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      全球能源互联网

      第5卷 第3期 2022年05月;页码:213-220
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      小电流接地保护跳闸给故障检测与保护带来的机遇与挑战

      Opportunities and Challenges Brought by Tripping of Small Current Grounding Fault Protection to Fault Detection and Protection

      刘萃萃1 ,薛永端1* ,王超2 ,徐丙垠2,3
      LIU Cuicui1 ,XUE Yongduan1* ,WANG Chao2 ,XU Bingyin2,3
      • 1.中国石油大学(华东)新能源学院,山东省 青岛市 266580
      • 2.山东科汇电力自动化股份有限公司,山东省 淄博市 255087
      • 3.山东理工大学智能电网研究院,山东省 淄博市 255049
      • 1.School of New Energy,China University of Petroleum(East China,Qingdao 266580,Shandong Province,China
      • 2.Shandong Kehui Power Automation Co.,Ltd.,Zibo 255087,Shandong Province,China
      • 3.Smart Grid Research Institate,Shandong University of Technology,Zibo 255049,Shandong Province,China

      摘 要

      Abstract

      小电流接地系统单相接地故障由“带故障运行”到“快速就近隔离”处理原则的转变,一方面,使小电流接地故障保护问题受到足够的重视,为配电网更加安全可靠地运行提供有力保障;另一方面,也对接地故障检测与保护技术的可靠性提出了更高要求。在小电流接地故障保护领域中,针对已有故障检测算法的适用性不广、高阻接地故障保护方法的可靠性不高、间歇性接地故障的划分不明晰与保护设计高难度,以及故障与系统扰动的区分复杂等问题进行了具体、深入的分析,明确了在现有保护方案的基础上直接投入跳闸功能的风险。分析及电网实际运行统计数据表明,小电流接地故障原有保护算法需进一步改进和完善,才能配合保护跳闸实现高可靠性的故障快速就近隔离。

      The transformation of the treatment principle of single-phase grounding fault in a small current grounding system from “operation with fault” to “rapid and nearby isolation” on the one hand,makes enough attention to the protection of small current grounding fault,and provides a strong guarantee for the more safe and reliable operation of distribution network.On the other hand,it also puts forward higher requirements for the reliability of ground fault detection and protection technology.In the field of small current grounding fault protection,the applicability of existing fault detection algorithms is not wide,the reliability of high resistance grounding fault protection methods is not high,the division of intermittent grounding faults is not clear and the protection design is difficult,and the distinction between faults and system disturbances is complex.The risk of directly putting the tripping function into operation based on the existing protection scheme is clarified.The analysis and the actual operation statistics of the power grid show that the original protection algorithm of small current grounding fault needs to be further improved and improved to cooperate with the protection tripping to realize highly reliable fault fast and nearby isolation.

      0 引言

      中国6 kV~35 kV中压配电网多采用中性点不接地、中性点经消弧线圈接地(谐振接地)的小电流接地方式。发生单相接地故障后,由于故障电流较小且故障后系统线电压不受影响,传统处理方法是允许系统在1~2 h内带故障运行,并由人工拉路巡线找出故障位置进行处理。国家电网公司最新颁布的《配电网技术导则》则明确提出:中性点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后,线路开关宜在延时一段时间(最短约10 s,级差3 s)后动作于跳闸[1],切除故障,实现故障区段的快速判断、就近隔离,保证健全区段的正常供电。这从根本上改变了沿用已久的配电网“2小时运行+接地选线”处理原则。

      传统接地故障保护都是动作于信号,以报警的形式告知工作人员出现故障以及故障的位置,并由工作人员进一步确认故障的情况,对检测算法可靠性的要求并不高。然而,故障快速就近隔离的实现离不开保护跳闸的配置,保护算法的可靠性与适用性将直接影响保护跳闸的准确性,关系着整个系统供电的安全可靠。因此,小电流接地故障保护跳闸将会对故障检测算法的可靠性与灵敏性提出更高要求。

