摘要：針對(duì)目前小電流接地系統(tǒng)的接地檢測(cè)的難點(diǎn)，提出了一種有效的接地故障保護(hù)方法，使其和開關(guān)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，達(dá)到有效、可*的檢測(cè)接地故障的目的。并介紹了智能型接地保護(hù)開關(guān)的使用場(chǎng)合、功能及使用方法
0 概述
在我國(guó)6～66 kV電力系統(tǒng)中普遍采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于不能構(gòu)成短路回路，接地故障電流往往很小，但系統(tǒng)線電壓的對(duì)稱性并不遭到破壞，系統(tǒng)還可繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，規(guī)程規(guī)定一般為不超過2h。近年來(lái)隨著電力傳輸容量增大、距離延長(zhǎng)、電纜線路的使用量逐步增加，發(fā)生單相接地故障時(shí)接地電流越來(lái)越大，造成接地電容電流在故障點(diǎn)形成的電弧不能自行熄滅，同時(shí)間歇電弧產(chǎn)生的過電壓往往又使事故擴(kuò)大，逐步發(fā)展成為短路事故，顯著降低了電力系統(tǒng)的運(yùn)行可*性。為防止系統(tǒng)事故擴(kuò)大，在接地運(yùn)行的這段時(shí)間里必須設(shè)法排除故障或者將故障隔離，這就提出了對(duì)單相接地故障進(jìn)行有效的檢測(cè)和保護(hù)的課題。
然而小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地以后，由于故障信號(hào)不易檢測(cè)，使得迅速、準(zhǔn)確地指示接地回路有一定的難度，小電流系統(tǒng)單相接地保護(hù)一直是繼電保護(hù)領(lǐng)域未徹底解決的一個(gè)難題。目前的難題主要有：①缺少準(zhǔn)確獲取接地故障信號(hào)（Vo、Io、相位差）傳感元件（零序互感器）；②干擾信號(hào)對(duì)故障信號(hào)的影響；③科學(xué)的判定原理和可*的判斷設(shè)備（繼電保護(hù)裝置）。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)接地故障檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在變電站用的小電流接地選線裝置上，而對(duì)單相接地故障進(jìn)行通過開關(guān)裝置進(jìn)行可*的保護(hù)幾乎處在空白階段（不少?gòu)S家正在著手做這方面的工作）。這在很大程度上也制約了配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的使用和開展。
1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的特點(diǎn)
1.1 零序電壓信號(hào)比較明顯且較穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)容易知道故障的存在，但不知道故障發(fā)生在那條線路及具體位置，無(wú)法進(jìn)行有效的保護(hù)。
1.2 零序電流信號(hào)太小。小電流系統(tǒng)單相接地時(shí)產(chǎn)生的零序電流是系統(tǒng)電容電流，其大小與系統(tǒng)規(guī)模大小和線路類型等因素有關(guān)，數(shù)值甚小，特別是經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，其數(shù)值更小，接地電流甚至達(dá)到0.2A左右。由于零序電流信號(hào)太小，使用一般的零序電流互感器（或?yàn)V序器）難以準(zhǔn)確的檢出，無(wú)法作為繼電保護(hù)的有效判據(jù)。
1.3 信號(hào)干擾大、信噪比小。
1.4 隨機(jī)因素影響的不確定。我國(guó)配電網(wǎng)一般都是小電流系統(tǒng)，其運(yùn)行方式改變頻繁，造成變電站出線的長(zhǎng)度和數(shù)量頻繁改變，其電容電流和諧波電流也頻繁改變；此外，母線電壓水平的高低，負(fù)荷電流的大小總在不斷地變化；故障點(diǎn)的接地電阻不確定等等。這些都造成了零序故障電容電流和零序諧波電流的不穩(wěn)定。
1.5 電容電流波形的不穩(wěn)定。小電流系統(tǒng)的單相接地故障，常常是間歇性的不穩(wěn)定弧光接地，因而電容電流波形不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的諧波電流大小隨時(shí)在變化。
