小電流接地選線跳閘技術(shù)分析探討與試點(diǎn)建設(shè)

周 蘭，尚 超

(國網(wǎng)重慶市電力公司市南供電分公司，重慶 601336)

0 引 言

配電網(wǎng)主要作用是向用戶分配電能，其網(wǎng)絡(luò)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布面廣，易產(chǎn)生各類故障，其中線路單相接地故障占比80%以上。國內(nèi)外普遍存在配電網(wǎng)接地故障的難題。目前中國中低壓配電網(wǎng)較為廣泛地采用小電流接地系統(tǒng)，因單相接地后三相線電壓基本保持不變，國內(nèi)傳統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地允許接地運(yùn)行1～2 h[1-3]。近些年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，城市中心變電站電纜出線越來越密集，電纜溝道數(shù)量亦急劇增加，電纜線路接地后若弧光長時(shí)間存在，會(huì)加重對故障點(diǎn)的破壞，嚴(yán)重時(shí)造成相間故障，甚至引發(fā)火災(zāi)造成電纜群傷事件或大面積停電。歐洲國家中，除奧地利、德國允許小電流接地系統(tǒng)繼續(xù)帶電運(yùn)行外，其他國家都是在檢測到發(fā)生接地故障且經(jīng)過一段時(shí)間不能自行熄弧后直接跳開故障線路。亞洲的日本也采用直接跳開故障線路的做法[4]。國內(nèi)的廣東電網(wǎng)等單位已開始優(yōu)化中性點(diǎn)接地方式實(shí)現(xiàn)接地快速跳閘的功能[5-6]。

近兩年某電力公司已多次發(fā)生電纜溝火災(zāi)事故，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。究其原因，均因未能快速切除始發(fā)的10 kV電纜單相接地故障有關(guān)。因此，急需開展小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)快速切除故障的研究與試點(diǎn)。

1 小電流接地選線跳閘技術(shù)

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線跳閘技術(shù) (以下簡稱小電流接地選線跳閘)，是以變電站、開閉所內(nèi)線路保護(hù)裝置或公用設(shè)備為基礎(chǔ)，利用故障產(chǎn)生的信息或其他設(shè)備附加的信息確定故障線路，經(jīng)延時(shí)判斷非瞬時(shí)故障后，直接作用于跳閘的方法。

應(yīng)用小電流接地選線跳閘技術(shù)需對變電站內(nèi)現(xiàn)有一次或二次設(shè)備進(jìn)行改造，主要通過改造一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)選線跳閘的有靈活并小電阻選線跳閘、靈活并中電阻選線跳閘、主動(dòng)干預(yù)滅弧3種方案；主要通過改造二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)選線跳閘的有分布式選線跳閘、集中式選線跳閘兩種方案。

1.1 一次設(shè)備改造

1.1.1 靈活并小電阻選線

該方案中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，若接地故障持續(xù)1～10 s，則消弧線圈自動(dòng)并小電阻接地，接地回路零序電流升高，利用饋線零序保護(hù)動(dòng)作跳閘。無論饋線回路跳閘與否，小電阻持續(xù)投入0.1～10 s自動(dòng)退出，系統(tǒng)恢復(fù)為消弧線圈接地方式。若接地消除，則裝置自動(dòng)復(fù)歸；若接地故障仍存在，則靠人工斷開故障線路。

該方案施工難度與成本不高，即使饋線回路跳閘不成功，但選線裝置仍能正確發(fā)出信號(hào)，因此理論上選線正確率高。但實(shí)際運(yùn)行電網(wǎng)中接地情況復(fù)雜，饋線零序保護(hù)定值整定困難，靈活并小電阻選線法對于復(fù)雜故障可能難以準(zhǔn)確判斷。因接地時(shí)并小電阻對一次系統(tǒng)有較大影響，該方法會(huì)造成故障回路零序電流升高，使電弧可能更大。另外，控制器發(fā)生故障，在并接小電阻無法自動(dòng)退出時(shí)，容易被燒壞，對零序CT 容量要求也較高。

1.1.2 靈活并中電阻選線

該方案中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，若接地故障持續(xù)1～10 s，則消弧線圈自動(dòng)并中電阻接地。中電阻投入持續(xù)0.1～10 s后自動(dòng)返回。消弧線圈中性點(diǎn)處零序電流與各線路零序電流進(jìn)行相位比較判斷出接地線路，接地裝置再進(jìn)行告警、跳閘。

