基于接地选线和零序电流保护的小电流接地系统接地故障解决方案.docx

基于接地选线和零序电流保护的小电流接地系统接地故障解决方案目 录1背景22研究方向23小电流接地选线系统的理论研究33.1零序电流电压法33.2基于信号注入法选线装置的工作原理43.3选线原理对比分析53.4主流系统对比分析53.5装置优缺点对比分析83.6实践效果分析94基于零序电流保护的电缆线路接地故障解决方案94.1 零序电流保护配置原则94.2零序电流保护配置实施方案104.3 零序电流保护配置注意事项121背景目前油田电网的10kV中压系统采用变压器中性点接地或经消弧线圈接地（中性点非直接接地）。中性点非有效接地系统的优点在于，发生单相接地故障时，系统能带故障运行，但非接地相相电压升高，长时间运行会破坏绝缘导致故障扩大。本文基于冀东油田运行现状，就快速找到并准确隔离小电流接地系统接地故障点开展了长期的研究和实践，提出了基于接地选线和零序电流保护的小电流接地系统接地故障解决方案。2研究方向目前冀东油田电网主要分为陆上地区和南堡地区两个部分。陆上地区主要以架空线路为主，南堡地区10kV线路为纯电缆线路。非直接接地供电系统单项接地时，接地电流为电网的对地容性电流，对于非电缆线路电网，容性电流较小（10A以下），通常可以带接地故障运行数小时（一般为2小时），以便及时查找故障点和消除故障，保障电网连续供电，提高供电可靠性。所以在非直接接地供电系统中的非电缆线路（架空线路）一般不配置线路零序跳闸保护。可靠的解决方案为快速进行单相接地故障选线，并定位接地点，为故障巡线提供指导，以最快的速度隔离或带电消除故障点，尽最大努力防止设备损坏和事故扩大。架空线路电容电流计算公式： I C = U L 350 （U ：为线电压/kV ； L :架空线路长度/km ） 对于负荷密集、线路较长的纯电缆线路，接地容流较架空线路明显增大（数十安培），发生单项接地时电弧不易自行熄灭，如果系统继续带接地故障运行，不仅会进一步破坏电缆绝缘引起短路故障，还会引起电网电压波动，造成大规模甩负荷或损坏用电设备。为南堡地区纯电缆线路配置零序电流保护并作用于跳闸，成为了解决单项接地故障的首选方案。10kV 三芯电缆零序电流估算计算公式：I C = I 0N L单芯电缆电容电流按三芯电缆的 2 倍计算 （I0N :不同截面三芯电缆每千米电容电流/ A ； L :电缆线路长度/km） 3小电流接地选线系统的理论研究小电流接地选线装置按选线原理大体可分为零序电流电压法和外加信号法。3.1零序电流电压法1）基于零序电流基波的选线方法单相接地短路时，过流故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地电容电流之和，即故障线路上零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值大小比较就可以找出故障线路。2）基于谐波分量的选线方法当小电流接地电网中发生单相接地故障时。高次谐波电流便随之产生。从过渡电阻的非线性可知故障点本身就是一个谐波源，且以基波和奇次谐波为主，根据谐波在整个系统内的分布和保护的要求，使用五次谐波分量为宜。在谐振接地网络中消弧线圈的补偿度是依据基波系统制定的。对于5次谐波系统，感抗增大为原值的5倍，容抗值减小为原来的1/5，两者不再能相互补偿。此时的网络可以看成个欠补偿的系统或近似等效为一个不接地系统。在理论上，故障线路中的5次谐波零序电流应当最大，且滞后5次谐波零序电压900；非故障线路中的5次谐波零序电流最小。且超前5次谐波零序电压900，依此可以进行对故障线路的选择。3）基于首半波原理的选线方法首半波原理足基于接地故障发生在相电压接近最大值的瞬间这假设而提出来的。