林诗奋
中国电建集团海南电力设计研究院有限公司 海南 海口 570203
摘 要：在电力系统当中，做好接地保护，有助于电力系统的顺利运行，对于供电安全有重要意义。对于现有小电阻接地系统接地保护选择性差、灵敏度低且高阻接地故障检测能力不足等问题，本文研究分析了小电阻接地系统单相接地故障后零序电流特征，利用上下级纵向配合，提出基于零序过电流的多级接地保护和延时低定值高灵敏度接地保护，给出保护配置方案和各级保护整定原则。利用线路出口和中性线零序电流幅值横向比较，提出高阻接地故障选线方法。希望以此保证接地安全，防治接地故障，使电力系统安全稳定地运行。
关键词：小电阻接地系统；接地保护；零序电流；高阻接地；综合保护
引言：
目前，电力系统的安全与生产建设及人们生活紧密相连。如果接地系统出现了接地故障问题，对于电力系统运行就会存在着影响，需要及时找出故障原因，并找到解决的措施，以便保证电力系统的稳定运行。为解决单相接地故障的快速切除问题，上海、北京、广州、深圳等城市中压配电网先后将不接地或经消弧线圈接地方式改为小电阻接地方式。针对小电阻接地配电网单相接地故障，部分地区出于整定维护方便。只采用二级零序过电流保护。但是会出现保护配置不完善、动作的选择性较差、易造成停电范围扩大、影响供电可靠性等问题。目前，现场常用的零序电流保护，其整定值躲过区外线路发生金属性接地故障时流过区内线路的对地电容电流，定值较高，１０ｋＶ系统的零序电流整定值一般为４０Ａ，耐受过渡电阻不超过１３５Ω。而实际架空线路或电缆、架空混合线路中单相接地故障常伴随树障、导线坠地等情况，其中高阻故障比例占接地故障总数的５％~１０％，并且故障电流可能小于零序过流保护整定值，保护拒动，易造成火灾、设备损坏及人畜伤亡等。
1接地故障相关概述
1.1故障判定
当小电流接地系统发生接地后，后台监控机将发出“XX千伏XX段母线接地”告警信号，同时相应母线电压显示故障相相电压降低或为零，非故障相相电压升高，大于相电压或等于线电压。运行值班人员根据上述告警信号及母线电压情况，基本可以判定配网发生接地故障。
1.2接地范围划分
电压互感器（TV）发生熔断器熔断、谐振情况，与接地故障极为相似，如果运行人员不能正确识别，容易错误判断为接地进行处理。小电流接地系统运行中，为准确、迅速查找接地故障点，指导后续处置思路，运行人员需要对接地故障点进行范围划分，以掌握接地故障发生在哪里。一般情况下，可以划分为3个区域：主变低压线圈至10kV母线相连的设备、母线及其附属设备、线路。
1.3接地故障处理原则与要求
（1）发生单相接地故障后，应优先考虑对小电流接地选线装置选出的线路进行拉路检查。（2）应尽快采取措施缩小故障查找范围（如两台主变并列运行则先断开分段断路器）。（3）发生单相接地故障后，下级调度应在规定时间内自行查清电网内是否存在接地故障并及时将故障隔离。（4）对于客户临时有保供电要求的，值班调度员可以变更拉路顺序。（5）应优先对跳过闸的线路进行拉路检查，同时参考以下检查顺序：空载线路、线路较长支线较多容易发生接地的线路、公用线路、重要用户、由于特殊情况已申请保供电线路。（6）经拉路检查无接地故障的线路，可直接恢复送电（需联系用户，在拉路前沟通清楚）；经查为接地的线路应立即隔离；接地线路未查清原因或未隔离不得送电。（7）发生单相接地故障后，各级人员应积极紧密配合，尽快隔离故障。
2单相接地故障零序电流特征分析
