1、小电流选线装置综述一、 论文背景电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题,它与系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地装置等问题有密切的关系。电力系统常用的中性点接地方式主要有以下几种直接接地、经小电抗接地、经低阻接地、经高阻接地、经消弧线圈接地、不接地。前三种称为大电流接地系统,后三种称为小电流接地系统。配电网设备繁杂,用户众多,覆盖面广,地理情况变化多样,且受用户增容等外界条件以及城市建设等因素的影响,配电网中发生故障的几率相对较高。配电网故障中绝大部分是单相接地故障。由于小电流接地系统发生单相接地故障时不形成短路回路,只有系统分布电容引起
2、的很小的零序电流,三相线间电压依然对称,不影响系统正常工作。根据我国电力规程规定,小电流接地系统可以带单相接地故障继续运行一小时,这样能够提高供电的持续性和可靠性。但是,小电流接地系统发生单相接地故障时,非故障相对地电压升高,如果发生间歇性弧光接地时,能够引起弧光过电压,系统绝缘受到威胁,容易扩大为相间短路。因此必须尽快找到故障线路,尽快排除故障。为了查找故障线路,传统的方法是通过监测母线上的零序电压来判断是否发生单相接地故障,若发生接地故障,则采用人工逐条线路拉闸的方法判断哪条线路出现故障。当故障线路被断开时,接地故障指示将消失,这就可以确定故障线路。人工拉路的选线方法使正常线路也会瞬间停电
3、。所以对供电部门而言这种传统的人工选线方法浪费人力,降低了供电可靠性,影响了经济效益对用户而言这种方法增加了停电概率,造成不必要的经济损失。近些年，我国针对小电流接地系统发生单相接地故障的保护处理作了大量研究，并研制出了具有不同原理的选线装置，但各种装置的实际运行结果并不是很理想，故障选线的正确率极低。经过研究分析表明，导致选线装置运行效果不理想的原因主要有电网发生单相故障的信号微弱、故障信息复杂不定、选线装置采样能力弱且计算速度慢等。二、国内外选线装置研究现状不同国家因为其历史和条件有所差异，导致相应配电网的中性点接地方式也有所不同。即使在相同条件下，也存在不同接地方式共存的现象。国际上主要
4、采用以下几种接地方式：英国和美国以有效接地方式为主；德国以经消弧线圈接地方式为主；日本和俄罗斯多以非有效接地方式为主；法国由有效接地方式逐渐向经消弧线圈接地方式转变。 针对不同的小电流接地系统发生单相接地故障，国外均采取了相应的处理方式，并能够逐步实现发生故障时的准确选线。俄罗斯多以非有效接地方式为主，对保护算法和相关装置进行了充分研究，保护算法从最初的零序过电流保护算法，进一步发展到零序无功功率方向算法以及后来的群体比幅比相法。同时，以此为基础，研制出了几代选线设备并应用到煤炭和供电行业。在日本的配电网中，小电流接地系统主要采用中性点不接地方式，其单相接地主要利用零序电流的无功方向为选线依据
5、。为了适应变电站配电自动化的升级，日本研究了大量的有关方法，在分区段的接地点和获取零序电流的方法上取得了一定的成果，并且将神经网络应用在接地保护中。法国以前的配电网大多数采用大电流接地方式，接地故障保护采用零序过电流保护，为了适应城市建设加快的步伐，采用具有自动调谐功能的消弧线圈来补偿系统增大的电容电流。20 世纪末，法国电力公司开始改造中压配电网中性点的接地方式，用小电流接地方式代替大电流接地方式，并规定补偿后的电容电流在40A 以下，在此基础上保证对应的有功电流在 20A 以上，达到利用有功电流实现选线的目的。其选线原理主要包括零序导纳法、有功分量法、残余增量法等。为提高选线的准确性，并有
6、效的区分故障与非故障线路，最近几年提出了采用小波变换和 Prony 方法对故障暂态信号中的信息(幅值、相位、频率等)进行提取。 在美国，单相接地故障保护很少应用在小电流接地系统中，他们大多数采用增加对电网的投资以保证供电可靠性。近几年，美国电气和电子工程学会( IEEE )提出美国对小电流接地系统保护的研究应当加强。 自 1958 年以来，我国相关部门高度重视选线设备的研究，得出了多种选线判据并研制了相应的选线装置。选线判据主要有：零序功率方向判据、故障线路零序电流最大判据、谐波电流方向判据、首半波判据、能量法判据、“S注入法”判据、导纳法判据等。近年来，在提取故障信息方面提出了模式识别、模糊