当相电压接近最大值时，若发生接地故障，则故障相电容通过故障线路向故障点放电，故障线路电感和分布电容使电流具有衰减振荡的特性。对于中性点经消弧线圈接地系统，由于暂态电感电流的最大值应在接地故障发生相电压经过零值的瞬间，而接地故障发生在相电压接近最大值瞬间时，消弧线圈中的暂态电感电流接近于零。其过渡过程与中性点不接地系统相同。在这种故障情况下的电流首半波中，暂态电流的最大值远大于稳急电流；而零序电流的相位，故障线路与非故障线路存在1800的相差。因此，可以利用故障后暂态电流首半波的方法来判断故障线路。4）基于负序电流的选线方法当补偿电网中发生单相接地故障时，接地故障电流中含有的基波电流，可分解为正序、负序和零序分量，其中的基波负序电流分量具有以下特征：基波负序电流分量与负荷电流无关；故障线路基波负序电流分量的有效值，与所有非故障线路者相比，不仅数值最大，而且比后者高出许多；故障线路与非故障线路的负序电流分量的相位相反。根据此理论分析而开发出的负序电流接地保护装置，适用于中性点谐振接地和不接地电网。5）基于小波分析的选线方法小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取出故障特征。根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号。小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于作故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。3.2基于信号注入法选线装置的工作原理基于信号注入法选线装置的工作原理见图3.3。线路发生接地故障后，通过电压互感器二次侧向系统注入信号，该信号感应到一次侧，并通过接地点、分布电容等形成回路。选择注入信号的频率，以躲过工频及各次谐波的干扰，并保证大部分注入信号沿故障线路的接地相流动并经故障点入地。通过信号探测器检测各出线故障相中的注入信号电流强度，即可选出故障线路。3.3选线原理对比分析总结现有的零序电流电压为特征的常规选线方法，无论是基于几波还是谐波分量，究其根本都需要比较电压电流等电气量的幅值或者相位。但在小电流接地系统中（尤其是经消弧线圈接地）中，存在着电气量的准确获取和定值整定的困难，我国现有的选线装置在理论上多采用零序电流高次（以五次为主）谐波原理来实现故障选线，首半波法，有功分量法及其他选线手段都有应用，但是，由于装置要使用的谐波分量在信号中所占比例较小，难以分离和提取，及负荷的谐波干扰，使基于谐波原理的装置在实际运行中出现误判，首半波原理的前提假设是发生故障时线电压在最大值附近，但实际运行中，故障的线电压有可能出现在零附近，这使该方法的应用受到很大的限制。基于信号注入法选线原理，因其采用了特定频率的信号，躲过了工频及各次谐波的干扰，并且可采用高灵敏度无线传感器接受注入信号电流，其较窄的通频可以保证检测出所需的信号，克服了传统选线方法的缺点。但当弧光接地或者高阻接地时信号注入困难，无法利用比较各出线故障相注入信号强度大小的方法进行选线。3.4主流系统对比分析3.4.1 TLXJ-2微机小电流接地选线定位装置1）装置组成TLXJ-2微机小电流接地选线装置主要由主机、信号检测器及故障定位器三部分组成，如图3.1所示：图3.1TLXJ-2小电流接地选线装置系统组成图主机为该装置的控制部分，油单片机组成。一方面负责通信、键盘、液晶显示器等人机接口工作；另一方面负责实时监控各段母线A、B、C三相电压及零序电压，根据零序电压和各相电压的特征判断各条母线或出线有无接地，并将特殊信号注入到接地线路的故障相；同时通过串行通信接口，向系统内的各信号检测器发送检测命令，轮询检测结果，根据各信号检测器发回的数据，分析判断出现接地故障的线路。