      近年来有关接地故障的保护新技术层出不穷,但对于小电流单相接地故障的处理还存在一些欠缺,致使保护拒动和误动的情况时有发生。保护跳闸的配置一方面有利于实现故障的快速就近隔离,另一方面,相比上报结果到主站,由工作人员进行判断可以规避相当部分的误动情况,保护跳闸会扩大保护误动产生的不利影响,威胁系统供电可靠性。目前,大部分故障保护方法都是针对常规的小电流单相接地故障状态和非故障状态下电气量的不同表现进行故障特征提取,进而完成故障选线、定位判据的设计,对于相继接地、同杆并架线路接地等非常规单相接地故障的适用性缺乏具体、深入的分析;对于高阻接地故障及间歇性接地故障的处理技术还不够完善,由于故障特征微弱以及间隔时间长短不一,高阻接地及间歇性接地故障的检测与保护成为长久以来未能有效攻克的一个难题。以上种种问题的存在使得保护跳闸的准确性难以保证,对系统安全可靠供电尚存较大威胁,保护跳闸的高要求也给当前故障检测与保护算法的可靠性与适应性提出了巨大挑战。

      小电流接地系统单相接地故障现有处理方案可靠性的分析及效果评价成为衡量当前保护算法能否支持保护跳闸安全可靠运行的基础,也为适应保护跳闸快速就近隔离故障的处理原则,进一步改进和完善保护算法指明方向。本文对现有故障检测算法的可靠性,高阻接地、间歇性接地等非常规单相接地故障保护的处理能力进行深入分析,并就影响故障检测的重要因素—系统扰动进行全面的梳理,明确保护跳闸快速就近隔离故障在故障检测与保护技术层面上面临的挑战,也为进一步提升配电网单相接地故障处理能力奠定基础。

      1 小电流接地故障改带故障运行为快速就近隔离的必要性

      长期以来,小电流接地系统单相接地故障允许系统在1~2 h内带故障运行,一方面是因为故障残余电流小,接地电弧往往能够自行熄灭,带故障运行可以减少故障跳闸率,提高系统供电可靠性;另一方面,由于小电流接地故障电流小,间歇性接地故障多,特别是在谐振接地系统中,消弧线圈补偿电流还会使故障线路电流甚至小于非故障线路,以上种种因素使得小电流接地故障保护相对比较复杂,同时因为可以通过人工拉路选线处理故障,长期以来小电流接地故障保护没有得到足够的重视,一直沿用“2小时运行+接地选线”的接地故障处理原则。

      随着配电网规模的逐步扩大,单相接地故障电流不断增大,接地电弧难以自动消除,间歇性弧光接地故障还会在健全相上产生过电压,使健全相绝缘击穿并进一步引发两相接地短路故障的风险大大增加[2];电弧接地故障还时常引发电缆沟与电缆隧道着火、开关柜烧损等事故而导致大面积停电,使故障的不利影响进一步扩大;在发生导线坠地、导线碰树等接地故障时,故障如不能被及时消除,极易引发触电事故与火灾,甚至造成人员伤亡,给人民的生命财产安全带来巨大威胁。另外,人工拉路固然能够实现准确选线,但往往会造成非故障线路出现不必要的短时停电,对高科技数字化设备、大型联合生产线等敏感负荷造成严重影响,给相关生产部门带来较大的经济损失。

      社会经济的发展对配电网供电质量与安全提出了更高的要求,小电流单相接地故障保护问题已引起了业界的高度重视。国家电网与南方电网公司均修改制定配电网运行规程,要求解决小电流接地故障的保护问题,快速就近隔离永久性接地故障。同时,配网自动化及其他技术手段的发展,也给小电流接地保护就近隔离故障,恢复其他健全区段供电提供了基础,保证系统在快速隔离故障的同时供电可靠性不下降。快速就近隔离接地故障,成为小电流接地故障处理方案的发展目标。

      2 小电流接地系统非常规单相接地故障的检测与保护

      接地故障保护跳闸安全可靠运行的首要前提是故障检测的高灵敏性和高可靠性以及各级保护的协同配合。当前小电流接地系统单相故障检测包括故障的选线与定位,故障检测算法多依据常规情况—系统某一处发生一般接地故障时所表现出的电气量特征进行设计,对于系统内不同出线相继发生单相接地故障、同杆并架线路段发生单相接地故障、高阻接地故障以及间歇性接地故障的处理能力以及对保护跳闸的适应性尚不明晰,下面将给出具体分析。

