一、單相接地保護(hù)選線的重要性?
在變電站(所)、開關(guān)站和發(fā)電廠中，66千伏、35千伏、10千伏、6千伏和3千伏配電線路，是電力系統(tǒng)的主要組成部分。在這些電壓等級(jí)的系統(tǒng)中，變壓器和發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)都采取了不接地或經(jīng)過消弧線圈、電阻接地的方式進(jìn)行輸配電。并且在同一電壓等級(jí)的母線上又有多條輸出或輸入配電線路相連接，大部分采用鋁(或銅)排架空引出或高壓電力電纜線引出;線路數(shù)量一般有五六條、十幾條或二三十條不等;每一條配電線路又有很多分支，按“輻射”狀架設(shè)，再與各配電連接，由配電變壓器降成“低壓”后供給廣大的用戶使用。在這類配電線路中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生相間短路、過電流(過負(fù)荷)和單相接地等故障現(xiàn)象。其中，單相接地的發(fā)生率最為頻繁，占系統(tǒng)總故障率的70%以上;短路故障也多為單相接地后演變成多相接地而形成的。
“單相接地”是指配電線路上的A、B、C三相中，任意一相導(dǎo)線發(fā)生斷線落地或接觸樹木、建筑物或電線桿、塔倒地與大地之間形成導(dǎo)電回路;以及大氣雷電或其它原因形成過電壓，致使配電設(shè)備的絕緣材料遭到破壞后，對(duì)地絕緣電阻明顯過低等現(xiàn)象。
由于系統(tǒng)中主變壓器的的中性點(diǎn)不接地或經(jīng)過消弧線圈、高電阻接地。當(dāng)在同一母線上有多條配電線路時(shí)，無論哪一條發(fā)生單相接地，都不能與主的繞組線圈直接構(gòu)成回路，線路中不會(huì)出現(xiàn)短路和過負(fù)荷等大電流現(xiàn)象。僅有線路與大地之間形成的電容電流發(fā)生變化，表現(xiàn)為每一條線路中會(huì)出現(xiàn)微弱的零序電流。此電流非常小，從幾毫安到幾百毫安或數(shù)安培不等，與線路的長(zhǎng)度成正比;通常條件下，每公里長(zhǎng)的架空線路約為15毫安左右。在電力行業(yè)內(nèi)把這種供電系統(tǒng)稱為：“小接地電流系統(tǒng)”或“小電流接地系統(tǒng)”。
在系統(tǒng)中，由于電壓互感器(PT)的一次繞組采用了Y0方式接線與系統(tǒng)的母線相連，當(dāng)任意一條線路發(fā)生單相接地時(shí)，在二次繞組的三角開口有零序電壓產(chǎn)生，可以設(shè)定零序過電壓報(bào)警;但不能選擇某一條線路。接地時(shí)由于非接地相線對(duì)地電壓上升可達(dá)相電壓的√3倍，當(dāng)系統(tǒng)再伴隨有鐵磁諧振產(chǎn)生時(shí)，就會(huì)使相電壓升高1—5倍，甚至更高，形成過電壓，加速了電力設(shè)備絕緣材料的老化，縮短了使用壽命，從而導(dǎo)致絕緣設(shè)備被擊穿，就會(huì)出現(xiàn)兩相或多相同時(shí)接地而發(fā)生短路事故，加大了電力設(shè)備的損壞程度。因此，在電力系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)發(fā)生電壓互感器、斷路器爆炸，配電變壓器燒毀，電力電纜和瓷瓶被擊穿等事故。已有的繼電保護(hù)或綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置中的“短路保護(hù)”、“過電流保護(hù)”和“零序電流”保護(hù)，都屬于大電流啟動(dòng)保護(hù)裝置;單相接地時(shí)的小電流不能驅(qū)動(dòng)這類保護(hù)裝置動(dòng)作，因此，不能動(dòng)作于高壓開關(guān)(斷路器)跳閘，故障線路和非故障線路也就不能被隔離。
為了避免事故的擴(kuò)大，需要及時(shí)地把故障線路與非故障線路進(jìn)行區(qū)分。在變電站(所)、開關(guān)站或發(fā)電廠中，若沒有安裝可靠的“單相接地保護(hù)選線裝置”，就需要人工逐次拉閘停電試查才能選擇故障線路，有時(shí)甚至要把與母線相連的所有配電線路拉閘停電，才能找出。這樣就會(huì)造成無故障線路供電的中斷，導(dǎo)致大面積停電;同時(shí)，也增加了高壓開關(guān)(斷路器)的動(dòng)作次數(shù)，縮短了使用壽命，降低了供電的可靠性和供電量。而在線路上要查找接地點(diǎn)，還需要把眾多的分支線路與主線路逐次斷開，再用絕緣電阻儀表測(cè)量各段或各分支對(duì)地的絕緣電阻值，由人工判斷故障點(diǎn)范圍。這一過程非常復(fù)雜，工作量很大;為了人身安全，需要設(shè)置多種安全措施，要耗費(fèi)大量的人力、物資和時(shí)間，增加了電力工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)人身還具有不安全的隱患。