2 目前我國(guó)對(duì)小電流接地故障檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)對(duì)接地故障檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中在變電站用的小電流接地選線裝置上，主要目的是在發(fā)生接地故障時(shí)能知道那條線路上出現(xiàn)故障。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，眾多大專院校、研究院、生產(chǎn)廠家都致力于這一產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)，提出了不少新思路與新方法，提出了多種選線原理，并研制基于這些選線原理的多種產(chǎn)品，已經(jīng)歷了幾次技術(shù)更新?lián)Q代，其選線的準(zhǔn)確性也在不斷提高。但工程實(shí)際中仍存在誤判率較高的問題，且硬件的可*性較低，從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行反饋回來(lái)的信息來(lái)看，用戶對(duì)這種產(chǎn)品頗有微詞, 許多用戶有一種不用麻煩，用了也麻煩的感覺，故現(xiàn)場(chǎng)好多情況都是選檢設(shè)備閑置退出而采用手動(dòng)拉閘試驗(yàn)的原始方法查找接地，自動(dòng)選線技術(shù)在90年代末期陷入低谷，據(jù)稱很多地區(qū)選線裝置退出率達(dá)到90%以上。
基于小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)具有的特點(diǎn)，目前，小電流接地信號(hào)裝置的設(shè)計(jì)判據(jù)及選線方法主要有以下幾種：①反映零序電壓的大小；②反映工頻電容電流的大小；③反映工頻電容電流的方向；④反映零序功率方向；⑤反映接地時(shí)5次諧波分量；⑥反映接地故障電流暫態(tài)分量首半波；⑦群體比幅比相法；⑧信號(hào)注入法。
目前接地選線裝置選線誤判原因分析
a)由于各種干擾的影響。特別是當(dāng)系統(tǒng)較小或是加裝自動(dòng)調(diào)諧的消弧線圈后，電容電流數(shù)值較小，接地點(diǎn)電弧電阻不穩(wěn)定時(shí)，零序電流(或諧波電流)數(shù)值很小，可能被干擾淹沒，從而造成誤判。
b)零序電流信號(hào)檢出精度太低。零序電流信號(hào)檢測(cè)一般使用零序電流互感器或零序?yàn)V序器（三相電流互感器合成），目前使用的零序電流互感器或零序?yàn)V序器，帶上規(guī)定的二次負(fù)荷后，變比誤差達(dá)20％以上，當(dāng)一次零序電流小于1 A時(shí)二次側(cè)基本無(wú)電流輸出，無(wú)法保證接地檢測(cè)的準(zhǔn)確度。使得利用零序電流大小與方向、零序電流中5次諧波電流大小與方向和零序有功、無(wú)功功率原理的接地檢測(cè)裝置和微機(jī)保護(hù)無(wú)法保證接地檢測(cè)的準(zhǔn)確度。特別是有些使用的零序?yàn)V序器的線性測(cè)量范圍超出了實(shí)際可能的接地電容電流，無(wú)法保障檢測(cè)精度，是造成現(xiàn)場(chǎng)誤判的主要原因。
3 一種接地檢測(cè)技術(shù)及其在開關(guān)上的應(yīng)用
通過上面的分析我們可以看出，小電流的接地檢測(cè)和保護(hù)技術(shù)的有效實(shí)施可以采用以下兩種方式：
①?gòu)脑砩现郑镁C合判據(jù)，對(duì)接地故障時(shí)的特征信號(hào)綜合分析，達(dá)到正確判斷的目的。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)檢測(cè)元件的要求不是太高；缺點(diǎn)是對(duì)檢測(cè)裝置的硬件、軟件要求高，成本高。
②從提高檢測(cè)元件（特別是零序電流檢測(cè)元件）的精度著手，通過準(zhǔn)確的檢出零序電壓、零序電流信號(hào)進(jìn)行判斷。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、且可*。但對(duì)檢測(cè)元件的精度要求高。
目前世界各國(guó)對(duì)小電流接地檢測(cè)裝置研究的出發(fā)點(diǎn)不盡相同，日本基本上沿著第二種方法的思路開展的，并且取得了較大的成功。
平高安川開關(guān)電器有限公司公司是河南平高電氣股份有限公司和日本株式會(huì)社安川電機(jī)共同出資成立的合資公司。鑒于目前國(guó)內(nèi)對(duì)小電流接地故障檢測(cè)和保護(hù)現(xiàn)狀，平高安川公司引進(jìn)安川相關(guān)成熟技術(shù)，開發(fā)出了智能型接地保護(hù)開關(guān)。該開關(guān)的基本原理是根據(jù)零序電流、零序電壓的大小及其相位角的關(guān)系，進(jìn)行綜合判斷，實(shí)現(xiàn)正確、可*的對(duì)接地故障的檢測(cè)和保護(hù)。將零序電壓傳感器和零序電流傳感器等內(nèi)置到開關(guān)中，有效地解決了零序電壓和零序電流檢測(cè)元件在安裝不便，壽命短、接線復(fù)雜、干擾大等缺陷。
4 智能型接地保護(hù)開關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)
4.1開關(guān)本體的外觀
圖1 開關(guān)的外觀
4.2 開關(guān)的技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)
4.2.1開關(guān)的基本技術(shù)參數(shù)
