王克1 李栋杰2
1、西部机场集团有限公司 陕西 西安 710075
2、中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司 陕西 西安 710000
摘 要：由于机场的特点，电缆入地线路大量使用，电网线路逐步发展成为混联电网，随着电缆的老化，远远达不到中性点非有效接地运行2小时的目标。电缆的固体绝缘不易恢复，发生单相接地故障后，随着故障点的反复重燃，极易将单相接地故障扩展为两相接地短路，从而造成更大的事故。而且出线数量多，单相接地后，无法正确选出故障线路，极大的增加了运维人员的难度。单相接地故障后消除弧光过电压，熄灭电弧，快速选出故障线路并跳闸，采用大数据分析并调度成为难点，本文将从故障的快速判断、快速隔离、迅速选线阐述机场供电系统的单相接地故障的解决方案。
关键词：快速断路器，快速判断技术、快速灭弧、选线技术
电缆系统发生单相接地后，流过接地点的稳态电弧电流就是系统对地电容电流。与架空线路相比，同样长度电缆线路的电容电流是架空线路的25-50倍[1]，电弧对故障点释放的热量要比同样规模的架空电网增加625～2500倍。
另一方面，发生接地故障后，流过接地故障点的还有高频电流。由于绝缘老化导致的对地绝缘击穿基本都是在相电压峰值附近发生的，已经充电到相电压峰值的故障相对地电容就会向故障点放电，就会产生一个高频的放电电流。同时，电缆电网接地电弧中的高频电流的幅值比架空电网增加至少十几倍甚至数十倍，而且高频电流的作用时间也大大延长。
综合考虑稳态电容电流、高频电流及其作用时间的影响，系统发生单相弧光接地时，电弧对故障点释放的热量要比同样规模的架空电网提高数千倍，相间绝缘很快遭到破坏。
大量的事故数据表明，交联电缆线路投运3～5年绝缘事故就有所抬头，运行5～8年事故率明显上升，运行8～10年事故率就居高不下[2]。
因此电缆线路一旦发生单相接地故障，少则几个周波，多则十几分钟就会造成相间绝缘的破坏，最后发生电缆“放炮”的跳闸事故。
机场系统单段系统容流达100A，系统容流大。当馈线电缆击穿后，绝缘不能恢复，如采用消弧线圈则其残流和高频电流使电弧持续燃烧，故障逐渐扩大。电缆电网中的稳态电流、高频电流提高、高频电流作用时间延长都导致接地电弧释放热量的增加，以及高频电流增大带来的弧光接地过电压提高，使得故障发展大大加快，发生单相接地故障，远远满足不了维持运行2小时的要求，往往是来不及选出故障线路、来不及完成转移负荷的倒闸操作，就发生了被迫跳闸事故，并由此导致重要生产设备的停运。由于消弧线圈不能补偿高频电流，甚至可能导致弧光接地过电压的幅值大大提高，消弧线圈对于电缆电网的补偿并不适用[3]。
单相接地时，利用2点快速算法启动和基于最小二乘法的矩阵算法判别故障相，在故障相母线设置瞬间人工金属性接地，因变电站接地电阻远小于故障点接地电阻，故障电容电流瞬间由故障点转移到变电站接地点，从而使得故障点电弧熄灭，同时抑制故障点熄弧后的恢复电压，抑制电弧重燃，限制弧光接地过电压，控制故障的进一步发展，同时利用快速涡流驱动接地开关接地前后，只有故障线路的零序电流变化最大的原理，快速选出故障线路。
1快速算法原理
1.1快速选相原理
应用瞬态算法，在2ms左右对电压和电流的突变做出及时响应。利用2ms的采样数据通过最小二乘法建模，精准的提取正弦量的幅值、相角以及过零点，在含有非周期分量的复合指数衰减的正弦波识别方面获得重大突破。
通常的继电保护装置以实际短路电流有效值I大于设定值Izd作为动作条件，即：
(1)
但这需要先采集20ms（或10ms）的数据算出均方根，再与设定值比较，需要20～40ms才能发出动作指令。显然，考常规的微机综保来控制快速开关是不合适的。
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图1：短路故障快速识别方法示意图
将有效值为的电流绘制在i-t平面坐标系中，再把最大方式下的短路电流画在同一个坐标系内，如图1所示。以控制器必需的最短运算时间与最大方式下最大短路电流曲线交点处的纵坐标作为电流瞬时值整定值，再以与曲线交点处（即横坐标为）的曲线斜率作为电流变化率整定值，并与电流瞬时值一起构成快速判据，如式（2）所示。
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通过数学方法，不难证明式的快速判据与的有效值判据的等价性，基于快速选相原理电流快速识别技术开发的快速控制器可以在2ms左右发出动作指令。
通过下列矩阵算法验证幅值的准确性:
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其中为转化因子
为了保证计算的准确性，防止偏差，数据采集器经过多次采样，DSP实时计算三相电压和零序电压的幅值，并且采用10点滑窗算法，计算出10点之内平均值，当零序电压大于设定的阈值时，迅速判断故障相，在3ms之内将快速涡流驱动开关的故障相合闸[4]，降低故障相残压，从而使得故障点电弧熄灭，同时抑制故障点熄弧后的恢复电压，抑制电弧重燃。
1.2快速选线原理
如图2所示，第4条线路发生单相接地故障，第一条线路的零序电流的变化基本不变，即，第二条、第三条如第一条线路一样，零序电流基本不变，即，。因第四条线路是故障线路，其他非故障线路的电容电流均经过故障线路的零序电流互感器返回母线，即