綜合以上情況說明了：在中性點(diǎn)采用不接地或經(jīng)過消弧線圈、電阻接地方式供電的系統(tǒng)中，雖然能夠延長(zhǎng)單相接地時(shí)故障線路跳閘的時(shí)間;但是卻導(dǎo)致了其它多條非故障線路供電的中斷，造成了更大范圍的停電以及人民生命財(cái)產(chǎn)的安全隱患。
現(xiàn)在國(guó)家電監(jiān)會(huì)和電網(wǎng)公司等有關(guān)管理部門對(duì)供電可靠性的要求越來越高，要求農(nóng)村電網(wǎng)達(dá)到99.8﹪和城市電網(wǎng)達(dá)到99.9﹪以上才算合格;對(duì)每一條線路每年內(nèi)因故障而導(dǎo)致拉閘停電的次數(shù)和時(shí)間也有限制，在有些地區(qū)就規(guī)定了跳閘次數(shù)超過限定指標(biāo)，每次對(duì)相關(guān)管理單位或個(gè)人罰款200元。
在電力系統(tǒng)中“變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置”的應(yīng)用已經(jīng)很普及，使許多變電站都已經(jīng)是無人值班。由于“綜合自動(dòng)化”在小接地電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)選線方面的解決方案不夠完善;所以，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，還不能及時(shí)地把接地故障信息準(zhǔn)確地上報(bào)給調(diào)度監(jiān)控中心，耽誤了線路維護(hù)人員對(duì)線路故障點(diǎn)的查找和維修處理。曾經(jīng)在一些地區(qū)發(fā)生過多起因10KV高壓配電線路發(fā)生單相接地后未能及時(shí)斷電，導(dǎo)致了在接地點(diǎn)附近活動(dòng)的其他社會(huì)人員觸電死亡的重大事故發(fā)生。給供電部門造成了很大的麻煩和經(jīng)濟(jì)損失以及不良的社會(huì)影響。
因此，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB50062-92《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，在 “小接地電流系統(tǒng)”中，使用準(zhǔn)確可靠的單相接地保護(hù)選線裝置是提高發(fā)展供電系統(tǒng)自動(dòng)化水平的重要技術(shù)措施之一。
二、國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀
小接地電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)選線，是一個(gè)世界性的難題;一百多年來在電力生產(chǎn)過程中一直沒有徹底解決。國(guó)外在上世紀(jì)初期就有許多電力工程技術(shù)人員和高等院校對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行過大量的研究，認(rèn)識(shí)度不但深入，技術(shù)方案也越來越多，準(zhǔn)確率逐步在提高。其中，具有代表性的是德國(guó)電力工程師巴赫的“首半波”理論和俄羅斯的“無功功率方向”理論。根據(jù)這些理論開發(fā)出來的裝置在電力系統(tǒng)中進(jìn)行了使用，其選線的準(zhǔn)確率可以達(dá)到50%左右。我國(guó)從上世紀(jì)80年代起開始研制小電流接地系統(tǒng)單相接地自動(dòng)選線裝置。雖然起步晚，但是發(fā)展速度卻很快，目前已具有世界先進(jìn)水平。其中，北京電科院、南京電力自動(dòng)化研究所、許昌繼電器廠等單位，根據(jù)零序電流大小的原理，采用靈敏繼電器以及晶體管電子保護(hù)等技術(shù)，通過設(shè)定零序電流動(dòng)作值進(jìn)行保護(hù)選線，先后開發(fā)出了多種型號(hào)的裝置。