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序號(hào) |
項(xiàng)目 |
數(shù)值 |
備注 |
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1 |
額定電壓 |
12 kV |
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2 |
額定電流 |
630 A |
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3 |
工頻耐壓 |
4248 kV |
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4 |
沖擊耐壓 |
75/85 kV |
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5 |
短時(shí)耐受電流 |
20 kA |
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6 |
機(jī)械壽命 |
20000次 |
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7 |
電氣壽命 |
1000次 |
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8 |
開斷短路電流 |
4 kA |
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9 |
ZCT
特性 |
變比 |
2000/1 |
用于檢測(cè)零序電流 |
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誤差（0.2A-30A） |
±3% |
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殘留特性 |
6mV以下 |
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10 |
ZCT
特性 |
變比 |
5800/1 |
用于檢測(cè)零序電壓 |
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誤差 |
±5% |
4.2.2 智能型皆地保護(hù)開關(guān)的特點(diǎn)
1) 開關(guān)是SF6開關(guān)，采用全密封結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單可*、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。開關(guān)在其設(shè)計(jì)壽命期30年內(nèi)免維護(hù)。
2) 外殼采用SUS304海軍軍用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板，水壓膨脹成形、采用機(jī)器人等離子溶接技術(shù)，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。其圓筒外形，具有抗壓強(qiáng)度高、內(nèi)部電場(chǎng)均勻等優(yōu)點(diǎn)。不銹鋼外殼及外表面數(shù)次噴涂聚氨脂樹脂漆，使產(chǎn)品具有非常好的耐腐蝕性能。
3) 高品質(zhì)的瓷套具有優(yōu)越的絕緣性、耐候性和機(jī)械強(qiáng)度，外加絕緣護(hù)套，保證絕緣性良好，防污等級(jí)達(dá)到IV級(jí)
4) 斷口間開距大（27mm以上），在0表壓下也可耐受額定電壓和工頻電壓，并能正常開斷額定電流。
5) 負(fù)荷開關(guān)SF6年泄漏率小于0.1％。操作機(jī)構(gòu)防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，完全防塵防浸水，確保操作機(jī)構(gòu)使用壽命內(nèi)不發(fā)生銹蝕等故障，真正做到免維護(hù)。
6) 開關(guān)設(shè)有防爆裝置，當(dāng)內(nèi)部的氣體壓力異常升高時(shí)，能防止殼體的破壞，防止容器內(nèi)物體向外飛散，安全性高。
7) 開關(guān)設(shè)有SF6氣體壓力閉鎖裝置，當(dāng)壓力下降到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)鎖定裝置，閉鎖開關(guān)的操作，并通過指示裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
8) 零序電流傳感器(ZCT)和零序電壓傳感器(ZPD) 內(nèi)置在開關(guān)中，不受外界環(huán)境的影響，使用壽命長(zhǎng)。二次輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，檢出精度高，一次電流在0.2A時(shí)仍有很高的檢出精度。
9) 零序電流傳感器(ZCT)檢出精度受外界溫度的變化影響很小。在-40℃-+40℃范圍內(nèi)，檢出精度不變，適宜于在戶外產(chǎn)品上使用。
