新型小电流接地选线装置的研发与应用

唐克义，李也白，张霄霄

(长兴县供电局，浙江 长兴 313100)

单相接地故障时的小电流接地系统，由于其故障电流很小，三相线电压保持对称关系，不影响对负荷的持续供电，被广泛应用于国内的配电系统[1，2].但由于接地点的出现，系统中非故障相的对地电压由相电压升至线电压，使系统中出现工频过电压，最终导致线路的绝缘破坏.伴随着电力线路总长度的增加、系统容量的提升，电容电流也越来越大，这对安全生产造成了极大的影响.当出现系统操作过电压时，在电网的薄弱地点会轻易接地，进而产生相间短路的现象.因此，一旦发生单相接地故障，就应及时进行故障定位和故障排除，以提升电力系统的稳定性，抑制伴随故障的产生.

在小电流接地系统发生单相接地后，迅速、准确地进行接地故障选线仍是继电保护领域尚未彻底解决的难题.目前，现场大多采用基于传统零序电流稳态特征的提取、比较等原理设计的接地选线装置，其检测有效性较低.因此，有必要进一步研究开发新型实用的配电网单相接地故障选线装置，以保障电力系统运行的可靠性和稳定性.

1 新型选线原理

当小电流接地系统单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往比其稳态值大几倍到几十倍.此时，为了能够显著提高故障选线的成功率，应充分利用暂态信号中的特征分量.与傅里叶变换相比，小波变换作为一种时频分析工具具有分析局域波形的能力，故可通过小波函数的伸缩和平移产生可变的时频窗，以便从暂态信号中提取出特征分量[3].从技术方面来说，与中性点直接接地电网单相接地瞬时动作的短路保护不同，小电流接地系统单相接地故障选线装置允许一定的延时动作，这就为小波的应用提供了条件.为了验证该方法的可行性，采用电磁暂态程序进行仿真试验，结果表明，该方法具有较高的可靠性和灵敏度.

为了实现相电压过零点附近和相电压过峰值附近的故障选线，方案采用比较特征频带重构后电流瞬时值符号的方法进行综合智能选线.根据该方法，研制成TS4430型小电流接地选线装置，并在此装置中使用小波包算法进行时频分析.小波包分解过程将信号分解为低频和高频两部分，上一层分解序列的点数是本列的一倍，分解的点数越多，时域分辨率越低，频域分辨率就越高.

当单相接地短路故障发生在相电压的峰值附近时，线路的暂态电容电流决定了各线路的零序电流暂态特性.暂态特性中的电感电流比电容电流小，暂态电容电流的自由振荡频率主要集中在300～1 500 Hz.因此，选线装置采样频率取为4 000 Hz.对各条线路的零序电流进行db小波包的4层分解，实际上是将零序电流分成16个子频段，每个子频段宽度为125 Hz，然后按能量谱函数确定出能量最大的子频段，也就是故障暂态特征最明显的特征频段.

当单相接地短路故障发生在相电压过零点附近时，线路的暂态电感电流决定了线路暂态零序电流的特性.暂态特性中电容电流的自由振荡分量等于零，其频率主要集中在0～50 Hz.对故障和非故障的线路进行4层分解后可知，第一个子频段的能量是最大的.对各线路在该频段进行单枝重构，重构信号偏向于时间轴的一侧，因此故障线路的零序电流中有大量的直流分量，这与周期变化的非故障线路是不同的，据此就可以定位线路故障.当故障发生在相电压过零点时，无论接地点是否有过渡电阻，采用比较重构后电流瞬时值的符号进行选线的方法都是有效的.选线流程如图1所示.

图1 TS4430型小电流接地选线装置的选线流程

2 新型选线装置的优势

暂态量的频率成分和大小受多种因素，如故障时刻、网络参数等的影响，因此通过选择暂态量比较集中的线路频率段来完成选线是比较困难的[4].本原理可以自动选择暂态特征最明显的特征频段进行对比和研究，充分高效地利用了故障暂态过程中的信息，极大地提高了选线的可靠性，不会出现由于干扰和测量误差而忽略故障特征的情况.

选择125 Hz的选线频带宽度，同时利用db小波包对暂态电容电流进行4层分解，不仅达到了良好的选线效果，还解决了小波分频不细的问题，并便于利用DSP+CPLD的硬件平台实现选线.

另外，通过比较各线路暂态零序电流中直流分量和基频分量的重构信号的大小，使TS4430型小电流接地选线装置实现了无死区的故障选线.

3 新型选线装置的应用

TS4430型小电流接地选线装置采用了基于小波变换与重构的技术，可操作性强且安装简单[5，6].装置采用箱体式结构、插件式设计，可方便地安装在各种屏柜上.装置通过138 mm×64 mm的LCD液晶屏幕显示接地的母线号、线路号及接地时间，同时对其他母线的故障采用堆栈式处理，使故障总是显示为最新信息.当故障解除后，则自动检查上一次的最新故障是否解除，如果没有就继续显示该信息.

本选线装置的采集量为4段母线零序电压及32路出线零序电流，其中零序电压用于构成启动判据，零序电流用于构成选线判据.装置的输出信号为RS485通讯CDT协议的报警信息，采用屏蔽双绞线通过一台规约转换器接入变电所Lonworks的现场总线网络.该装置不响应下行命令，每1 s向上行发一次遥信量，当发生接地故障时，相应的遥信点将出现变位.选线装置的通讯系统构成如图2所示.

图2 TS4430型小电流接地选线装置通讯系统

2012年，在长兴35 kV里塘变电站安装投运了TS4430型小电流接地选线装置，将选线装置与变电站的监控主机和远动信息管理主机联网，通过后台监控系统对现场单相接地故障进行远方实时监控和管理，以实现对配电网系统接地故障的集中监控和数据信息共享.设备投运后，实现了无死区的接地故障选线，提高了接地选线的准确性与可靠性，运行效果良好.

4 结语

通过对TS4430型小电流接地选线装置的研究与实施，改善和加强了配电网暂态接地保护的性能.该选线技术不受故障时刻和补偿度的影响，抗过渡电阻能力强，能实现无死区的故障选线，具有高度的灵活性和可靠性.而且该装置可以迅速查找出故障线路，缩短停电时间，保证配电网的安全稳定运行，有较强的推广应用价值，并将获得良好的社会和经济效益.

[1]王晶，束洪春，陈学允.小波变换电力系统工学应用综述[J].电网技术，2003，27(6):52-63.

[2]贾清泉，刘连光，杨以涵，等.应用小波检测故障突变特性实现配电网小电流故障选线保护[J].中国电机工程学报，2001，21(10):78-82.

[3]崔锦泰.小彼分析导论[M].西安:西安交通大学出版社，1995:28-56.

[4]要焕年，曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京:中国电力出版杜，2000:42-58.

[5]王建赜，李威，冉启文，等.解析信号小波分析及其在电力系统中的应用[J].电力系统自动化，2000，24(22):28-31.

[6]陈靖，张承学.高速数据采集系统中精确时标的CPLD实现方法[J].继电器，2004(32):30-33.