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1、小接地電流系統(tǒng)單相接地保護選線 調查分析報告 目錄： 一、單相接地保護選線的重要性 - 1 二、國內外在這一技術領域的現(xiàn)狀 - 3 三、已有技術可靠性差的原因分析 - 5 四、保證可靠性的成功方案 - 6 襄樊高新技術學會 2008-8-6 小接地電流系統(tǒng)單相接地保護裝置 調查分析報告 一 、單相接地保護選線的重要性？ 在電力變電站（開關站）中， 35千伏、10千伏和6千伏

2、供電系統(tǒng)，是電網(wǎng)的主要組成部分。在此系統(tǒng)中，主變壓器的中性點都不接地或經(jīng)過消弧線圈、電阻接地。其同一電壓等級的母線上又有多條輸電線路，大部分采用鋁（或銅）排架空引出；還有一部分采用高壓電纜引出；其數(shù)量一般有五六條、十幾條或二三十條不等；每一條輸電線路又有很多分支，按“輻射”狀架設，與眾多的配電變壓器相連接，由配電變壓器降成“低壓”后供給廣大的用戶使用。在此類輸電線路中，經(jīng)常會發(fā)生相間短路、過電流（超負荷）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而成多相接地所形成。“單相接地”是指線路的A、B、C三相中，任意一相導線發(fā)生斷線落

3、地、脫落或通過樹木、建筑物以及電氣設備的絕緣材料對地擊穿等，造成導線直接或間接與大地之間形成導電的現(xiàn)象。 由于系統(tǒng)中主變壓器的的中性點不接地或經(jīng)過消弧線圈、高電阻接地。無論其輸出配電線路有多少條，其中任意一條發(fā)生單相接地時，都不能與主變壓器的線圈繞組直接構成回路，線路中不會出現(xiàn)短路電流和過電流現(xiàn)象。由于線路與大地之間構成了電容器，所以在每一條線路中都會出現(xiàn)零序電容電流。此電流非常小，從幾毫安到幾百毫安或數(shù)安培不等，與線路的長度成正比；通常條件下，每公里長的架空線路約為15毫安左右。在電力行業(yè)內把這種供電系統(tǒng)稱為：“小接地電流系統(tǒng)”或“小電流接地系統(tǒng)”。 在此系統(tǒng)中，與母線相連的電壓互感器的

4、二次繞組的三角開口有零序電壓產生，僅能作用于報警。雖然，按《電力運行規(guī)程》的規(guī)定：在單相接地狀態(tài)下，允許運行2個小時。但是，當其它線路再次發(fā)生接地時，就會出現(xiàn)兩相同時接地而發(fā)生短路事故，容易造成電力設備損壞;由于非接地相線對地電壓上升可達相電壓的√3倍，當系統(tǒng)再伴隨有鐵磁諧振產生時，就會使相電壓升高1—5倍，甚至更高，形成過電壓，加速了電力設備絕緣材料的老化，縮短了使用壽命，從而導致絕緣設備被擊穿，就會出現(xiàn)兩相或多相同時接地而發(fā)生短路事故，加大了電力設備的損壞程度。因此，在電力系統(tǒng)中經(jīng)常會發(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。已有的繼電保護或綜合自動化保護裝置

5、中的“短路保護”、“過電流保護”和“零序電流”保護，都屬于大電流啟動保護裝置；單相接地時的小電流不能驅動這類保護裝置動作，因此，不能動作于高壓開關（斷路器）跳閘，故障線路和非故障線路也就不能被隔離。 為了避免事故的擴大，需要及時地把故障線路與非故障線路進行區(qū)分。在變電站（所）、開關站或發(fā)電廠中，若沒有安裝可靠的“單相接地保護選線裝置”，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。這樣就會造成無故障線路供電的中斷，導致大面積停電；同時，也增加了高壓開關（斷路器）的動作次數(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

6、，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量各段或各分支對地的絕緣電阻值，由人工判斷故障點范圍。這一過程非常復雜，工作量很大；為了人身安全，需要設置多種安全措施，要耗費大量的人力、物資和時間，增加了電力工人的勞動強度，同時對人身還具有不安全的隱患。 綜合以上情況說明了：在中性點采用不接地或經(jīng)過消弧線圈、電阻接地方式供電的系統(tǒng)中，雖然能夠延長單相接地時故障線路跳閘的時間；但是卻導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產的安全隱患。 現(xiàn)在國家電監(jiān)會和電網(wǎng)公司等有關管理部門對供電可靠性的要求越來越高，要求農村電網(wǎng)達到99.8﹪和城市電網(wǎng)達到99.9