10) 殘留特性小。對(duì)于一次側(cè)三相平衡時(shí)可以保證小的殘留特性，即使三相不平衡時(shí)，殘留電流的仍然很小；即使在過電流區(qū)域，殘留電流也非常小的、且很穩(wěn)定。因此，沒有接地電流的誤檢測(cè)
11) 同系列的產(chǎn)品在日本多地震、沿海氣候環(huán)境下具有30年10萬(wàn)臺(tái)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。故障率在每1萬(wàn)臺(tái)·年不超過1臺(tái)。
5 智能型接地保護(hù)開關(guān)的應(yīng)用
該開關(guān)可以用在變電站出口處、高壓用戶入口處（或者分支線路上）；也可以用在配電線路的干線上，和各種FTU配合組成電流型或者電壓型配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。
5.1 用在變電站出口處
在變電站10kV饋線出口處裝設(shè)智能型接地保護(hù)開關(guān)，可以起到變電站接地選線的作用。
當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，智能型接地檢測(cè)負(fù)荷開關(guān)通過對(duì)零序電壓、零序電流及相位差的分析，對(duì)故障線路作出判斷，啟動(dòng)保護(hù)回路，對(duì)故障線路的負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行分閘，并通過GPRS發(fā)出報(bào)警信號(hào)。非故障線路保持正常運(yùn)行。也可以僅發(fā)出報(bào)警信號(hào)（不使開關(guān)跳閘），主控室可以根據(jù)情況對(duì)發(fā)生故障的饋線進(jìn)行人工分閘。這樣可以避免發(fā)生接地故障時(shí)，采用手動(dòng)拉閘試驗(yàn)的方式，縮短故障查找時(shí)間。避免了由于接地故障引起的事故擴(kuò)大。
5.2 用在高壓用戶接入口或者分支線上
在高壓用戶的入口或者支線分支口處，裝上智能型接地保護(hù)檢測(cè)開關(guān)。可以有效的避免由于高壓用戶（或者支線上）的故障，波及到干線，使停電范圍擴(kuò)大。同時(shí)能夠更好的進(jìn)行管理。
當(dāng)高壓用戶或者分支線路上出現(xiàn)過載情況時(shí)，智能型接地保護(hù)負(fù)荷開關(guān)根據(jù)CT的信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)電流超過一定值時(shí)，開關(guān)自動(dòng)分閘。當(dāng)電流值超過4000A時(shí)，使開關(guān)閉鎖分閘操作。
當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，智能型接地檢測(cè)負(fù)荷開關(guān)通過對(duì)零序電壓、零序電流及相位差的判斷，當(dāng)電源側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，開關(guān)不動(dòng)作。當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生故障時(shí)，負(fù)荷開關(guān)控制器啟動(dòng)保護(hù)回路，對(duì)負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行分閘，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
當(dāng)出現(xiàn)上述兩種故障，開關(guān)分閘后，開關(guān)通過GPRS可以向相關(guān)部門發(fā)出開關(guān)動(dòng)作信息。
5.3 作為分段開關(guān)用在配電線路上
智能型接地保護(hù)開關(guān)用在配電線路上作為分段開關(guān)使用時(shí)，可以和FTU配合組成各種形式配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，即可以組成“電流型”配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，又可以組成“電壓－時(shí)間型”配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障或者接地故障時(shí)，可以自動(dòng)的隔離故障，并能對(duì)非故障區(qū)域自動(dòng)恢復(fù)供電。對(duì)于故障區(qū)域通過變電站內(nèi)設(shè)置的故障表示裝置，迅速知道故障區(qū)域，縮短查線時(shí)間，減少停電面積。
使用內(nèi)置接地檢測(cè)傳感器的負(fù)荷開關(guān)組成各種配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)后，可以有效地克服當(dāng)前配網(wǎng)自動(dòng)化處理接地故障的難題，為配網(wǎng)自動(dòng)化的有效實(shí)施打下基礎(chǔ)。
京公網(wǎng)安備11011102000836號(hào)