7、推理和小波分析等方法，提高了故障信息的可靠性。1970 年以来，我国电力设备相关公司先后推出了很多产品，如邯山电力自动化研究的 02-LH 小电流接地选线装置，北京自动化控制设备厂的XJD 系列产品，许继电气股份有限公司的 ZD 系列产品，华北电力大学研制出的1-ML 型以及 MLA 型小电流接地选线装置。 20 世纪最后 10 年，华北电力大学杨以涵教授通过多年的理论研究，以非故障线路与故障线路电容电流的相位关系和数值大小为基础，研制了模拟电路类型的小电流选线装置。以控制技术为背景，使得以单片机为硬件平台的大量小电流选线装置得到了快速发展。但当时由于单片机在数据处理方面存在速度和容量的限制，
8、不能实现复杂的程序逻辑，而且选线理论未考虑复杂的现场接线，故选线装置准确率和灵敏度都不高。 近 20 年来，随着计算机技术的快速发展，出现了以硬件架构为基础的工控机选线装置。该类装置采用了多种选线技术，使得选线装置的准确率有所提高。但是由于工控机有很高的硬件故障率，使用寿命只有 2010 年，而且不同的生产厂家具有不同的选线算法，再加上不正确的现场接线，选线装置的准确率大多数都在 40%60%之间，因此不能满足现场操作人员对装置工作稳定运行和高选线准确率的要求。 2005 年之后，由于电子技术的进步，出现了一些先进的数学理论和功能强大的处理器，小电流接地选线装置在软件和硬件两方面有很大的改进。
9、在硬件方面，大量的选线装置采用微处理器为控制核心，由于其系统集成度高，成本低，这类型的小电流接地选线装置在国内市场上广泛应用，尤其是高速数字信号处理器(DSP)的出现，克服了单片机仅偏向于控制而不能处理复杂算法的缺点。利用微处理器在人机交互和控制方面的优势，并结合 DSP 处理复杂选线算法的特点，使得选线装置的可靠性和灵敏度得到了提高。 最近几年，大量的国外设备被引进，但是不同国家的电网中性点接地方式迥异，并且不同国家生产的电气设备具有不同的设计规范和使用标准。这些设备被投入使用之前，必须明确设备使用的环境，如配电网的接地方式、电网频率等。三、小电流选线装置介绍小电流选线全称小电流接地选线装置
10、，简称小电流。是一种电力行业使用的保护设备。该设备适用于3KV66KV中性点不接地或中性点经电阻、消弧线圈接地系统的单相接地选线，用于电力系统的变电站、发电厂、水电站及化工、采油、冶金、煤炭、铁路等大型厂矿企业的供电系统，能够指示出发生单相接地故障的线路。1、小电流选线装置选线方法（1）、基于（五次）谐波量的方法由于故障点电气设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，其中以五次谐波分量为主。由于消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时1/ 25 ,可以忽略其影响。因此，故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大且方向相反，据此现象可以选择故障线路,称为五次谐波法。缺点是五次谐波含量较小(小于
11、故障电流10 %) ，检测灵敏度低且受间歇性电弧现象影响。谐波平方和方法是将各线路3 、5 、7 等谐波分量的平方求和后进行幅值比较，幅值最大的线路选为故障线路。虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，但并不能从根本上解决问题。（2）、有功分量法零序电流有功分量是根据线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量，非故障线路和消弧线圈的有功电流方向相同且都经过故障点返回，因此，故障线路有功分量比非故障线路大且方向相反。根据这一特点，可选出故障线路。在设计具体的选线装置时，可利用零序电压与零序电流计算并比较各线路零序有功功率的大小与方向来确定故障线路。有功分量法的优点是不受
12、消弧线圈的影响，但由于故障电流中有功分量非常小并且受线路三相参数不平衡的影响，检测灵敏度低，可靠性得不到保障。为了提高灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联接地电阻的做法加大故障电流中有功分量。这样做带来的问题是使接地电流增大，加大对故障点绝缘的破坏，很可能导致事故扩大，且对电缆线路来说，这一问题更为突出。（3）、稳态零序电流比较法当中性点不接地系统发生单相接地故障时,留过故障元件的零序电流其数值等于全系统非故障元件的对地电容电流之和,即故障线路上的零序电流最大,且故障线路的零序电流方向与所有非故障线路零序电流方向相反。通过零序电流的幅值和相位的比较可以找出故障线路。局限性：、零序电流的测量