7、﹪以上才算合格；對每一條線路每年內因故障而導致拉閘停電的次數(shù)和時間也有限制，在有些地區(qū)就規(guī)定了跳閘次數(shù)超過限定指標，每次對相關管理單位或個人罰款200元。 雖然在電力系統(tǒng)中“變電站綜合自動化保護裝置”的應用已經(jīng)很普及，使許多變電站都已經(jīng)是無人值班。由于“綜合自動化”在小接地電流系統(tǒng)單相接地保護選線方面的解決方案不夠完善；所以，當發(fā)生單相接地時，還不能及時地把接地故障信息準確地上報給調度監(jiān)控中心，耽誤了線路維護人員對線路故障點的查找和維修處理。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斷電，導致了在接地點附近活動的其他社會人員觸電死亡的重大事故發(fā)生。給供電部門造成了很

8、大的麻煩和經(jīng)濟損失以及不良的社會影響。因此，根據(jù)國家標準：GB50062-92《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規(guī)范》要求：在發(fā)電廠、變電站中的高壓配電線路保護裝置中應裝設單相接地保護選線裝置。 二、國內外在這一領域的技術現(xiàn)狀 小接地電流系統(tǒng)單相接地保護選線，是一個世界性的難題；一百多年來在電力生產過程中一直沒有徹底解決。國外在上世紀初期就有許多電力工程技術人員和高等院校對此項目進行過大量的研究，認識度不但深入，技術方案也越來越多，準確率逐步在提高。其中，具有代表性的是德國電力工程師巴赫的“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)中進行了使用，其選線

9、的準確率可以達到50％左右。我國從上世紀80年代起開始研制小電流接地系統(tǒng)單相接地自動選線裝置。雖然起步晚，但是發(fā)展速度卻很快，目前已具有世界先進水平。其中，北京電科院、南京電力自動化研究所、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等技術，通過設定零序電流動作值進行保護選線，先后開發(fā)出了多種型號的裝置。經(jīng)過多年的使用其選線的準確率已接近50％。后來，又采用“首半波”理論和晶體管電子技術相結合，生產出了幾種不同規(guī)格的選線裝置，在我國電力系統(tǒng)中進行了推廣使用，使選線的準確率比前者又有所提高，可達60％左右。進入20世紀90年代以后，由于單片機在我國得到了普及應用。

10、很多科技型企業(yè)開始把這種高科技的微電腦技術應用于本領域；同時，根據(jù)華北電力學院許元恒教授提出的：“在中性點不接地（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，尤其是華北電力學院畢業(yè)的一批學生，基于這個理論在河北保定、北京等地進行了批量生產，并在電力系統(tǒng)中進行了推廣應用，使保護選線的準確率平均達到了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

11、向一次繞組反送電的方法，從低壓側向高壓母線中注入一個250Hz左右的交流電流信號；再對每一條線路中該電流信號的大小進行檢測、對比，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、華中科技大學、成都科技公司為代表的幾家單位，先后開發(fā)出了相關系列產品。從表面現(xiàn)象看這種方法比較新穎、獨特。在國內許多地方進行了較大范圍的推廣試用。其中，在襄樊供電局的喬營、順安、高新、油坊和錢營等變電站以及棗陽開關站的10KV配電系統(tǒng)中，安裝了這種裝置，并運行了3年多的時間。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，只好關閉該裝置，仍然采用逐次拉閘的方法選擇故

12、障線路。現(xiàn)該裝置已退出運行，并全部撤除。根據(jù)值班人員反映的情況，這種裝置選線不準確的主要原因是：1、裝置向高壓系統(tǒng)中所能“注入”的信號能量有限，電流太小，與電力系統(tǒng)的大電流相比顯得微不足道，實際上變電站的諧波干擾信號比它大的多。2、受供電系統(tǒng)的大小、線路的多少、長短以及母線段運行方式的變化等多種條件的制約。3、受故障點接地電阻的影響，當故障點為高電阻接地時，流過故障線路的信號電流就很微弱，其它非故障線路若較長時，反而比故障線路的電流信號還要強許多倍。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，電能表計量誤差很容易引起其它保護裝置誤動，這種頻率的電流在電力系統(tǒng)中是有害的，對電能的質

13、量產生影響。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。 “小波分析法”是近年來出現(xiàn)的針對小接地電流系統(tǒng)單相接地保護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各線路的高次諧波電流的波形，然后再由電腦軟件分析對比，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變電站中進行試用。但是效果仍不理想。選線的準確率不到60%。還有待進一步地試驗和完善。 在變電站綜合自動化微機保護裝置中，對于單相接地保護，大部分采用的原理還是早期的零序電流過電流設定原理。即：在線路保護裝置