信号检测器由单片机系统组成，为该装置的信号接收及处理部分，主要由信号传感器和信号处理两部分组成。信号传感器将电磁信号转换成电压信号，并由信号处理线路经A/D转换成数字信号，单片机对该信号进行频谱分析，将结果通过RS485接口送到主机，由主机根据各信号检测器发回的信号进行综合处理，最后确定接地线路。 在主机已判断出某条出线有接地故障后，将主机设置在巡线状态，此时线路查找人员可借助故障定位器，准确地找出故障线路的接地点，如遇到分支线路，在离开分支点10m处对两个分支线分别进行测量，信号电流为零的是非接地分支线路，有信号电流的为接地分支线路，沿接地分支继续进行测量，直接找到接地点的确切位置；为提高检测速度可采用二分法进行定位。3）装置原理当系统发生单相接地故障时，主机通过检测零序电压及A、B、C三相电压确定接地线路所在母线及接地相别，然后在接地线路对应母线的PT二次侧外加一种特殊信号（如图3.2），该信号由母线沿接地线路接地相流动并经接地点入地，如图3.3虚线所示为A相接地时外加信号在系统中流动情况。根据电磁感应理论该电流在线路周围产生电磁场，信号检测器接收该特殊信号产生的电磁波，将接收到的电磁波信号转换成电压信号，并经A/D转换成数字信号，通过RS-485总线送到主机，主机根据各信号检测器发回的检测信号判定接地线路。当判定接地线路后，故障查找人员用故障定位器沿接地线路查找，就可以找到接地点的准确位置。图3.2激励信号示意图图3.3TLXJ小电流接地选线装置工作原理示意图3.4.2 TLX99微机消谐小电流接地选线综合装置1）装置组成该装置的硬件结构如图3.4所示：该装置硬件采用双CPU结构，一个CPU为数字信号处理器（DSP），主要负责数据采集、数据处理；另一个CPU为高性能单片机，主要负责数据通信、键盘、液晶显示等人机接口工作。3）选线原理该装置在选线原理上采用了基于零序电流电压法的综合选线方法，采用测度理论和证据理论，引入可信度和加权系数两个指标，对每一种选线方法在不同运行方式和故障下选线结果的可信度做量化评估，根据可信度确定加权系数，最后确定选线结果。该装置综合利用的选线方法有小波法、基波群体比幅比相法、首半波选线法、能量函数法、电流增量法、谐波法。值得说明的是，以上这些方法均是基于零序电流电压的测量而衍生出来的，是将多种计算方法的融合，各方法的具体技术原理在此不再赘述。3.4.3 TY-06微机小电流接地选线装置1）装置结构TY-06微机小电流接地选线装置的结构分为主机、分布式采集单元、手持式选线定位仪三大部分。2）技术原理TY-06型微机小电流接地选线装置基于改进“S注入法”、稳态向量法和暂态法的选线原理，构成各种选线可信度在线最优跟踪的自适应综合判据。改进的S注入法：其基本原理是当发生单相接地故障时，主机通过电压互感器TV二次侧向接地相注入一种特殊的信号电流，该电流耦合到TV的一次侧，将沿接地线路的接地相流动并经接地点流入大地，与大地形成回路，如图3.4所示。该电流经零序电流互感器二次侧接入主机，再经滤波、放大、A/D转换，最终判断接地故障线路。可通过手持定位探测器对信号电流进行寻踪，最终确定接地故障点。原理图见图3.4。图3.4 S注入法原理示意图稳态向量法：在中性点非直接接地系统中发生单相接地故障，其稳态基波、谐波零序电流有如下特点：故障线路零序电流大于非故障线路零序电流；故障线路零序电流滞后零序电压900，非故障线路零序电流超前零序电压900。由此可构成基于稳态零序电流向量的稳态法选线原理。该方法属于零序电流电压法的一个分支，面临着电气量幅值偏小的缺陷。暂态法基本原理：在小电流接地系统发生单相接地时，存在一个明显的暂态过程，在电气量中含有大量的高频分量和直流分量，其电流量通常较大，通过检测暂态分量弥补稳态法电气幅值偏小的缺陷。