附加電流大，一般為40～50 A。

利用電流變化量的方法需要額外的設(shè)備，必須依賴自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈或電抗配合，殘流增量法、小擾動(dòng)法在高阻接地故障情況下效果較差。對(duì)于中電阻法利用的附加電流較大，影響故障點(diǎn)的熄弧，易形成安全隱患。

另外，能量函數(shù)法以及與智能算法相結(jié)合的選線算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等也有涉及。這些方法可以進(jìn)一步處理故障特征分量，但距離實(shí)際應(yīng)用還需一定的時(shí)間。

2 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障比例較高，占定子故障的70%～80%。定子繞組單相接地并不會(huì)引起很大的短路電流，不屬于嚴(yán)重的短路故障。但是，發(fā)電機(jī)定子單相接地會(huì)引起中性點(diǎn)電壓升高，危害中性點(diǎn)絕緣。因此，發(fā)生故障時(shí)需要發(fā)出警報(bào)，必要時(shí)跳閘切機(jī)。一般采用基波零序電壓保護(hù)和三次諧波電壓保護(hù)構(gòu)成發(fā)電機(jī)100%定子繞組單相接地保護(hù)[5]。

2.1 零序電壓保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地時(shí)，零序電壓隨著故障點(diǎn)α（中性點(diǎn)到故障點(diǎn)繞組占全部繞組的百分?jǐn)?shù)）的變化如圖1所示，Uop為定子接地保護(hù)的動(dòng)作電壓。

圖1 定子繞組單相接地時(shí)基波零序電壓與故障點(diǎn)位置的關(guān)系

一般發(fā)電機(jī)要經(jīng)過(guò)變壓器（組）連接到系統(tǒng)中。零序電壓保護(hù)常用于這種接線形式的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，相電壓中含有三次諧波，可能產(chǎn)生不平衡零序電壓，因此要有三次諧波濾除裝置。但是，該保護(hù)一般只能保護(hù)定子繞組的85%，在繞組接地故障點(diǎn)距離中性點(diǎn)較近時(shí)存在動(dòng)作死區(qū)，需要由其他原理保護(hù)（如三次諧波原理或疊加電源原理），從而共同構(gòu)成100%定子接地保護(hù)。

2.2 三次諧波電壓保護(hù)

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，也會(huì)有三次諧波電動(dòng)勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)端三次諧波電壓US3要小于中性點(diǎn)三次諧波電壓UN3。

定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，其三次諧波電動(dòng)勢(shì)分布等值電路圖如圖2所示[6]。

圖2 故障發(fā)生時(shí)三次諧波電動(dòng)勢(shì)分布示意圖

中性點(diǎn)三次諧波電壓和機(jī)端三次諧波電壓滿足關(guān)系：

因此，可利用三次諧波構(gòu)成保護(hù)。

如圖3所示，保護(hù)的動(dòng)作條件為US3＞UN3，正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

圖3 機(jī)端、中性點(diǎn)三次諧波電壓US3與UN3隨故障點(diǎn)位置的變化

3 發(fā)電機(jī)保護(hù)與線路保護(hù)的配合

3.1 線路故障對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)的影響

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障會(huì)產(chǎn)生零序電壓。發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)同樣使用零序電壓作為判據(jù)，這種情況下線路故障可能引起發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作。一般線路保護(hù)的整定時(shí)限為1～2 h，發(fā)電機(jī)保護(hù)整定時(shí)限為15～30 min。于是，在線路保護(hù)動(dòng)作前，發(fā)電機(jī)保護(hù)就會(huì)動(dòng)作，造成切機(jī)。

一般情況下，發(fā)電機(jī)機(jī)端的三次諧波電壓小于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)三次諧波電壓。若發(fā)電機(jī)直接連接在母線上，電網(wǎng)中的諧波就會(huì)疊加在機(jī)端。在發(fā)生單相接地故障等情況下，諧波含量增大，可能造成發(fā)電機(jī)機(jī)端三次諧波電壓升高，使得發(fā)電機(jī)定子保護(hù)誤動(dòng)作。

3.2 發(fā)電機(jī)定子接地故障對(duì)線路保護(hù)的影響

（1）若系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地形式，發(fā)電機(jī)定子發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)零序電壓。此時(shí)，若采用零序電流比幅比相法或諧波法對(duì)饋線進(jìn)行選線，饋線的零序電流極性相同，判斷為母線故障，切除母線則擴(kuò)大了停電范圍。同時(shí)，若接地點(diǎn)離中性點(diǎn)較近，零序電壓較小，采用諧波法、有功分量法獲得的檢測(cè)量都會(huì)較小，難以檢測(cè)。

（2）若發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障，采用殘留增量法時(shí)，調(diào)節(jié)消弧線圈數(shù)值，發(fā)電機(jī)所在線路的零序電流并不會(huì)有明顯變化，影響了選線效果。零序有功分量法存在類似問(wèn)題。調(diào)節(jié)降壓變二次側(cè)的消弧線圈時(shí)，發(fā)電機(jī)的零序電流有較大變化，可以判別故障。

信號(hào)注入法幾乎不受系統(tǒng)接地形式和直配發(fā)電機(jī)接入的影響，適用情況見(jiàn)表1。

表1 含直配發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中性點(diǎn)采用不同接地方式時(shí)各選線方法的適用性

3.3 保護(hù)整定的配合

為了使發(fā)電機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)能夠有效配合，保證保護(hù)的選擇性，需要重新整定線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)限。在進(jìn)行選線時(shí)，以零序電流比幅比相法為例，可以先對(duì)其他線路進(jìn)行判斷，在排除線路故障后，再判斷是否為發(fā)電機(jī)故障。這應(yīng)使得線路保護(hù)動(dòng)作時(shí)限小于發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，這樣其他線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，能夠在達(dá)到發(fā)電機(jī)定子保護(hù)動(dòng)作時(shí)限前切除故障，防止發(fā)電機(jī)定子保護(hù)誤動(dòng)作。

4 結(jié) 論

配電網(wǎng)常用的接地故障選線方法，在直配發(fā)電機(jī)接入后可能出現(xiàn)選線不準(zhǔn)確的情況。為了提高選線準(zhǔn)確性，減少保護(hù)誤動(dòng)作，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)接地形式選擇選線方法，重新整定保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)與線路保護(hù)的配合。