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图2 快速选线原理图
当发生单相弧光接地时，一种基于零序电流故障转移前后方向变化原理故障选线技术配合快速涡流驱动开关装置的消弧选线控制器在3ms内判断故障相后，迅速发出快速涡流驱动开关的合闸命令，直接将故障相接地，将过电压降至0，将零序电流转移至本装置内部，计算方法见公式（7），而故障线路零序电流由变为0，与非故障相的零序电流基本不变相比，故障线路的零序电流增量最大，故可轻易选出故障线路。
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当线路发生的是单相金属接地故障时，装置仍可以将零序电流转移到本装置内，由于线路是金属接地，装置直接接地，线路有两个接地点，根据接地电阻不同，零序电流将按接地电阻比例分流，装置故障相合闸后流过装置的零序电流计算见公式（8），其中k为分流比，而故障线路零序电流由变为（1-k），与非故障相的零序电流基本不变相比，故障线路的零序电流增量仍然最大，故可轻易选出故障线路。
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2基于快速涡流驱动的快速断路器
基于快速断路器[5]的接地选线技术的开发，需要在单相接地故障发生后快速熄灭电弧，防止电弧的重燃，接地开关必须迅速合闸，不仅需要判断速度快，作为执行机构的快速涡流驱动开关也必须比市面上的普通开关快很多，才能达到快速灭弧的目的，快速接地开关能解决这一问题。
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图3 快速接地开关原理图
快速真接地开关主要由真空灭弧室、分闸线圈、合闸线圈、涡流盘、储能电容、充电电源及放电控制开关等重要部件组成，具体动作原理为：
正常工作时，通过充电电源完成对储能电容的充电，需要分闸时控制分闸放电回路的可控硅导通，储能电容向分闸线圈放电，产生强度很高的脉冲电流，并产生脉冲磁场，脉冲磁场的磁力线穿过涡流盘，在涡流盘中感应出涡流，并产生涡流磁场，脉冲磁场对涡流磁场的排斥力推动涡流盘向下运动，同时带动动触头完成分闸动作，合闸过程恰好相反，合闸线圈的脉冲磁场推动涡流盘向上运动，同时带动动触头完成合闸。
为了增加动触头的分合速度，将普通杠杆原理的断路器改成直连杆式断路器，参与运动的部件的质量只有普通断路器的十分之一，这就大大提高了分合闸速度，实现分闸2-5ms，合闸7-10ms，控制器判断加快速断路器动作，总体时间可确保在20ms以内完成，可以快速将故障相快速接地，快速熄灭电弧，避免两相短路事故引起的速断保护跳闸。
3算例分析
采用集中参数等效的方法，采用PSCAD仿真模拟4条线路，1号线路采用2级L型等效，其他均采用1级L型等效电路参数。其他第一条线路参数分别采用2只8mH的电感和2只0.22μF的电容，为了配合功率因数在0.85~0.95之间，串上2只3.608Ω的电阻。同理2号、3号、4号线路的参数分别是电感：34mH、2mH、86.24mH，电容分别是：0.22μF、0.37μF、0.74μF，电阻分别是：5.729Ω、0.248Ω、13.867Ω。具体仿真电路如图4所示。
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图4 仿真电路
本仿真设置3.06s，1号线路A相发生金属接地故障，装置动作时间为3.08s，故障相接地快速开关合闸。母线线、相电压如图5-6所示
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用故障线路与故障相上非故障线路零序电流各自增量变化的显著差异，可以有效快速、准确地选线以尽快切出故障而恢复正常供电。为了对比突出以更加清晰明了，将故障A相上所连4条线路的零序电流变化的具体结果单独列在图7中。图8为快速开关上零序电流的变化结果，可以看出，快速开关将不稳定的接地点转化为稳定的接地点，将故障电流有效地转移到了自身上来，可以稳定地熄灭电弧并且能抑制电弧重燃。
3结语
基于快速断路器的接地选线技术理论上可以提高选线的准确率，配合快速算法和故障相在快速断路器转移前后电流变化量最大的这一特征，可以快速的选出故障线路，而且在发生单相接地故障后，通过快速选相技术，快速选出故障相并接地，将故障相的电压将至为很低的水平，破坏了故障相电弧重燃的条件，对设备特别是电缆线路或者混合城区电网的绝缘起到了很好的保护作用，从而避免了两相击穿或者绝缘破坏引起的速断保护跳闸事故，提高了供电的可靠性。
参考文献
1 中性点不接地系统单相接地电容电流的工程计算方法 吴玉硕、杨志华、贺得珺、张兰平，《电气技术》2014第9期108-112
2 充油电缆火灾事故的调查及分析 王佩龙.韦华达，印永福，《电线电缆》1986年第1期
3 对消弧线圈“消除弧光接地过电压”的异议 许颖 《电力设备》2001年12月第2卷第4期48-50
4 基于快速开关的短路电流超标治理的研究，张波、余振、陈文龙、汪东平、马燕 《供用电》2017,34（11）:20-23
5 基于机械快速开关的电压暂降分级治理方案 李为明，张逸、王川、张旭彬 《供用电》2018,35（2）:24-30