3.5 装置优缺点对比分析项目装置基本理论优点缺点TLXJ-2外加信号法（不加装零序电流互感器）只反映信号电流，克服了传统方法对零序电流的依赖，消除了各种谐波的干扰。弧光接地和经高阻接地可能发生外加信号难以注入的问题。TLX-99零序电流电压法的综合应用（加装零序电流互感器）采用传统零序电流电压法的综合选线方法，发展时间较为长久，有较多运行经验。各种干扰的消除是其不可避免的问题，对零序电流互感器的性能依赖程度很高。TY-06外加信号法和零序电流电压法的综合应用（加装零序电流互感器）取长补短，克服了两种方法中的弊端。两种方法的配合是难点。3.6 实践效果分析冀东油田电网于2014年，分别在110kV陆上变电站、35kV高尚堡变电站等5个变电站安装了TY-06小电流接地系统，两年来对系统内的5次接地故障进行了自动选线操作，成功率100%，准确率100%。故障接地点查找时间平均减4小时。彻底淘汰了以往依靠电网倒闸操作，分段隔离判断故障线路的老办法。4基于零序电流保护的电缆线路接地故障解决方案冀东油田电网南堡地区10kV配电网络以电缆线路为主，由于油田建设初期电缆网络结构单一且线路较短，继电保护配置以相间电流保护为主，没有采用零序电流保护配置方案。南堡地区的核心生产负荷为电动抽油机，同时挂载大量市电钻井设备等大容量、高冲击负荷。电动抽油机普遍设置低电压保护，当电网以两相或三项短路的方式引起相电流保护跳闸往往会引起系统电压大幅度降低，造成同一变电站母线系统中的大量抽油机停产。近年来南堡地区电缆网络的组建扩大，系统接地容流逐渐增大，并且随着电缆运行年限的增加，电缆接地故障频率和风险也逐年加大。常规的相间电流保护方式已经满足不了油田对电网可靠性的需求，研究适合南堡地区的零序电流保护方案被提上了日程。4.1 零序电流保护配置原则作用于跳闸的零序跳闸保护主要应用于环网柜、开闭所出线等支线断路器，变电站出线保护装置零序电流保护一般不作用于跳闸，主要利用电气量进行接地故障判断和选线（有小电流接地选线装置的变电站退出选线功能）。其计算原则为：当电网发生接地故障时，零序电流保护能够判断是区域内发生接地故障还是区域外发生接地故障，并经一定延时（一般为1分钟）后切除故障线路，不误动作。整定计算公式如下：Ie1.5I0ZMAX;Ie：零序电流保护整定一次值。I0MIN：装置所在母线电容电流最小值。I0ZMAX：装置安装线路电容电流值。4.2 零序电流保护配置实施方案南堡地区环网柜、开闭所主要采用ABB环网柜，配置的保护装置有SPAJ140C（ABB）、WIC1（WOODWARD）、DF3000系列（东方电子）。不同的保护装置型号其改造方式不同：1）WIC1（WOODWARD）该装置使用与之配套的专用CT，分为WIC1-W2、WIC1-W3等共计6个型号，零序电流分量可通过软件计算的方式合成，3I0=IU+IV+IW。通过该种方式获取零序电流可以避免零序功率方向错误和消除开口三角二次线断开后不易检查等隐患。不用补装零序CT。2）SPAJ140C（ABB）、DF3000系列SPAJ140C（ABB）、DF3000系列继电保护装置不能通过3项电流合成零序电流分量，必须通过电缆线路穿芯零序CT获取零序电流。由于各环网柜、开闭所投产初期没有安装零序CT，需加装。为了方便施工，可选取LXK-100系列开口式零序CT(10P10),如果柜内有空间，在柜内进行安装，当柜内没有空间时，可在电缆沟中安装支架。为了确保发生接地故障时零序保护正确动作，零序CT安装还应注意接地线安装位置，当引出点在零序TA上方时，接地线必须向下穿过互感器接地，见图4.1。当引出点在零序TA下方时。接地线不要穿过互感器，而是直接接地，见图4.2。 图4.1 零序CT安装图示 图4.2零序CT安