基于配网故障点转移开关的小电接地流选线装置研制与应用

任江波，白胤游，段 毅，商 曾，池 永

(国网重庆市电力公司 綦江供电公司，重庆 401420)

为了避免单相接地故障后，人工拉路选线的尴尬，很多设备厂商采用各种方法自动选出故障线路。到目前为止，针对中性点不接地电网的选线方法主要是利用零序电流幅[1]大小比较来找出故障线路，但是受系统不平衡、运行方式及过渡电阻的影响较大，其比较方法有以下几种。

稳态零序电流相位比较[2]是通过比较零序电流方向找出故障线路。采用稳态零序电流相位比较法来判断故障时，如果故障点离互感器较近或线路很短，或者出现高阻接地故障，测量到的零序电压、零序电流较小，相位判别较困难，可靠性低。

群体比幅比相法[3]是利用故障信息之间的相对关系进行选线，克服了传统继电保护装置采用“绝对整定值”时原理上的缺陷，提高了选线正确率。如果仅比较幅值，有可能受到电流互感器精度和不平衡带来的影响。如果仅比较相位，有可能出现幅值很小的信号相位计算不准确的问题。

注入信号跟踪[4]的基本原理是在故障后通过电压互感器向系统注入一个高频电流信号，基于寻迹原理，即只有故障线路的故障相才会出现注入的特定信号，故采用信号电流探测器检测各线路是否有注入的特定频率信号电流来实现故障选线。存在的主要缺陷是需要附加电源信号装置，每条线路上需装设信号电流探测器，现场实现复杂；注入信号的功率受电压互感器容量限制比较微弱，很难准确测量，在接地点过渡阻抗较大时，线路分布电容对注入信号的干扰大；对于间歇性电弧接地故障，注入信号变化不连续，直接影响选线的效果。

残流增量[5]是在线路发生永久性接地故障时，通过增大消弧线圈的失谐度或中性点投入电阻来降低零序阻抗，提高故障线路零序电流，只有故障线路中的零序电流(即故障点残流)会随之增大。这种方法是以人为增大故障电流，牺牲自动跟踪消弧线圈功能为代价的，有可能因为故障残流的增大而发生弧光接地过电压，而且操作复杂，在过渡电阻很大时，也会出现误判，只适用于具有自动调节功能的消弧线圈。

负序电流[6]采用故障线路基波负序电流比所有非故障线路大，且二者相位相反，通过比较各出线负序电流的大小和方向可进行选线保护，但是对于绝缘老化、渐变性接地故障的检测较困难。正常运行时，线路也会存在较大的负序电流，并且负序电流的获取远不如零序电流简单。

对于中性点不接地系统，发生单相接地故障后，通过故障转移技术，迅速熄灭故障点电弧，快速控制接地故障的进展。通过对比转移前后零序电流的变化这一特征，便可迅速找到故障线路，并通过后台及调度远方控制，迅速切除故障线路，降低事故发生的可能。

1 零序电流突变法选线原理

如图1所示，第5条线路发生单相接地故障，第1条线路的零序电流基本不变，即：

ΔI1≈0

图1 选线原理图

第2条、第3条、第4条同第1条线路一样，零序电流基本不变，即：

ΔI2≈0，ΔI3≈0，ΔI4≈0

因第5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。第5条线路的零序电流变化为：

(1)

一种基于配网故障点转移开关配合故障转移前后零序电流方向变化原理的故障选线技术，即配网故障点转移开关并联安装10 kV母线上，当发生单相弧光接地故障后，装置的消弧控制器在3～5 ms内判断故障相，迅速发出快速分相接地开关的合闸命令，直接将故障相母线接地，将过电压降至0，将零序电流转移至本装置内部，此时流过本装置内部的零序电流为：

(2)

而故障线路零序电流由ΔI5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突变量最大，故可准确选出故障线路。

当线路发生的是单相金属接地故障时，本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，本装置直接接地，线路有两个接地点，根据接地电阻不同，零序电流会发生分流。装置将故障相母线合闸后零序电流变为：

(3)

其中k为分流比。而故障线路零序电流由ΔI5变为(1-k)倍的ΔI5，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。

2 配网故障点转移开关式消弧选线装置

本装置由消弧控制器、快速分相接地开关、零序电流互感器、隔离刀闸、带电显示器、过电压保护器、高压熔断器、电压互感器组成。正常运行时，控制器通过电压互感器监测系统电压，并实时计算出零序电压的有效值。一旦发生单相接地，3～5 ms内判别故障相，迅速将快速分相接地开关的故障相合闸，将故障相母线直接金属接地，并通过母线接地前后故障线路零序电流突变量最大的原理选出故障线路。

3 基于零序电流突变法的 PSCAD 仿真模拟验证

采用集中参数等效的方法，模拟4 条线路，1#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。第1条线路参数分别采用2只8 mH 的电感和2只0.22 μF的电容，为了配合功率因数在0.85～0.95，串上2只3.608 Ω的电阻。同理，2#、3#、4#线路的参数：电感分别为34 mH、2 mH、86.24 mH，电容分别为0.22 μF、0.37 μF、0.74 μF，电阻分别为5.729 Ω、0.248 Ω、13.867 Ω。如图3所示。

图2 配网故障点转移开关式消弧选线装置

1)正常运行工况

调整系统参数，基于电容电流不大于线路负荷电流的0.1倍，仿真配置了1 900 Ω的集中等效负荷。正常运行时，系统各种波形如图4所示，由于线路参数的关系，线电压在运行20 ms之后保持稳定；集中等效负荷电流峰值为4.5 A左右，如图5所示；线路零序电流为0，如图6所示。

2)1#线路发生单相接地故障

本仿真设置3.06 s时，1#线路发生A相接地故障，装置动作时间为3.08 s，将故障相快速分相接地开关合闸。

如图7所示，系统进入稳态后，在3.06 s发生单相接地故障时，线电压保持不变。如图8所示，母线三相电压中，A 相电压降至0，而B、C两相电压升高至倍相电压。故障发生时刻，4条线路三相电流发生变化(见图9～12)，系统不再平衡，故4条线路的零序电流(见图13)均增大，无法判断故障线路。而通过高速DSP快速运算，在20 ms之内将故障相快速分相接地开关合闸，将不稳定的接地点转化为稳定的金属接地点，熄灭户外故障点电弧，快速控制故障的进展，防止了事故的发生。如图13和图14所示，快速分相接地开关合闸前后，只有故障线路零序电流的突变量最大，故能准确地选出故障线路。

图3 仿真电路模拟图

图4 系统线电压

图5 等效负荷线路电流

图6 所有线路零序零序电流

图7 接地故障发生前后线电压

图8 接地故障发生前后三相相电压

图9 1#线路的三相电流

图10 2#线路的三相电流

图11 3#线路的三相电流

图12 4#线路的三相电流

图13 4条线路的零序电流

4 结论

采集变电站实际线路参数进行PSCAD软件暂态仿真发现，基于通过配网故障点转移开关的故障转移技术，利用故障转移前后，故障线路同非故障线路相比，零序电流的突变量最大这一特征，可以快速选出故障线路，并且准确率为100%。

图14 装置转移前后的三相电流