13、值受到电流互感器由于饱和而产生的不平衡电流的影响。、在中性点经消弧线圈接地系统中,故障相存在零序电流。在故障线路,该电流方向与非故障相回路的零序电流的流向相同,但却是感性的,它对故障点左侧线路上容性的零序电流有补偿作用。考虑到感性零序电流的补偿作用,故障线路首端测得的零序电流数值可能小于某条其他线路首端测得的零序电流数值。、会受到过渡电阻大小的影响。（4）、注入信号寻迹法注入信号寻迹法简称注入法，在发生接地故障后，通过三相电压互感器 (PT)的中性点向接地线路注入特定频率(225Hz)的电流信号，注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地，用信号探测器检测每一条线路，有注入信号流过的线路被选为故障
14、线路。该方法的优点是不受消弧线圈的影响，不要求装设零序电流互感器(CT)，并且用探测器沿故障线路探测还可以确定架空线路故障点的位置。2、选线误判原因分析小电流接地故障选线，又称小电流接地保护，选出带有接地故障的线路，给出指示信号。 小电流接地故障选线难，主要难在故障特征不显著，谐振接地系统选线难。小电流选线及时准确地判定接地回路是快速排除单相接地故障的基础，也是小电流选线的核心功能。但早期的选线装置常发生误选和漏选，效果不能令人满意。“选线准确率偏低”是长期困扰人们的难题。分析小电流系统单相接地时的运行状态，其不同于正常运行状态的信息主要有2点：故障线路流过的零序电流是全系统的电容电流减去自身
15、的电容电流，而非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路的电容电流。故障线路的零序电流是从线路流向母线，而非故障线路的零序电流是从母线流向线路，两者方向相反，或者说两者反相。从小电流系统单相接地时与正常运行时，状态信息的不同看，故障线路的判定似乎非常容易，然而事实并非如此，其原因主要有以下四点：（1）、电流信号太小小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模大小和线路类型(电缆或架空线)有关，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态(过补偿、欠补偿、完全补偿)不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同，对于有消弧线圈的小电流系统采用5
16、次谐波电流或零序电流有功功率方向检测，而5次谐波电流比零序电流又要小2050倍。（2）、干扰大、信噪比小小电流系统中的干扰主要包括2方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。（3）、随机因素影响的不确定我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了
17、零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。（4）、电容电流波形的不稳定小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。（6）、信号采集设备精度低工程上所采用的零序电流互感器精度太低。当原方零序电流在5A以下时，许多厂家生产的零序电流互感器，带上规定的二次负荷后，变比误差达20%以上，角误差达20以上，当一次零序电流小于1A时二次侧基本无电流输出，无法保证接地检测的准确度，且选线检测装置用的电流变换器线性性能差，目前变电站自动化系统的选线检测元件大多按保护级选择，保护级互感器在所测电流远小于额定电流值时，综合误差难以满足要求，两级电流变
18、换元件的总误差是造成现场误判的主要原因。工程实际中使用的零序滤序器的线性测量范围超出了实际可能的接地电容电流。零序电流互感器的工作条件属于套管型(或称母线型)电流互感器，这种电流互感器原方无绕组，而是将被测回路的导体(引线套管或汇流排)或电缆穿过它的内孔，作为原方绕组，因而仅有1匝。套管型电流互感器在其原方电流小于100A时已不能保证准确度，一般的电流互感器在制作时，额定电流400A以下多采用多匝式结构，这是因为电流互感器的误差决定于它的铁心所消耗的励磁安匝I0N1(磁势)占原方绕组总励磁安匝I1N1(磁势)的百分数，对于同一台铁心，在相同的原方电流下，原方绕组匝数越少，误差越大。套管型(或称