      2.1 系统相继接地故障检测

      电力系统相继故障是指前一故障后,系统状态尚未调整到足够健康的情况下,又遭受新扰动的故障场景[3]。大量研究表明,近年来的大停电事故己经很少由单一故障引起,基本上都是由相继故障引发[4]。因此,为保障电网的安全稳定运行,对电网相继故障的预防与检测做深入研究非常必要。保护跳闸快速隔离故障固然可以在一定程度上减少由于长时间带故障运行使健全相电压升高引发的相继故障[5],但若没有准确可靠的相继故障检测算法的支撑,使得保护频繁误动或拒动,将给系统供电的安全可靠性带来巨大威胁。本小节主要就系统中两点相继发生接地故障的情况分析现有故障检测算法的适用性,明确在当前保护算法的基础上配置保护跳闸在系统发生前述相继故障可能面临的问题。根据故障点位置、相别的不同,两点相继接地故障可以分为同一线路同一相别(同线同相)、不同线路同一相别(异线同相)、同一线路不同相别(同线异相)、不同线路不同相别(异线异相)等4种类型[6]

      2.1.1 同线同相两点接地故障

      同一出线同一相别相继发生接地故障时,引起系统电压、电流的变化与单相单点接地故障类似[7],现场故障选线装置基本能够准确检测出故障位置,但对于两处不同位置的故障都能够有效定位的相关研究或试验并未看到相关报道,所以其可靠性难以保证。倘若只找出一处故障位置,维修结束后再次投入运行相当于重合闸于故障线路,使系统再次遭受故障的冲击。同时,保护再次跳闸,一方面使得下游线路再次停电,难以保证系统供电的可靠性;另一方面,频繁跳闸易使断路器使用寿命缩短,增加设备维护成本。

      2.1.2 异线同相两点接地故障

      不接地系统中,对于单点接地故障,故障线路零序电流幅值总是大于等于其他健全线路,且二者相位总是相反,存在明显差异,因此采用零序电流群体比幅比相法可以实现接地故障选线。然而,文献[8]通过理论推导证明,对于同相两点接地故障,故障线路与健全线路的零序电流不再总是存在明显差异,即:接地电阻较小的故障线路零序电流相位始终与健全线路相反,但接地电阻较大的故障线路零序电流可能相同也可能相反,故障线路零序电流幅值既可能大于健全线路,也可能小于健全线路,不能确保两条故障线路零序电流幅值都大于等于其他所有健全线路。因此,发生同相两点接地故障时,传统零序电流群体比幅比相法既可能漏选,也可能误选。漏选时,保护跳闸不能快速隔离所有故障,长时间运行可能使故障扩大;误选时,保护跳闸错误动作,严重影响系统供电可靠性。

      虽然文献[8]同时提出了一种基于两阶段无功功率方向的选线方法,但无功功率方向法本身只适用于不接地系统,无法解决谐振接地系统中同相两点接地故障的问题。

      2.1.3 同线异相两点接地故障

      当两点接地电阻较小时,异相两点接地故障的本质是“相间短路接地”,故障电流幅值较大。当两接地故障点在同一线路上时,该线路将经历较大的故障电流;当两接地故障点分别在两条线路上时,两条线路都将检测到较大的故障电流[9]。考虑到接地电阻较小时,异相两点接地时的电流故障特征较为明显,文献[10]提出一种基于零序电流特征分量幅值相位关系的两点相继接地故障选线方法,但其特征分量及其相位指意不明,选线结果的准确性难以保证。当前对于异相两点接地故障的相关分析和研究甚少,特别是当两点接地有一处接地电阻较大时,与单相单点接地故障特征相近,给异相两点相继故障的检测增加了困难。目前,单点接地的故障检测算法无法直接用于两点接地故障的困境还会存在较长时间,依旧给小电流接地故障有效检测,实现保护跳闸快速就近隔离故障的目标带来不小的挑战。

      2.2 同杆并架线路接地故障检测

      近年来,随着城市配电网发展,线路走廊越来越紧张,部分架空线被地下电缆替代,还有部分架空线越来越多地采用同杆双回或多回线路的架设方式。配电网中同杆并架线路不仅常见,而且形式多样,如不同电压等级的并架线路[11]。然而,同杆并架线路的出现在极大地缓解线路土地资源压力的同时,也带来了线路故障的复杂多样性,给继电保护工作增添了不小的难度。

      配电网中同杆并架线路发生单相接地故障时,线路耦合作用会对非故障线路及非故障系统产生不同程度的影响。尤其是在消弧补偿装置运行的系统中,可能会造成两个不同的10 kV系统因线路线间的耦合,形成串联谐振,产生危险的过电压,一方面给生产设备的安全运行造成威胁,另一方面容易使基于电压信号的保护误动作,影响系统供电的可靠性。