靈活并中電阻選線方案對零序CT 要求不高，施工難度與成本相對較低。但該方法因一個(gè)判斷邏輯的最多選線條數(shù)未受限制，若選線錯(cuò)誤則存在多條線路誤跳的風(fēng)險(xiǎn)。接地時(shí)并中電阻對一次系統(tǒng)有較大影響，會(huì)造成故障回路零序電流升高，電弧可能更大。此外，靈活并中電阻選線方案對一次電纜屏蔽層接地方式要求高，且每套裝置所接回路數(shù)少。

1.1.3 主動(dòng)干預(yù)滅弧

通過主動(dòng)干預(yù)滅弧，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，若接地故障持續(xù)40 s，故障相的接地開關(guān)柜自動(dòng)合閘，母線直接接地，30 s后自動(dòng)復(fù)位。若自動(dòng)復(fù)位后線路單相接地故障未消除，將再次合閘，之后需人工遠(yuǎn)方斷開故障線路，再進(jìn)行接地裝置復(fù)位。

主動(dòng)干預(yù)滅弧法最大的優(yōu)點(diǎn)是單相接地線路故障點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)快速滅弧。但也存在諸多缺點(diǎn)，如選線正確后不作用于跳閘，需靠人工斷開故障線路；主動(dòng)干預(yù)滅弧裝置動(dòng)作時(shí)，會(huì)造成母線直接接地，對系統(tǒng)影響較大；當(dāng)控制器發(fā)生故障時(shí)，存在接地開關(guān)柜燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 二次設(shè)備改造

1.2.1 分布式選線跳閘

分布式小電流接地選線方案是將接地選線功能分布集成于10～35 kV的線路保護(hù)裝置中。當(dāng)本線路的接地概率最高時(shí)，則經(jīng)延時(shí)率先跳閘。若跳閘后“選跳錯(cuò)誤重合閘延時(shí)”內(nèi)故障消失則判定選線跳閘成功，否則判定為選線跳閘錯(cuò)誤。若選線跳閘錯(cuò)誤，并且重合閘功能未投入，則繼續(xù)跳其他可能接地的線路；若選線跳閘錯(cuò)誤，并且重合閘功能投入，則經(jīng)延時(shí)重合線路，線路重合后0.2 s繼續(xù)跳其他可能接地的線路，最多跳3條線路，若選線跳閘成功，則保護(hù)復(fù)歸。

分布式選線跳閘法選線跳閘成功率較高，一個(gè)判斷邏輯最多可選擇3條概率最大的線路，即使錯(cuò)誤選線也不會(huì)造成多條線路跳閘。若選線失敗則自動(dòng)重合，且與線路本身重合閘是兩個(gè)完全獨(dú)立的邏輯，不相互影響。此外，該方法將功能集成于線路保護(hù)CPU中，不需增加額外設(shè)備，在新建與改造站中特別適用。因僅對二次設(shè)備進(jìn)行改造，不會(huì)對一次系統(tǒng)造成影響；且設(shè)備運(yùn)行較為穩(wěn)定，故障率低。

但是，分布式選線跳閘法對諸如3 s內(nèi)兩條線路同時(shí)發(fā)生同相接地的復(fù)合故障不能正確選線。針對已投運(yùn)站，站內(nèi)必須是同一廠家且版本較新的裝置才能實(shí)現(xiàn)升級，因此適用范圍較小，且對現(xiàn)場已有的保護(hù)裝置要求高，施工時(shí)需對每套保護(hù)裝置更換CPU或升級，重新配置裝置二次線，費(fèi)用較高，施工難度大，停電時(shí)間長。另外，該方法對零序CT的極性、一次電纜屏蔽層接地方式的要求較高。

1.2.2 集中式選線跳閘

集中式選線跳閘方案將功能集成于集中式接地跳閘裝置中，最多可以選出3條線路，并且按照接地概率進(jìn)行排序，率先跳接地概率最高的線路。若跳閘后2 s內(nèi)故障消失則判定選線跳閘成功，否則判定為選線跳閘錯(cuò)誤。若選線跳閘錯(cuò)誤，并且重合閘功能未投入，則繼續(xù)跳其他可能接地的線路；若選線跳閘錯(cuò)誤，并且重合閘功能投入，則經(jīng)延時(shí)重合線路，線路重合后0.2 s繼續(xù)跳其他可能接地的線路。

類同于分布式跳閘方案，集中式選線跳閘具有選線跳閘成功率高、選線失敗會(huì)自動(dòng)重合、不會(huì)造成多條線路跳閘、不會(huì)對一次系統(tǒng)造成影響、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。且主網(wǎng)、配電網(wǎng)設(shè)備均適用，施工難度與成本相對較低。

同樣，集中式選線跳閘方案，對零序CT的極性、一次電纜屏蔽層接地方式要求高。且對已投入重合閘的饋線，集中式選線跳閘不能閉鎖線路保護(hù)重合閘，無論選線是否正確，均會(huì)重合一次，靠選線裝置后加速跳閘功能切除故障線路。