19、母线型)电流互感器原方绕组仅有1匝，原方电流里激磁电流占的比例较大，造成较大误差。而零序电流互感器实际应用在小电流接地系统中，其原方电流值均很小，正常运行时其原方基本无电流，出现接地故障时其原方电流(故障电流)也很小，一般在10A以下。如该系统接地故障电流大于10A时，规程规定要装设消弧线圈进行补偿，带有消弧线圈补偿时接地故障电流更小，一般小于25A(可小到0205A)。在这样小的原方电流下常规零序电流互感器的变比和相角误差均很大，所以一般各互感器生产厂家对零序电流互感器均不能给出变比，也无误差保证指标。从零序电流互感器的实际一、二次电流变化曲线(变比曲线)中可知：零序电流互感器的电流变比值随
20、一次电流值变化很大，而一次电流在小于1A时，已经不能再给出具体的二次电流输出值。经实际测量，在原方零序电流为5A以下时，各厂家生产的零序电流互感器，带上规定的二次负荷后，变比误差达20%80%，角误差达1050使得利用零序电流大小与方向、零序电流中5次谐波电流大小与方向和零序有功、无功功率原理的接地检测装置和微机保护无法保证接地检测的准确度。工程实际中使用的零序滤序器大多为三相保护用电流互感器的组合，即用三相保护电流合成零序电流，众所周知零序滤序器本身固有的不平衡输出使其准确性较低，而且一般保护用电流互感器在一次电流低于50%额定电流值时误差已不能保证3随着系统容量的增大考虑到电流互感器饱和的
21、原因，保护所使用的电流互感器的变比逐渐增大，额定一次电流值多大于等于600A，因此在接地电容电流小于10A的小电流接地系统使用零序滤序器，单相电容电流仅为保护用互感器一次额定电流的06%，互感器综合误差根本无法保证。目前典型的微机选检装置的电流变换器均按普通保护级选择，额定电流为5A或1A，其线性范围为01201N，而实际使用中的输入电流在几十毫安左右，远超出它的线性范围。以IN=5A为例，当系统取最大接地电容电流10A，零序电流互感器或零序滤序器取较小值60(300/5)时，二次侧的电流值为016A；当接地电容电流值为2A时，二次侧的电流值为003A；二次侧电流值均小于01IN(05A)，超
22、出电流变换器的测量线性范围。3、工程中采取的措施通过以上分析可知，测量环节的综合误差是目前各种微机选线装置误判的主要原因，工程应用中尽量使参数配合适当，减小测量环节的综合误差，有效提高小电流接地选线系统的选线准确率。工程中一般采取的有效措施包括：1)尽量选择准确度高的专用零序电流互感器，额定原方电流的选择应保证系统出现最大接地电容电流时能处在零序电流互感器的线性范围内(准确限值)，原方电流的线性测量范围应向下延伸到02A左右，用以适应经消弧线圈接地的小电流接地系统。2)零序滤序器应尽量使用变比较小的计量级(最好为S级)电流互感器组合而成，较小的变比可使电容电流的二次值较大，有利于检测装置的电流
23、变换器采集电流值，S级使电流互感器的测量精确线性范围更宽，有利于测量较小的电容电流。工程实践中不宜与计量系统合用同一电流互感器线圈。3)微机检测装置的电流变换器的线性测量范围应与互感器的二次输出值配套，工程实践计算经验表明：零序电流互感器的二次侧电流一般为mA级，电流变换器的线性测量范围应以mA级起步，例如：普通型保护零序最小检测电流为6mA。XC-LJK最小检测电流为5mA.德国西门子7SJ系列保护的高灵敏接地保护的零序最小检测电流为3mA.(小电流选线可检测的电流和零序互感器有直接关系，普通的零序互感器为毫安级，配合XC-WLH8等高精度零序，理论上可达微安级别)4)使用接线中尽量减小误差
24、和电磁干扰影响，二次电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层两端接地。在安装零序电流互感器时标有P1(或L1)端应朝向高压母线，零序电流互感器与母线之间不应有接地点，即高压电缆外皮的接地线应穿过互感器在线路侧接地，当电缆穿过零序电流互感器时，电缆头的接地线应通过零序电流互感器后接地，由电缆头至穿过零序电流互感器的一段电缆金属护层和接地线应对地绝缘。随着技术的进步，小电流接地选线系统的功能渐趋完善，只要选择原理与系统相适应的设备，在工程中尽量减少测量环节的综合误差，采取一定的抗干扰措施必将大大提高目前的接地选线准确性和可靠性。市场上的小电流选线按照选线方法分：暂态信号法、信号注入法、扰动法、行波法。行波技术最早应用在高压领域进行测距，由于线路长、线路单一，测距效果良好。行波法在配网进行选线，面临出线多、出线短、网架结构复杂问题，选线效果有待提高；扰动法需要跟消弧系统配合，通过改变中值电阻或调整线圈补偿度来改变零序信号大小来实现选线，对系统有冲击影响，选线效果比较可靠；信号注入法通过PT注入固定频率信号，通过检测信号流经回路来实现选线，该方法选线可靠性受PT容量影响，实施上相对复杂；暂态信号法是目前比较成熟可靠的选线方法，利用接地瞬时的暂态信号进行选线，暂态信号具有幅值大、不受消弧补偿影响的优点，选线可靠性很高。