經(jīng)過多年的使用其選線的準(zhǔn)確率已接近50%。后來，又采用“首半波”理論和晶體管電子技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出了幾種不同規(guī)格的選線裝置，在我國(guó)電力系統(tǒng)中進(jìn)行了推廣使用，使選線的準(zhǔn)確率比前者又有所提高，可達(dá)60%左右。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，由于單片機(jī)在我國(guó)得到了普及應(yīng)用。很多科技型企業(yè)開始把這種高科技的微電腦技術(shù)應(yīng)用于本領(lǐng)域;同時(shí)，根據(jù)華北電力學(xué)院許元恒教授提出的：“在中性點(diǎn)不接地(或經(jīng)消弧線圈接地)的供電系統(tǒng)中，故障線路零序諧波電流的方向與非故障線路零序諧波電流的方向相反” 的理論為依據(jù)。先后有多家科研院所和企業(yè)開發(fā)研制出了小電流接地選線裝置，尤其是華北電力學(xué)院畢業(yè)的一批學(xué)生，基于這個(gè)理論在河北保定、北京等地進(jìn)行了批量生產(chǎn)，并在電力系統(tǒng)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，使保護(hù)選線的準(zhǔn)確率平均達(dá)到了70%左右。與前者相比，可靠性雖然有了很大的提高;但是，仍然不能滿足電力系統(tǒng)的要求。
此后，山東工業(yè)大學(xué)的桑在中教授，通過研究提出了 “S注入法”理論。既：通過電壓互感器二次繞組向一次繞組反送電的方法，從低壓側(cè)向高壓母線中注入一個(gè)250Hz左右的交流電流信號(hào);再對(duì)每一條線路中該電流信號(hào)的大小進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)比，最后判斷選擇出故障線路。根據(jù)這一理論，以山東工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、成都科技公司為代表的幾家單位，先后開發(fā)出了相關(guān)系列產(chǎn)品。從表面現(xiàn)象看這種方法比較新穎、獨(dú)特。在國(guó)內(nèi)許多地方進(jìn)行了較大范圍的推廣試用。其中，在襄樊供電局的喬營(yíng)、順安、高新、油坊和錢營(yíng)等變電站以及棗陽開關(guān)站的10KV配電系統(tǒng)中，安裝了這種裝置，并運(yùn)行了3年多的時(shí)間。通過使用發(fā)現(xiàn)這類裝置也經(jīng)常出現(xiàn)誤選，變電站值班人員普遍反映不可靠;一但發(fā)生接地，無所適從;最后，只好關(guān)閉該裝置，仍然采用逐次拉閘的方法選擇故障線路?，F(xiàn)該裝置已退出運(yùn)行，并全部撤除。
“小波分析法”是近年來出現(xiàn)的針對(duì)小接地電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)選線的又一種新方案理論。它的原理是引用了電力系統(tǒng)已使用的“故障錄波器”的基本原理。通過采集記錄單相接地時(shí)各線路的高次諧波電流的波形，然后再由電腦軟件分析對(duì)比，找出電流波形與其它線路電流波形差別較大的線路，判定為故障線路。根據(jù)這種方法研制的裝置已在部分座變電站中進(jìn)行試用。但是效果仍不理想。選線的準(zhǔn)確率不到50%。還有待進(jìn)一步地試驗(yàn)和完善。
在變電站綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)裝置中，對(duì)于單相接地保護(hù)，大部分采用的原理還是早期的零序電流過電流設(shè)定原理。即：在線路保護(hù)裝置的單元中增設(shè)了零序電流過電流保護(hù);與短路保護(hù)和過流保護(hù)的原理一樣，靠設(shè)定電流的啟動(dòng)值進(jìn)行保護(hù)選線。這種方式，歷史早已經(jīng)證明是非常不可靠的。另有一部分綜合自動(dòng)化微機(jī)保護(hù)裝置中，雖然配備了獨(dú)立的小電流單相接地選線裝置，但是由于選線的可靠性差和元件不配套等多種原因，大部分沒有正常投入使用。還有部分綜合自動(dòng)化廠家，因裝置中接地選線部分不準(zhǔn)確，而擔(dān)心用戶對(duì)其成套裝置的質(zhì)量產(chǎn)生懷疑，只好選擇配置其他專業(yè)生產(chǎn)單相接地保護(hù)選線裝置廠家的產(chǎn)品。由于多種技術(shù)原因?qū)I(yè)廠家的選線裝置也不可靠，在使用過程中也經(jīng)常出現(xiàn)誤選。
