配电线路单相接地行波保护方案研究

贾智勇

中钢集团天澄环保科技股份有限公司，湖北 武汉 430000

0 引言

当配电网或输电过程中的相关线路发生单相接地异常时，电流只能采用流经电容的方式进行电力传输，此种供配电行为不仅无法满足社会群体对电力资源的需求，也无法保障供配电过程中的服务质量。为了解决接地线路的故障问题，有必要及时对发生故障的配电线路进行定位，根据定位得到的线路，进行故障的针对性处理。在此过程中，由于接地线路异常，导致故障电流较微弱，为后期处理工作带来困难。尽管出现接地异常后，前端无须采用断电的方式进行线路检修，但考虑到此种异常属于一种故障状态，因此，应当及时采取有效的行为与措施对故障位置进行识别与处理。倘若忽视了由于接地线路异常造成的电流故障，后续的配电工作极易受到电压持续升高的影响，出现设备绝缘击穿的现象，严重情况下甚至会出现线路相间异常等衍生故障。

1 配电线路单相接地行波保护方案

1.1 判断配电线路单相接地行波异常

引进极性比较原理，对配电线路单相接地行波异常进行判断，在此过程，需要比较突发故障时的初始化行波电流与电压行波两者之间的极性关系。当两者的极性关系呈现一种反向状态时，可以判定此时电路存在正方向故障；当两者的极性关系相同时，可以判定此时电路存在反方向故障。将该理论引入配电网线路中，为了简化极性关系的计算过程，可假定在电网中的所有输电线路抗阻相同。在此情况下，无论线路中任何一根馈线发生异常，均可得到如下计算表达式：

式中：iF为配电线路突发故障时的初始化行波电流；iN为无故障现象配电线路的初始化行波电流；uM为母线位置的电压行波；n为母线馈线数量；ur为配电线路突发故障时的电压入射值；Z为阻抗。

由此可知，当配电线路单相接地出现故障时，可以直接通过获取故障行波的方式进行故障识别与判断。

1.2 设计保护插件结构

在识别到配电线路的行波异常后，可采用在电路中集成保护插件的方式，进行线路中供电设备的保护，避免由于电路或短路造成的供电异常与电力设备损坏。其中，保护插件的结构由高速A/D开关、双口RAM配置、滤波调控器、模拟开关、继电芯片等构成。当前端识别到线路行波异常时，零序电流与阻抗对应的电压信号将通过截止频率的传输信道，进入滤波电路调控通道中，此时模拟开关将根据信号的采样频率，进行导入信息的调控[1]。通常情况下，信号的采样频率为500～800 kHz，为了满足实际保护需求，可设定A/D转换的频率为1 MHz，采样后的行波数据将被存储到RAM配置空间内，双口结构进行数据信息的循环处理，并实时更新最新获取的8 ms数据，上述过程均是在CPLD芯片控制下实施的。

为了进一步满足高效保护需求，行波信号处理回路采用一个DSP芯片进行控制，此时芯片将从RAM存储空间内进行采样数据的录入。假定录入的结果判定行波满足配电线路保护需求，行波模块将通过总线线路，进行前端通信程序的驱动，以此便可以实现对配电线路中电气设备的运行保护。

1.3 基于小波转换理论的保护动作逻辑规划

在完成上述相关工作的基础上，引进小波转换理论，对保护动作进行逻辑规划。在此过程中，将CPLD芯片与终端控制设备进行对接，使用VHDL语言进行逻辑时序的调控。当前端启动逻辑算法后，控制端将自动获取配电线路的三相电压值和电流值，将获取的数据进行小波项模转换，转换过程中，可将前端获取的初始化零序电流表示为I0，将行波对应的零序电压表示为U0。对比I0与U0，提取变换过程中模量的极大值[2-3]。将极大值作为极性关系分析的依据，判断极性是否为相反状态。当识别到I0与U0的极性相序相反时，继续判断工频电压是否在运行过程中超过阈值。当判断结果显示电压超过阈值后，继续按照此步骤进行任意相电流是否超过阈值的判断。当确定配电线路单相接地行波存在故障现象或运行中的异常状态时，启动保护插件装置，并触发前端异常报警，以此种方式，实现对行波的保护。

2 保护方案的应用效果

文章设计了一种针对配电线路单相接地的行波保护方案，为了判断设计的方案在实际应用中可以及时根据异常行为发出预警，设计了如下应用试验。

试验前，选择一个配电结构中辐射供电形态的配电网，配电网内的中性点供电方式为单相接地运行方式，线路运行时，短路异常的最高容量为125.5 MVA，其中母线的短路运行电流为5.780 kA，选择的配电网中共含有5个母线出线，对应的线路型号及其在配电网中的长度描述如表1所示。

根据表1，绘制试验过程中配电网的线路结构图，如图1所示。

图1 配电线路单相接地线路结构图

在图1接地线路结构的基础上，为了验证所提保护方案能够实现对接电线路的行波保护，人为设置多个线路故障节点。其中，故障节点Ⅰ为L2线路上，距离母线长度约2.455 km位置上出现了120 Ω电阻接地故障；故障节点Ⅱ为在L3线路上，距离母线长度为0.583 km位置上出现了单相接地故障问题；故障节点Ⅲ为在L5限流上，距离母线长度为2.241 km位置上出现了单相接地故障问题。已知该线路的大地电阻率为120 Ω/km，设置试验过程中的运行时长为25 ms，最大弧垂长度为1.25 m。在上述应用条件下，配电线路单相接地线路开始运行，并引入所提保护方案。将3种故障问题发生时保护方案的具体操作情况进行记录，如表2所示。

表2 保护方案应用情况记录

从表2可以看出，所提保护方案能够实现对线路故障问题的跳闸及报警，并且跳闸的响应时间用于报警信号的传输速率均能够满足配电线路的安全、稳定运行需要。因此，结合上述保护方案的应用效果分析得出，将该保护方案应用到真实的配电站中，通过对线路零序电压的判据，可实现对其配电线路的全方位保护，并在发生故障问题时，第一时间给出正确的判断及解决策略。

3 结论

电力产业是支撑我国市场经济可持续建设的支柱型产业，在产业发展的数十年内，相关线路接地的保护问题一直是困扰技术研究学者的重点问题。为了解决接地保护工作中存在的问题，文章开展了配电线路单相接地行波保护方案的设计研究，并在完成设计后，对保护方案的应用效果进行分析，得出如下结论：所提保护方案应用到真实的配电站中，通过对线路零序电压的判断，可实现对其配电线路的全方位保护，从而提高配电线路运行的安全性与稳定性。