14、的單元中增設了零序電流過電流保護；與短路保護和過流保護的原理一樣，靠設定電流的啟動值進行保護選線。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化微機保護裝置中，雖然配備了獨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。還有部分綜合自動化廠家，因裝置中接地選線部分不準確，而擔心用戶對其成套裝置的質量產生懷疑，只好選擇配置其他專業(yè)生產單相接地保護選線裝置廠家的產品。由于多種技術原因專業(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、已有技術可靠性差的原因分析 由于主變壓器二次側三相繞組的中性點不接地（或經(jīng)過消弧線圈、電

15、阻接地），當線路中的任意一相接地時，沒有與變壓器的繞組構成回路（或電阻很大），就不能形成電流（或很?。?，在故障線路和接地點就不會有大電流流過。僅有線路與大地之間所形成的電容電流，它與線路的長度成正比，10KV的線路每公里約有15mA左右。 影響保護選線準確性的關鍵原因就在于一個“小”。因為接地時的電流很小，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)千安培的負荷電流相比，相差數(shù)千倍或數(shù)萬倍；線路中故障時的電流與非故障時的電流相比沒有明顯的區(qū)別；又因為很多電流互感器的測量誤差所產生的不平衡電流遠大于接地時的零序電流值，現(xiàn)有的繼電保護和綜合自動化保護等設備，不能區(qū)分

16、是故障接地電流還是負荷電流的波動。另外，當接地故障發(fā)生時，不僅故障線路對地有電容電流，而非故障線路對地同時也有電容電流，這樣不僅要測量故障線路的電容電流，還要測量非故障線路的電容電流，并要進行區(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，接地時能夠形成較大的電容電流；但是，接地電流較大時，又容易在故障點產生弧光，導致二相或三相線路發(fā)生短路事故。因此，國家有關部門明確規(guī)定：對于接地電流大于10A的系統(tǒng)，要裝設消弧線圈或電阻。以此來減少接地點的過度電流，避免產生弧光；這樣就使故障線路接地點的電流更小，故障特征更加的不明顯。又因電力系統(tǒng)是強電場和強磁場的環(huán)境，干擾信號很大，往往

17、把接地信號給淹沒了；再加上接地時，系統(tǒng)會經(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。 由于多種原因，采用一種“理論”或二種“理論”作為依據(jù)，采集一二信號數(shù)據(jù)作為區(qū)分故障線與非故障線路的依據(jù)是不充分的；不能保證保護選線的準確性。目前，盡管國內外已有很多企業(yè)和科研院所，開發(fā)生產了多種類似的保護選線裝置，但可靠性都不高，準確率能夠達到90﹪以上的單位寥寥無幾。 四、保證可靠性的成功方案 襄樊科能公司在湖北省電力公司和襄樊供電公司從科研資金、技術信息和試驗設備等方面的大力支持下，從上世紀80年代末組織了一批在電力系統(tǒng)長期從事發(fā)、

18、配電工作的工程技術人員，開展了近20年的研究工作，對國內外這類裝置選線不可靠的原因，進行了深入細致地分析，實地調查了很多變電站、開關站，掌握了大量的運行數(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出了接地狀態(tài)時，電流、電壓和各種干擾信號的變化規(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)時多種數(shù)據(jù)與運行經(jīng)驗相結合，運用模糊理論和計算機技術，采用邏輯關系和模糊加權運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進口的大規(guī)模集成電路和高速電腦工控機；結構上是分布式網(wǎng)絡結構，多位處理器同時工作

19、，實現(xiàn)了實時跟蹤，多種數(shù)據(jù)同步采集和運算處理，快速得出判斷結果。同時，還研制成功了與單相接地保護裝置配套的具有高精度和高靈敏度的LXMZ-10系列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選線的可靠性。從1989年開發(fā)成功第一代選線裝置（原名稱：單相接地探索儀、單相接地故障在線監(jiān)測儀），于1993年通過了水利電力部低壓電器質量檢驗測試中心的檢驗測試；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成果鑒定會，得到了與會三十多位專家、工程師的好評。該項目的主要技術人員現(xiàn)又對該裝置進行了全面升級，功能更加強大，選線的可靠性得到了進一步提高，從早期70-80﹪的選線準確率，提高到現(xiàn)在的98﹪以上；既解決了中性點完全不接地系統(tǒng)保護選線的需要；又解決了中性點經(jīng)消弧線圈或電阻接地系統(tǒng)的保護選線需要；還能夠滿足多段母線多種組合并列或分段運行方式時，多條線路同時發(fā)生接地時的保護選線。當接地時的過渡電阻較高或系統(tǒng)有諧振發(fā)生時，也能達到選線準確無誤?，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)對可靠性的要求，具有世界領先水平。因此，從根本上解決了小接地電流系統(tǒng)單相接地保護選線可靠性差的世界性難題，為提高電力系統(tǒng)的自動化水平作出了創(chuàng)新性的貢獻。 襄樊高新技術學會 2008-8-6 7