2 試點(diǎn)建設(shè)

自2018年以來，某電力公司分別試點(diǎn)建設(shè)了靈活并小電阻選線跳閘、靈活并中電阻選線跳閘、主動(dòng)干預(yù)滅弧、分布式選線跳閘、集中式選線跳閘5種單相接地快速跳閘方案。截止2020年5月，該5種試點(diǎn)裝置已分別在A、B、C、D、E等5座110 kV變電站投入運(yùn)行，動(dòng)作情況如表1所示。

表1 接地選線跳閘試點(diǎn)建設(shè)情況

從改造一次設(shè)備的3種方案來看，靈活并小電阻方案所試點(diǎn)的A站以及主動(dòng)干預(yù)滅弧方案所試點(diǎn)的C站，投運(yùn)至今線路設(shè)備未發(fā)生單相接地故障，未取得運(yùn)行跳閘數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步試運(yùn)行。靈活并中電阻方式B站動(dòng)作一次但選線失敗，廠家雖已整改，但建議工程完工后先僅投告警功能，待選線成功率提高后再啟用跳閘功能。

從改造二次設(shè)備的兩種方案來看，已投運(yùn)的110 kV D、E站選線裝置共動(dòng)作25次，全部選線正確并快速跳閘切除故障，正確率達(dá)100%。綜合投資、施工、運(yùn)行效果等方面考慮，對已投運(yùn)的主網(wǎng)、配電網(wǎng)設(shè)備，集中式接地選線跳閘方案較為適合。對于新建或改造的主網(wǎng)、配電網(wǎng)設(shè)備，分散式接地選線跳閘方案更為適合。

3 存在的問題及建議措施

3.1 存在的問題

單相接地選線跳閘啟用后，對電纜設(shè)備起到了較好的保護(hù)作用，電纜群傷風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的問題。

1)停電范圍擴(kuò)大。由于雙電源開閉所備自投功能大量啟用，開閉所分列運(yùn)行時(shí)，開閉所某一出線發(fā)生單相接地(開閉所無單相接地選線跳閘功能)，站端跳閘后開閉所備自投自動(dòng)合備用電源，將導(dǎo)致另一回電源跳閘失電，擴(kuò)大停電范圍。

2)故障查找困難。為快速切除故障，單相接地延時(shí)2 s就會(huì)跳閘，電纜損壞程度較輕，故障點(diǎn)查找難度增大。采用試送方式時(shí)，分割試送很可能會(huì)造成正常負(fù)荷多次跳閘。

3)零序電流存在難題。目前，各試點(diǎn)方案對零序CT、電纜屏蔽層接地均有較高要求，而在實(shí)際施工、運(yùn)行中，零序CT極性、電纜屏蔽層都極易出錯(cuò)，且正常運(yùn)行時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致正常運(yùn)行時(shí)零序CT不能滿足要求。

3.2 建議措施

針對以上問題，提出以下3點(diǎn)解決措施：

1)加強(qiáng)配電網(wǎng)保護(hù)逐級配合。開閉所等配電網(wǎng)保護(hù)須具備接地選線跳閘功能，逐步實(shí)現(xiàn)逐級配合，有選擇性地切除接地點(diǎn)。

2)故障處理短時(shí)退出接地跳閘出口。過渡期查找線路單相接地故障點(diǎn)試送時(shí)，根據(jù)需要，可臨時(shí)退出接地跳閘出口壓板。

3)推廣使用CT自產(chǎn)零序電流。從保護(hù)裝置算法等方面升級，采用自產(chǎn)零序的方式，避免外接零序CT帶來的一系列問題。

4 結(jié) 語

隨著城市配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電纜線路越來越密集，電纜溝道數(shù)量急劇增加，對快速切除電纜線路單相接地故障的要求越來越高，對比開展了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)快速切除故障的研究與試點(diǎn)。

首先，對靈活并小電阻選線跳閘、靈活并中電阻選線跳閘、主動(dòng)干預(yù)滅弧、分布式選線跳閘、集中式選線跳閘共5種接地選線跳閘方案的動(dòng)作邏輯、主要優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹及評述；然后，通過某電力公司試點(diǎn)建設(shè)的動(dòng)作數(shù)據(jù)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為通過二次設(shè)備改造的分布式、集中式選線方案準(zhǔn)確率較高，且不會(huì)對一次系統(tǒng)造成影響；最后，通過逐級配合選線跳閘后不會(huì)擴(kuò)大停電范圍，建議已投運(yùn)變電站推薦集中式單相接地選線跳閘方案，新建與改造變電站推薦分布式單相接地選線跳閘方案。