本质上看，故障特征的出现是因为线路对地容抗远大于中性点接地电阻。小电阻接地系统发生单相接地故障后，零序电流回路主要从故障点开始，经变电站母线到中性点接地电阻，最后流回大地，称为零序主回路。其他零序回路经健全线路或健全分支对地电容形成。零序主回路中的电流幅值是其他健全线路或健全分支出口零序电流的２０倍以上。系统正常运行三相负荷不平衡时，各线路和中性线中也存在零序电流，但幅值差异不明显。小电阻接地系统正常运行时，因线路对地参数不对称等产生不平衡电流，而发生单相接地故障后，线路中将出现较明显的零序电流[1]。利用对称分量法分析故障点零序电流。考虑线路对地电容容抗远大于线路阻抗和中性点接地电阻值，为分析计算简便，忽略线路对地电容影响，系统单相接地故障复合序网如图1所示。ZS１和ZS０分别为变电站中压母线前系统的等值正序和零序阻抗；ＺＬ１和ＺＬ０为故障点到母线的线路正序和零序阻抗；Ｒｇ为过渡电阻；Ｒｎ为中性点接地电阻；ＵＮ为系统额定相电压；ｃ是电压系数(一般取1.05)。10ｋＶ的小电阻接地网为满足人身安全对接触电压和跨步电压的限制，中性点接地电阻值为10Ω。配电线路单位正序阻抗取(0.27＋ｊ0.08)Ω/ｋｍ，单位零序阻抗取(2.7＋ｊ0.348)Ω/ｋｍ。主变压器空载电压为10.5ｋＶ，忽略接地变压器电抗。线路首端金属性接地时，故障点零序电流为600Ａ。随着过渡电阻增大，零序电流迅速减小，且受故障距离的影响很小。过渡电阻高达1200Ω以上时，零序电流几乎不受故障距离与线路阻抗的影响，此时零序电流不足５Ａ。
图1 零序电流随故障距离和过渡电阻变化曲线
3小电阻接地系统接地故障综合保护方案
3.1高灵敏度接地保护
对于10ｋＶ配电系统，线路出口零序电流保护整定值为30Ａ，按保护灵敏度为2进行计算，最大耐受过渡电阻约86Ω。架空配电线路发生高阻接地故障时，第2节中配置的多级接地保护(简称常规接地保护)拒动，不能可靠切除故障。降低定值可以提高保护灵敏度，但却无法保证选择性[2]。通过延长保护动作时限，可避免相邻线路或区段故障时本线路或区段保护误动作，提高保护动作的选择性。线路发生单相接地故障后，当故障电流小于保护整定值时，常规接地保护将拒动。此时，零序主回路中的电流最大不超过30Ａ，根据第１节分析结果判断，零序主回路之外其他位置的零序电流值均小于1.5Ａ。为避免健全线路或健全分支保护无选择性跳闸，可靠系数取１.３，则保护整定值需大于２Ａ。另外，要保证正常运行情况下保护不启动，则整定值需躲过系统正常运行时由三相负荷不平衡引起的零序电流。通常１０ｋＶ系统电缆和架空线路最大不平衡电流分别为０.２６Ａ和０.３７Ａ，同时考虑零序电流互感器的线性范围与测量误差，启动电流应至少达到零序互感器满量程(１０００Ａ)的０.５％。因此，高灵敏度接地保护整定值确定为５Ａ。故障发生后，高灵敏度接地保护启动，为避免健全线路或健全分支误动，动作时限应大于常规接地保护最长动作时限，且按照上下级时间级差配合，保证保护的选择性。
3.2高阻接地故障选线
根据第１节分析可知，过渡电阻达１２００Ω以上时零序电流低于５Ａ，高灵敏度接地保护将拒动。但此时，故障线路、健全线路和中性线零序电流幅值差异明显，可利用故障信息横向比较，判断故障线路或母线故障，延时跳闸切除故障。采集变电站各出线及中性线零序电流，任一电流大于最大不平衡电流(取0.5A)时，启动故障选线[3]。首先比较中性线和各出线零序电流幅值，若中性线零序电流幅值远远大于(２０倍以上)所有出线零序电流幅值，即可判定母线故障；若没有发生母线故障且其中一条出线的零序电流幅值远远大于(２０倍以上)其他出线零序电流时，判定该线路为故障线路。该选线方案启动值低，灵敏度高，三相负荷严重不平衡时，故障选线也不受影响。而在发生高阻接地故障时选线灵敏度却大大提高，不会拒动，也不会误判。
3.3多级接地保护方案
对于架空或电缆开环运行网络，接地保护按联络开关两侧的开环系统，依据上述原则分别配置。系统正常运行方式一旦改变，负荷转移联络开关合闸，则保护按新的开环网络重新配置。对于闭环运行网络，以解环线路为界将系统解列，两侧分别配置保护[4]。配电线路不同位置发生单相接地故障时零序电流变化不大，且接地电流较小，宜采用整定值小，灵敏度相对较高的零序电流Ⅲ段保护，依靠动作时限实现上下级保护的纵向配合。由于故障电流较小，对保护速动性要求不高，这为采用多级级差保护配合提供了条件。
