小電阻接地系統(tǒng)高靈敏性及相關(guān)保護(hù)研究

錢(qián) 添

（江陰市供電公司，江蘇 江陰 214400）

本文針對(duì)阻值較小的電阻接地系統(tǒng)中零序電壓數(shù)值與電流之間關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)阻值較高的電阻產(chǎn)生接地故障時(shí)，母線處的零序電壓和出現(xiàn)故障線路中的零序電流之間存在一定的比例，此時(shí)的零序電壓數(shù)值可以間接體現(xiàn)過(guò)渡電阻阻值?；诖耍芯吭O(shè)計(jì)一種高靈敏性的零序電流系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)方案。

1 復(fù)雜的系統(tǒng)接地故障問(wèn)題

1.1 多相回線類(lèi)型的同相接地故障問(wèn)題情況下零序電流數(shù)值計(jì)算方法

如果阻值較小的電阻接地系統(tǒng)出現(xiàn)多回線類(lèi)型的同相接地故障問(wèn)題的時(shí)候，發(fā)生故障的相間狀態(tài)相當(dāng)于對(duì)大地是短路的，此時(shí)線路系統(tǒng)中的零序電流和出現(xiàn)單相回線接地問(wèn)題故障的情況相比對(duì)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值明顯增大，也就是說(shuō)單相回線接地問(wèn)題發(fā)生的情況對(duì)于零序電流的保護(hù)方面基本上沒(méi)有明顯的影響。為此本文主要考察的對(duì)象是多相回線系統(tǒng)中發(fā)生同相接地問(wèn)題故障情況下的故障原因分析。

圖1為一個(gè)常規(guī)的城市10 kV阻值較小的電阻接地狀態(tài)的配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖。一般情況下，在城市的配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，110 kV變電站網(wǎng)絡(luò)中的主變10 kV數(shù)值的低壓側(cè)，通常情況下是應(yīng)用三角形接線的操作模式。為此10 kV一側(cè)的母線端應(yīng)該配置Z型的接地類(lèi)型的變壓器裝置，此時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器裝置的中性點(diǎn)位置通過(guò)阻值較小的電阻R0來(lái)進(jìn)行接地的系統(tǒng)配置[1]。

1.2 單相接地類(lèi)型故障問(wèn)題特性研究

圖2為阻值較小的電阻接地系統(tǒng)單相類(lèi)型的接地故障問(wèn)題示意圖。由圖2可知，用于接地操作的阻值較小的電阻Rg是接在曲折類(lèi)型的變壓器裝置的中性點(diǎn)的位置；圖中的N代表的是沒(méi)有出現(xiàn)故障問(wèn)題的線路；F代表出現(xiàn)故障的線路；如果發(fā)生故障問(wèn)題的相是系統(tǒng)中的A相，在故障點(diǎn)的位置P處有1個(gè)過(guò)渡用途的電阻，也就是Rf?？梢栽O(shè)系統(tǒng)中所有的元件中的參數(shù)都具有三相對(duì)稱(chēng)的特性，此時(shí)各個(gè)序的參數(shù)分量具有對(duì)其他序列的獨(dú)立性特點(diǎn)?？梢允褂茂B加定理來(lái)進(jìn)行分析，分析的過(guò)程需要結(jié)合使用對(duì)稱(chēng)分量的方法。

1.3 多回線類(lèi)型及單回線類(lèi)型接地故障問(wèn)題的下饋線中零序電流參數(shù)之間的關(guān)系

一般情況下，在多回線類(lèi)型的同相接地問(wèn)題故障出現(xiàn)的情況之下，發(fā)生故障問(wèn)題的饋線中零序電流數(shù)值可能和初始狀態(tài)下此回線中發(fā)生單獨(dú)問(wèn)題故障情況下的零序電流數(shù)值發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而一定會(huì)對(duì)于當(dāng)前的具有單相回線類(lèi)型故障問(wèn)題特性的零序電流參數(shù)的保護(hù)功能造成顯著的影響。研究人員為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其系統(tǒng)量化的目標(biāo)，將會(huì)進(jìn)一步研究出現(xiàn)多相回線類(lèi)型的同相接地問(wèn)題故障的，饋線內(nèi)部的零序電流數(shù)值和出現(xiàn)單相回線類(lèi)型的接地問(wèn)題故障的情況下，內(nèi)部的零序電流參數(shù)間存在穩(wěn)定的定量類(lèi)型的關(guān)系。