      同杆并架线路的数学模型复杂,运用一般的电路方程计算故障电压和电流难以实现,且计算量大,不易在微机保护中实现。当下对于同杆并架线路接地故障保护的研究多集中于输电系统,在配网中的相关研究鲜见。因此,同杆并架线路的发展也给小电流接地故障保护快速准确检测,跳闸就近隔离故障的目标增加了挑战。

      2.3 高阻接地故障检测

      高阻接地时,故障电流小,系统三相电压和线电压均变化不大,可以继续维持对用户的供电。因此,从供电可靠性的角度看,高阻接地故障时并不要求立即切除故障。与输电网相比,配电网中的高阻接地故障发生概率更高,接地电阻更小,且配电网深入人员密集地区,架空距离低,高阻接地故障的危害主要体现在人身安全方面。小电流接地系统高阻接地故障主要是由导线碰树、导线坠地及生物体触电引起的,接地电阻在几百欧到几十千欧甚至上百千欧不等,如不能及时检测并有效切除故障,极易引发森林、草原火灾以及人身触电事故,给人民的生命财产安全带来巨大威胁。随着社会与经济的发展,人们安全意识越来越高,高阻接地故障的保护问题近年来也得到了足够高的关注度。文献[2]总结了现有小电流接地保护方法(包括零序无功功率方向保护、中性点投入并联中电阻的保护以及暂态法)的耐接地电阻能力,由于互感器精度与装置设计等方面的限制,实际运行的接地保护装置反应接地电阻的能力一般在2 kΩ以下,理论分析以及国际上小电流接地保护的工程实践都证明了这一点[12-13]。另外,零序电压监察法虽检测灵敏性与可靠性高,理论上在谐振接地系统处于全补偿状态时,能够可靠地检测出过渡电阻达10 kΩ的接地故障[14],但不能确定出具体的故障出线,仍需要人工拉路法配合,确认接地故障位置,依旧不能达到保护跳闸快速就近隔离故障的目标。

      对于高阻接地故障保护的主要难点有:故障时的工频和谐波等低频分量以及行波、暂态等高频分量的幅值都比较低,且易受噪声等扰动的影响,故障特征不明显,阈值难以整定[15]。针对上述问题,大量的高阻接地故障检测方法被提出。文献[16]提出了一种基于故障相电压极化量的谐振接地系统高阻故障方向检测方法,通过分析故障暂态过程中线路各检测点所测零序电流与故障相电压的相似程度来完成故障的方向检测,该方法具有自举性,在不具备通信条件的配网中仍能适用,并在人工接地试验中实现了2 kΩ及以下接地故障的有效检测,提高了高阻接地故障检测算法的可靠性和实用性。文献[17]通过分析谐振接地系统中高阻接地故障的暂态电气量特征,提出了一种基于故障线路暂态零序电流在母线暂态零序电压上投影系数的高阻接地故障检测判据,并在仿真验证中实现了3 kΩ接地故障的有效检测。以上两种方法都是基于谐振接地系统特性得出的,对于不接地系统的适用性尚不明晰。文献[18]采用了行波分量来完成接地故障的检测,根据故障线路零模电流和零模电压初始波头的极性关系构建了故障检测算法,该方法可以实现接地电阻在400 Ω以下的接地故障保护。行波法不受中性点运行方式的影响,对小电流接地系统均具有良好的选线效果,但该方法的灵敏性受接地电阻的制约,对于提升高阻接地故障检测能力并没有显著效果。

      对于不同类型的高阻接地故障,不少专家学者也进行了更具有针对性的深入研究。

      2.3.1 导线碰树

      导线碰树故障,也称树闪故障,故障初始时刻电阻一般大于3 kΩ,随着故障的持续,电弧使树枝逐步碳化,过渡电阻逐步减少至1 kΩ以下,同时,过渡电阻具有短时非线性特性及长时缓变特性,使故障难以实现快速检测并就近隔离。文献[19]针对10 kV架空导线单相触树接地故障进行了深入分析,并进行了大量的实际线路的试验,提出了基于故障分量的长时变化趋势进行故障判断的方法,该方法的耐过渡电阻能力可达17 kΩ以上,并且在实际线路实验中,导线碰树故障检出时过渡电阻约51 kΩ,有效提高了保护对导线碰树故障的耐过渡电阻能力。但文中的试验系统覆盖范围有限,对于不同种类、不同尺寸以及不同环境状态下的树木发生触线故障的情况,难以保证故障模型及检测方法的适用性,与实用尚有一定差距。