三、已有技術(shù)可靠性差的原因分析
由于主變壓器二次側(cè)三相繞組的中性點(diǎn)不接地(或經(jīng)過消弧線圈、電阻接地)，當(dāng)線路中的任意一相接地時(shí)，沒有與變壓器的繞組構(gòu)成回路(或電阻很大)，就不能形成電流(或很小)，在故障線路和接地點(diǎn)就不會(huì)有大電流流過。僅有線路與大地之間所形成的電容電流，它與線路的長(zhǎng)度成正比，10KV的線路每公里約有15mA左右。
影響保護(hù)選線準(zhǔn)確性的關(guān)鍵原因就在于一個(gè)“小”。因?yàn)榻拥貢r(shí)的電流很小，從幾毫安到幾十毫安或幾百毫安，最大也只有幾安培，與供電線路中的幾百安培或數(shù)千安培的負(fù)荷電流相比，相差數(shù)千倍或數(shù)萬倍;線路中故障時(shí)的電流與非故障時(shí)的電流相比沒有明顯的區(qū)別;又因?yàn)楹芏嚯娏骰ジ衅鞯臏y(cè)量誤差所產(chǎn)生的不平衡電流遠(yuǎn)大于接地時(shí)的零序電流值，現(xiàn)有的繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化保護(hù)等設(shè)備，不能區(qū)分是故障接地電流還是負(fù)荷電流的波動(dòng)。另外，當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，不僅故障線路對(duì)地有電容電流，而非故障線路對(duì)地同時(shí)也有電容電流，這樣不僅要測(cè)量故障線路的電容電流，還要測(cè)量非故障線路的電容電流，并要進(jìn)行區(qū)分，難度更大。在一些大型樞紐變電站中，雖然配電線路較多，也比較長(zhǎng)，接地時(shí)能夠形成較大的電容電流;但是，接地電流較大時(shí)，又容易在故障點(diǎn)產(chǎn)生弧光，導(dǎo)致二相或三相線路發(fā)生短路事故。因此，國(guó)家有關(guān)部門明確規(guī)定：對(duì)于接地電流大于10A的系統(tǒng)，要裝設(shè)消弧線圈或電阻。以此來減少接地點(diǎn)的過度電流，避免產(chǎn)生弧光;這樣就使故障線路接地點(diǎn)的電流更小，故障特征更加的不明顯。又因電力系統(tǒng)是強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境，干擾信號(hào)很大，往往把接地信號(hào)給淹沒了;再加上接地時(shí)，系統(tǒng)會(huì)經(jīng)常發(fā)生鐵磁諧振，改變了故障線路與非故障線路零序電流的方向，采用“零序諧波電流的方向”判斷故障線路的理論被否定。
根據(jù)值班人員反映的情況，采用“S注入法”進(jìn)行保護(hù)選線的裝置，導(dǎo)致選線不準(zhǔn)確的主要原因是：1、裝置向高壓系統(tǒng)中所能“注入”的信號(hào)能量有限，電流太小，與電力系統(tǒng)的大電流相比顯得是微不足道的，實(shí)際上變電站的諧波干擾信號(hào)比它大的多;2、受供電系統(tǒng)的大小，線路的多少、長(zhǎng)短以及母線段運(yùn)行方式的變化等多種條件制約;3、受故障點(diǎn)接地電阻的影響;當(dāng)故障點(diǎn)為高電阻接地時(shí)，流過故障線路的信號(hào)電流就很微弱，其它非故障線路若較長(zhǎng)時(shí)，反而比故障線路的電流信號(hào)還要強(qiáng)許多倍;4、電能損耗很大，在使用過程中造成電壓互感器溫度升高發(fā)熱，電能表計(jì)量誤差和容易引起其它保護(hù)裝置誤動(dòng);這種頻率的電流在電力系統(tǒng)中是有害的，對(duì)電能的質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以，很多使用過該類型裝置的，現(xiàn)在都已經(jīng)放棄了，又在尋求新的方法。
由于多種原因，采用1-2種“理論”和方法作為裝置的工作原理和判斷方法，還不能保證保護(hù)選線的準(zhǔn)確性。目前，盡管國(guó)內(nèi)外已有很多企業(yè)和科研院所，開發(fā)生產(chǎn)了多種類似的保護(hù)選線裝置，但可靠性都不高。準(zhǔn)確率能夠達(dá)到90﹪以上的裝置為數(shù)還很少。還需要更多的企業(yè)和科技人員努力探索。