2 創(chuàng)新類(lèi)型的自動(dòng)適應(yīng)零序電流參數(shù)的保護(hù)解決方案

一般情況下，系統(tǒng)如果想對(duì)常規(guī)類(lèi)型的饋線中的零序電流參數(shù)進(jìn)行有效的保護(hù)，其動(dòng)作數(shù)值的大小的整定過(guò)程和系統(tǒng)參數(shù)的保護(hù)算法通常會(huì)采用上文所說(shuō)到的高靈敏度的零序電流參數(shù)保護(hù)操作過(guò)程的算法和操作的流程。相關(guān)工程技術(shù)人員為了實(shí)現(xiàn)算法和流程與實(shí)際的工程習(xí)慣及情況相互協(xié)調(diào)，在操作的過(guò)程中保持零序的分量都取成3倍的零序數(shù)值，后面也是相同的方案；取3I0.Set作為高靈敏度類(lèi)型饋線中的零序電流參數(shù)保護(hù)操作的整定數(shù)值；3U0．Set作為系統(tǒng)設(shè)置出的零序類(lèi)型的電壓數(shù)值的下限量，操作過(guò)程中設(shè)置此電壓數(shù)值的下限量是用于預(yù)防測(cè)量過(guò)程中所得到的零序類(lèi)型的電壓數(shù)值過(guò)小，進(jìn)而造成系統(tǒng)的保護(hù)操作機(jī)制觸發(fā)誤操作，其數(shù)值的具體量和電壓類(lèi)型的互感器裝置及系統(tǒng)中線路的不對(duì)稱(chēng)程度有一定程度的聯(lián)系；將TL．Set作為計(jì)時(shí)過(guò)程的設(shè)定參數(shù)值。

此過(guò)程的系統(tǒng)配置都是建立在系統(tǒng)是單相回線類(lèi)型的接地問(wèn)題故障發(fā)生的前提之下，也就說(shuō)此保護(hù)操作的機(jī)制對(duì)單相回線類(lèi)型的故障問(wèn)題具有非常優(yōu)秀的靈敏度及可選擇特性。為此，針對(duì)系統(tǒng)是多相回線類(lèi)型的接地問(wèn)題故障，假如可以把某一相回線的問(wèn)題故障線路中零序類(lèi)型的電流數(shù)值，通過(guò)補(bǔ)償及校正的操作轉(zhuǎn)化成單相類(lèi)型的回線接地問(wèn)題故障條件下的零序電流參數(shù)，就可以使得零序類(lèi)型的電流保護(hù)機(jī)制在繼續(xù)沿用初始整定條件的前提下，也能夠同樣適合用在多相回線類(lèi)型的接地問(wèn)題故障之中。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路，本文將會(huì)基于上述針對(duì)多相回線類(lèi)型的復(fù)雜接地問(wèn)題故障的產(chǎn)生機(jī)理，作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了一類(lèi)適合應(yīng)用到阻值較小的電阻接地系統(tǒng)的新型饋線自動(dòng)適應(yīng)的零序電流參數(shù)保護(hù)系統(tǒng)[2]。

3 數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)（自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的保護(hù)方案運(yùn)行研究）

為了對(duì)本文所描述的自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的零序電流參數(shù)保護(hù)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)工程技術(shù)人員借助數(shù)值模擬仿真分析的方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)作情況的模擬驗(yàn)證，驗(yàn)證中包括了對(duì)自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的零序電流參數(shù)保護(hù)機(jī)制及一般情況下零序類(lèi)型電流的保護(hù)機(jī)制，考察其在不同類(lèi)型的故障點(diǎn)位及不同數(shù)值的過(guò)渡電阻條件下各種保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)的不同狀態(tài)。結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生多相類(lèi)型的回線接地問(wèn)題故障的情況下，線路中的零序電流參數(shù)的保護(hù)機(jī)制可能出現(xiàn)拒動(dòng)的情況，特別是在過(guò)渡用途的電阻的阻值量之間差別比較顯著的情況下，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)某個(gè)回線中的零序電流數(shù)值明顯減少進(jìn)而出現(xiàn)保護(hù)操作機(jī)制出現(xiàn)拒動(dòng)的問(wèn)題；對(duì)自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的零序電流系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制，設(shè)計(jì)的初衷是希望其可以把所處線路中零序類(lèi)型的電流數(shù)值補(bǔ)償?shù)酱嘶鼐€系統(tǒng)單獨(dú)出現(xiàn)接地問(wèn)題故障的時(shí)候測(cè)量得到的零序電流數(shù)值，通過(guò)此類(lèi)補(bǔ)償操作，就能夠保證以回線類(lèi)型接地問(wèn)題故障作為前提所整定的保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作數(shù)值可以同樣適用在多相回線系統(tǒng)中的復(fù)雜故障中，提升常規(guī)系統(tǒng)中的零序類(lèi)型的電流保護(hù)機(jī)制的廣泛適用性和通用性。與此同時(shí)，零序類(lèi)型的電流，其補(bǔ)償數(shù)值的大小只和本類(lèi)故障問(wèn)題發(fā)生的線路中的故障點(diǎn)位及系統(tǒng)的過(guò)渡電阻的阻值大小有關(guān)系，不會(huì)受到其他發(fā)生問(wèn)題故障的線路中參數(shù)的影響和制約[3]。