3.3.1主干线路断路器保护
线路出口断路器配置零序电流Ⅲ段保护，其定值需躲过本线路的最大电容电流。根据第１节分析结果，配电线路的电容电流一般不超过22.8A，可靠系数取1.3，则采用零序电流互感器获取零序电流时，可将出口保护定值统一选为３０Ａ。由于变压器励磁涌流的衰减常数为0.1~0.2s，因此，除了线路末端的配电变压器保护，其他保护从时间上已经躲过了励磁涌流的影响，无需再考虑。中间分段断路器配置零序电流Ⅲ段保护，其定值需躲过下游线路最大电容电流，可统一选为15Ａ。出口保护的动作时限既要与分段断路器和下级分支线路相配合，也要与上级变电站变压器配合，因此时限不能过长或过短[4]。另外，考虑多级级差保护方案不对电气设备的热稳定造成影响，出口断路器动作时限一般选为2-4s。考虑断路器开关的机械动作时间、熄弧时间等，保护时间级差选为0.3s。分段断路器保护动作时限按比出口保护小一个时间级差，比下级分支线保护大一个时间级差来整定。
3.3.2分支线保护
分支线保护定值需躲过分支线路下游的最大电容电流。分支线路供电半径按５ｋｍ计算，如果采用零序电流互感器，整定值可统一选为１０Ａ。保护动作时限按比下级分界保护或配电变压器接地保护大一个时间级差，比相邻上级主干线保护时限小一个时间级差来整定[5]。
3.3.3分界保护
分界保护的整定值与分支线保护相同，动作时限比其小一个时间级差。
3.3.4配电变压器保护
配电变压器采用负荷开关———熔断器组合电器时，熔断器额定电流按大于２倍的变压器额定电流来选择，负荷开关配置零序电流Ⅲ段保护，通过跳开负荷开关实现小电流故障的保护，而熔断器用于清除大电流故障[6]。保护动作时限比相邻上一级保护小一个时间级差。动作时限若超过１ｓ，则从时间上已经能够躲过励磁涌流的影响并且可以和变压器二次侧速断保护配合起来，因此，按躲过最大不平衡电流整定，其定值为变压器额定电流的１０％。
结语：
综上所述，本研究提出小电阻接地系统接地故障综合保护方案。采用配置完善的多级零序过电流保护方案，快速有选择性地切除故障电流较大的接地故障，不会越级跳闸扩大停电范围；采用延时低定值高灵敏性接地保护，有选择性地切除故障电流较小的接地故障；针对过渡电阻高达1200Ω及以上的高阻接地故障，利用各线路出口和中性线零序电流幅值横向比较正确选出故障线路，延时切除故障。该保护方案弥补了传统保护选择性差、灵敏度低和高阻接地检测能力不足的问题，对于提高供电可靠性和保障设备及公共安全具有重要的意义。
参考文献：
[1]杨帆,刘鑫星,沈煜,薛永端,周志强,徐丙垠.基于零序电流投影系数的小电阻接地系统高阻接地故障保护[J].电网技术,2020,44(03):1128-1133.
[2]林志超,刘鑫星,王英民,薛永端,孙迪飞,王超.基于零序电流比较的小电阻接地系统接地故障保护[J].电力系统保护与控制,2018,46(22):15-21.
[3]汪洋,薛永端,徐丙垠,李天友.小电阻接地系统接地故障反时限零序过电流保护[J].电力系统自动化,2018,42(20):150-159.
[4]杨伟涛,曾德辉,汪隆君,王钢,吴争荣,于力.逆变型分布式电源接入对小电阻接地系统馈线零序电流保护的影响[J].电力自动化设备,2018,38(09):162-168.
[5]喻磊,郭晓斌,韩博文,雷金勇,田兵,白浩,李海锋,王钢.小电阻接地系统馈线自适应零序电流保护原理及装置实现[J].电力自动化设备,2017,37(11):125-131+137.
[6]薛永端,刘珊,王艳松,徐丙垠.基于零序电压比率制动的小电阻接地系统接地保护[J].电力系统自动化,2016,40(16):112-117.