      2.3.2 弧光高阻接地

      由于接地电弧电流小、坠地导线跳动等方面的原因,配电网高阻故障常以弧光接地的形式存在,电流存在严重的畸变,非线性特征显著。现有检测方法多采用阈值设定的定量分析,难以同时兼顾其可靠性与灵敏性,正动率较低。文献[20]通过分析弧光高阻接地故障时特征频带内零模电压、电流间的伏安特性动态轨迹,提出了一种基于伏安特性动态轨迹的检测方法,使弧光高阻接地故障检测的可靠性有所提高。但该方法在故障开始一段时间内,可能会因为零序电压及零序电流的幅值太小,无法保证能够及时有效地识别出故障线路,需要故障持续一段时间才能触发该保护正确动作。虽然文中提出了基于母线零模电压和各出线零模电流初始极性特征的疑似判据,但决定保护最终是否动作还是要前述检测方法的判断,并未有效提高保护动作的快速性。

      2.3.3 人体触电

      配电线路深入人员密集地区,人体触电事故的发生概率尤其高。经人体的接地故障,过渡电阻一般在几百甚至上万欧[21]。人体电阻由内电阻与皮肤电阻构成,根据德国科学家BIEGELMEIER[22]的研究结果,人体内电阻值固定不变,数值为500 Ω;皮肤电阻因人而异,且随皮肤条件变化,干燥、洁净、无损的皮肤电阻可达40 kΩ~200 kΩ。人体电阻除与皮肤条件有关外,还与触电电压的大小、电流的频率以及环境温度有关。因此,人体触电的情况复杂多变,其预防与检测都是极其困难的。针对经人体高阻接地故障的保护问题,文献[23]分析了非生物体导电介质与人体介质的阻抗特性及故障特征,并结合现场录波数据,验证了非生物体与猪、羊等生物体介质的阻抗特性及其典型故障特征,但试验条件单一,其可靠性难以保证,且并未提出有效的针对人体触电的高阻接地故障检测方法。

      综上所述,尽管近年来已有许多专家学者针对小电流接地系统高阻接地故障的检测问题进行了大量的深入研究,并提出了许多优化算法,但多数方法难以保证其实用性,并且对于保护耐接地电阻能力的提升并没有显著效果。因此,到目前为止,高阻接地故障的有效检测技术仍然是一大难关,实现保护跳闸快速就近隔离故障的目标对于小电流高阻接地故障检测来说,仍是一个很大的挑战。

      2.4 间歇性接地故障保护

      传统小电流接地系统发生单相接地故障时允许短时带故障运行,无法像输电线路保护一样通过重合闸之后故障是否消失来判别瞬时性和永久性,一般通过是否需要人工修复将接地故障分为永久性接地和瞬时性接地。所以现场工作一般只关注永久性和瞬时性故障,故障检测算法的设计一般也只针对永久性接地故障所表现出来的特征来完成,而间歇性接地故障长期以来未引起足够的重视。

      随着配电网规模的扩大,系统对地电容电流逐渐增加,发生单相接地故障时,电弧往往难以可靠熄灭,故障相电压恢复到一定幅值时,电弧重燃,接地故障再次发生,从而形成熄弧与重燃相互交替的间歇性电弧接地故障。此外,城市配电网中使用越来越广泛的电缆线路,受制作和施工过程中不规范操作以及地理环境的影响,绝缘性降低,容易造成电缆间歇性对地放电,出现间歇性接地故障[24],典型的间歇性接地故障录波如图1所示。

      图1 典型的间歇性接地故障录波图
      Fig.1 Typical intermittent ground fault oscillogram

      配电网发生间歇性接地故障时,会在故障相和非故障相上产生高频谐振过电压。这种过电压幅值高、持续时间长,遍布于整个电网,严重威胁系统的绝缘和安全稳定运行[25]。由此,间歇性接地故障发生后,及早有效识别并进行后续处理显得尤为重要。

      当前,小电流接地保护跳闸快速就近隔离故障的目标原则下,间歇性接地故障的有效处理主要面临两个难题。

      一是间歇性接地故障与瞬时性接地故障的划分不明。若系统某出线先后发生间隔时间较短的两次瞬时性故障,此时与间歇性接地故障便难以区分,尤其在谐振接地系统中,消弧线圈的作用延长了故障相电压的恢复时间,电弧重燃的延迟时间比较长,这导致故障在外部表现上呈现瞬时性,给后续的故障处理增加了困难。