四、保護(hù)可靠選線準(zhǔn)確的成功案列
襄樊科能公司在湖北省電力局和襄樊供電局的大力支持下與我單位合作，不僅有了技術(shù)信息和試驗(yàn)設(shè)備;而且還得到了科研經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助。從上世紀(jì)80年代末組織了一批在電力系統(tǒng)長(zhǎng)期從事發(fā)、配電工作的工程技術(shù)人員，開展了近20年的研究工作，對(duì)國(guó)內(nèi)外這類裝置選線不可靠的原因，進(jìn)行了深入細(xì)致地分析，實(shí)地調(diào)查了很多變電站、開關(guān)站，掌握了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了各種理論在使用過程中存在的問題?？偨Y(jié)出了接地狀態(tài)時(shí)，電流、電壓和各種干擾信號(hào)的變化規(guī)律，根據(jù)“模糊理論”的原理，綜合采用了“首半波”、“無功功率方向”、“諧波電流的方向和大小”以及“小波分析”等多種原理和方法。通過采集接地狀態(tài)時(shí)多種數(shù)據(jù)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，運(yùn)用模糊理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用邏輯關(guān)系和模糊加權(quán)運(yùn)算方法以及自主開發(fā)的程序軟件;在硬件方面選用了從美國(guó)進(jìn)口的大規(guī)模集成電路和高速電腦工控機(jī);結(jié)構(gòu)上是分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多位處理器同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤，多種數(shù)據(jù)同步采集和運(yùn)算處理，快速得出判斷結(jié)果。
同時(shí)，該公司還研制成功了與單相接地保護(hù)裝置配套的具有高精度和高靈敏度的LXMZ-10型母線式零序電流互感器和電纜式零序電流互感器。從多方面保證了保護(hù)選線的可靠性。從1989年開發(fā)成功第一代選線裝置(原名稱：?jiǎn)蜗嘟拥靥剿鲀x、單相接地故障在線監(jiān)測(cè)儀)，于1993年通過了水利電力部低壓電器質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的檢驗(yàn)測(cè)試;并在華中網(wǎng)局和湖北省電力工業(yè)局的共同組織下召開了技術(shù)成果鑒定會(huì)，得到了與會(huì)三十多位專家、工程師的好評(píng)。該項(xiàng)目的主要技術(shù)人員現(xiàn)又對(duì)該裝置進(jìn)行了全面升級(jí)，功能更加強(qiáng)大，選線的可靠性得到了進(jìn)一步提高，從早期70-80﹪的選線準(zhǔn)確率，提高到現(xiàn)在的100﹪;既解決了中性點(diǎn)完全不接地系統(tǒng)保護(hù)選線的需要;又解決了中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或電阻接地系統(tǒng)的保護(hù)選線需要;還能夠滿足多段母線多種組合并列或分段運(yùn)行方式時(shí)，多條線路同時(shí)發(fā)生接地時(shí)的保護(hù)選線。當(dāng)接地時(shí)的過渡電阻較高或系統(tǒng)有諧振發(fā)生時(shí)，也能達(dá)到選線準(zhǔn)確無誤?，F(xiàn)已在二百多座變電站安裝使用了這種裝置，從用戶反饋的使用情況來看，效果很好，滿足了電力系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求，具有世界領(lǐng)先水平。因此，從根本上解決了小接地電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)選線可靠性差的世界性難題，為提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平作出了創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)。
（轉(zhuǎn)載）