4 靈敏度較高的零序類(lèi)型電流保護(hù)

本文所設(shè)定的靈敏度較高的零序類(lèi)型電流保護(hù)系統(tǒng)的算法和執(zhí)行流程。相關(guān)技術(shù)人員為了實(shí)現(xiàn)本保護(hù)系統(tǒng)和實(shí)際的工程情況和數(shù)據(jù)的相互協(xié)調(diào)，設(shè)定系統(tǒng)的零序類(lèi)型的分量都是3倍的零序電流數(shù)值，后面也是同樣的設(shè)定；在研究過(guò)程中，設(shè)置3I0.Set作為靈敏度比較高的饋線中零序類(lèi)型的電流觸發(fā)保護(hù)操作的一個(gè)整定參數(shù)值；設(shè)置3U0.Set作為系統(tǒng)設(shè)置的零序類(lèi)型的電壓數(shù)值的下限量，此零序電壓下限值的設(shè)計(jì)主要是用于預(yù)防系統(tǒng)中測(cè)量得到的零序電壓數(shù)值過(guò)小的情況可能造成保護(hù)機(jī)制系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的誤操作，這個(gè)電壓的下限數(shù)值和電壓類(lèi)型的互感器裝置及系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的不對(duì)稱(chēng)程度有直接的關(guān)聯(lián)；設(shè)置TL.Set作為計(jì)時(shí)過(guò)程的設(shè)定值參數(shù)。

5 自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的零序保護(hù)系統(tǒng)裝置搭建及RTDS測(cè)試

5.1 自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的零序保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

RTDS（Real Time Digital Simulation），指的是一套專(zhuān)門(mén)用在電力系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)及程序軟件的操作平臺(tái)。RTDS系統(tǒng)是由加拿大的RTDS技術(shù)公司所研究和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)階段已經(jīng)普遍應(yīng)用到針對(duì)電力系統(tǒng)的二次裝置的各類(lèi)在線測(cè)試的領(lǐng)域之中。本文使用的自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型的饋線保護(hù)方面的測(cè)控操作平臺(tái)為DPNC-21型號(hào)，該設(shè)備具有32位的浮點(diǎn)DSP（容量為300 MB）的芯片及16位的高精度模擬與數(shù)字信號(hào)采樣的能力，具有非常強(qiáng)大的邏輯功能及運(yùn)算功能。系統(tǒng)采用單元化的設(shè)計(jì)思路及封裝使用的模塊化的主體結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。在保護(hù)功能的測(cè)控單元中的處理器使用的是ONAP-L136型號(hào)的模塊，該模塊是由DSP內(nèi)核及ARM內(nèi)核這2個(gè)主要的框架來(lái)構(gòu)成。該裝置中的程序軟件的主體架構(gòu)主要包含了用于保護(hù)動(dòng)作的程序、平臺(tái)的操作系統(tǒng)以及電路的監(jiān)控程序等等，當(dāng)中的保護(hù)程序軟件是在DSP類(lèi)型的內(nèi)核中進(jìn)行工作，平臺(tái)的操作系統(tǒng)以及電路的監(jiān)控程序是在ARM類(lèi)型的內(nèi)核中進(jìn)行工作，這2個(gè)內(nèi)核模塊借助于系統(tǒng)中的共享內(nèi)存（英文全稱(chēng)為Share RAM）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的有效交互。此外，系統(tǒng)中還有在單片機(jī)單元上進(jìn)行運(yùn)行的可以實(shí)現(xiàn)IRIG-B類(lèi)型的信息數(shù)據(jù)解析的程序軟件及在復(fù)雜的可編程邏輯器件單元（英文簡(jiǎn)稱(chēng)CPLD）上運(yùn)行的信息數(shù)據(jù)輸入／輸出（DI/DO）的可擴(kuò)展程序軟件。

5.2 系統(tǒng)的RTDS平臺(tái)測(cè)試

在適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)字模擬仿真操作平臺(tái)，也就是RTDS上設(shè)立1個(gè)中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)阻值較小的電阻接地的模擬10 kV的城市配電網(wǎng)絡(luò)的模型，以此模型為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型零序電流的保護(hù)系統(tǒng)裝置的試驗(yàn)測(cè)試工作，發(fā)揮保護(hù)作用的裝置設(shè)置在線路L1的初始端位置。測(cè)試過(guò)程是建立在RTDS操作平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)于此套零序電流的保護(hù)系統(tǒng)在不同問(wèn)題故障的點(diǎn)位及不同數(shù)值的過(guò)渡電阻條件下出現(xiàn)多相回線接地問(wèn)題故障的零序電流數(shù)值的補(bǔ)償和修正效果及保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行的狀況進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

5.3 線路系統(tǒng)中負(fù)荷對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)裝置的影響

因?yàn)轲伨€類(lèi)型的負(fù)荷，其改變的隨機(jī)性特點(diǎn)比較顯著，并且線路系統(tǒng)中負(fù)荷的改變對(duì)線路系統(tǒng)出口位置的保護(hù)機(jī)制一般情況下是不容易實(shí)現(xiàn)的，因此為了方便分析和研究過(guò)程，本文采用的自動(dòng)適應(yīng)類(lèi)型零序電流補(bǔ)償和校正的數(shù)學(xué)算法計(jì)算過(guò)程中忽略了問(wèn)題狀態(tài)的負(fù)荷電流數(shù)值，不過(guò)在實(shí)際模擬的過(guò)程中出現(xiàn)單相類(lèi)型接地問(wèn)題故障的狀態(tài)下線路依舊有負(fù)荷電流的量，為此保護(hù)系統(tǒng)裝置的補(bǔ)償精確程度將會(huì)受到負(fù)荷電流分量的干擾。不過(guò)因?yàn)橄到y(tǒng)中性點(diǎn)位置是經(jīng)過(guò)阻值較小的電阻R0來(lái)進(jìn)行接地操作（R0值通常為10～14 Ω），在問(wèn)題故障復(fù)合的序網(wǎng)絡(luò)之中的Zs數(shù)值主要和3R0的數(shù)值相關(guān)，因此和接地類(lèi)型的電阻R0相比，阻抗負(fù)荷數(shù)值對(duì)于零序類(lèi)型的電流的補(bǔ)償作用的影響和制約程度是比較有限的。在保護(hù)系統(tǒng)的層面來(lái)考慮，負(fù)荷數(shù)值造成的零序類(lèi)型的電流的補(bǔ)償操作的誤差值一般都位于允許的區(qū)間之內(nèi)，因此其對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)的正確操作過(guò)程的影響微乎其微。圖3是最為惡劣的外界條件（也就是負(fù)載元器件工作、末端發(fā)生問(wèn)題故障）下此系統(tǒng)的電流補(bǔ)償校正的最終結(jié)果?？芍c空載狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，盡管由于負(fù)荷造成補(bǔ)償電流數(shù)值有誤差存在，不過(guò)補(bǔ)償動(dòng)作依舊提升了此保護(hù)系統(tǒng)對(duì)多相回線問(wèn)題故障動(dòng)作的靈敏程度，能夠觸發(fā)正確的保護(hù)操作。個(gè)傳感器裝置的順序持續(xù)調(diào)換，信號(hào)到達(dá)這2個(gè)傳感器裝置的時(shí)間一致的時(shí)候，也就表明放電點(diǎn)位在2個(gè)傳感器裝置的中線之上，也就能夠明確放電點(diǎn)位的準(zhǔn)確位置。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)模擬仿真的測(cè)試結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)方案的物理意義清晰，對(duì)于系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值能夠使用初始階段的零序類(lèi)型電流的整定原則，能夠把保護(hù)操作的耐受電阻數(shù)值提升到1 000 Ω范圍；算法是以工頻的參量為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。