      二是故障持续时间计算困难。为了设计上下级保护配合的时间级差,对于间歇性接地故障的保护还需要计算故障的持续时间,保证全线保护的动作时间都在故障持续时间内。故障持续时间的计算主要有两个思路:一是第一次起始时间到最末一次熄弧时刻,二是每次燃弧时间的累计。不管是最末一次的熄弧时刻,还是故障持续期间的熄弧时刻都难以确定,故障持续时间的计算困难;更重要的是,由于干线与分支线的保护装置往往来自不同厂家,计算标准不统一,给多级保护之间的配合带来了极大的困难。

      3 故障与扰动的区分

      小电流接地系统单相接地故障除电流信号弱、波形不稳定以外,还具有干扰范围大、随机因素多的特点,保护易受系统扰动(如铁磁谐振、串联谐振及互感器测量误差等)的影响,发生误动。

      在电力系统中,存在着变压器、电磁式电压互感器、消弧线圈等感性设备,这些设备容易与线路电容之间形成谐振,谐振的时候通常会伴随着过电压和过电流现象,不但会危及设备的绝缘、引起设备过热甚至烧毁,还会干扰接地保护装置的正常工作,降低动作的正确性,对电力系统供电的安全可靠性产生威胁。

      由于系统中使用的电压互感器具有饱和特性,当系统受到冲击(如拉合刀闸、单相接地故障、单相光弧接地)使电压互感器电感饱和时,若系统电感参数与对地电容参数匹配,就会发生铁磁谐振,中性点出现较高位移电压,并维持较长一段时间。依据谐振频率的不同,铁磁谐振具体可以分为基频谐振、高频(倍频)谐振和分频谐振。其中,高频谐振及分频谐振可以利用现在的微机型保护装置分析零序电压的频率实现有效辨识。而基频谐振产生的零序电压为50 Hz,仅依靠零序电压、零序电流启动的传统选线装置,不能辨识出基频铁磁谐振,保护容易误动。文献[26]提出了一种综合对比系统零序电压和三相电压的铁磁谐振辨识方法,但也只能够有效辨识一部分的铁磁谐振情况。文献[27]总结了单相接地故障与铁磁谐振产生的零序分量的相位关系,提出通过希尔伯特变换的方法来判别接地故障与系统基频谐振。但文中分析过程中的线路指代不明,且缺乏具体的分析过程及仿真试验验证,其可靠性难以保证。

      中性点经消弧线圈接地系统在消弧线圈接近全补偿的情况下,系统可能发生串联谐振,出现较高的零序电压。在发生单相接地故障时阻尼电阻退出运行,如果接地故障消失后阻尼电阻没有快速投入,就可能造成串联谐振,出现零序电压异常升高的现象,与单相接地故障现象类似。依靠零序分量启动的保护,同样不能准确识别出串联谐振过电压,出现误动。与文献[26]相似,文献[28]通过对比零序电压和三相电压来辨识消弧线圈串联谐振,虽然该方法设计简单,现场改动不大,且具有实用性,但并不能有效辨识出串联谐振的所有情况。

      另外,实际系统中还存在一些测量误差。其中一项就是角度测量误差。角度测量误差主要来源于一次电流较小时零序电流互感器的测量误差,零序电流越小,信号频率越低,零序电流互感器的角度测量误差越大[29]。零序电流互感器的角度测量误差总是使装置感受到的零序电流更为超前,这往往给基于零序电流相位关系的保护判据带来不利的影响。

      综上,当前保护算法对于铁磁谐振、串联谐振以及互感器测量误差等系统异动情况还不能与小电流单相接地故障进行完全的有效区分,并且很多选线装置并没有像对零序电压进行频谱分析的这种功能,故障与扰动的有效辨别对接地保护跳闸实现快速就近隔离故障的目标来说依旧是个难题。

      4 小电流接地故障保护装置实际运行情况

      由于暂态法选线成功率高,适应性广,且不受消弧线圈影响,不需要安装额外的一次设备、安全性好,目前国内主流厂家生产的接地故障保护装置基本都采用暂态法作为主保护[2]。然而,尽管占据当前小电流接地故障检测技术主流的暂态法可靠性较高,但与选线成功率100%的目标还有很大差距,对于相继接地、高阻接地、间歇性接地等故障的处理效果仍不理想。

      国网福建省某地市公司下辖的15个变电站安装的暂态保护装置,根据调度部门和运检部门的记录和反馈,其中14个变电站在2012年至2015年6月期间有记录的故障共134次。其中,正确选线109次,占81.3%;未实现准确选线的具体情况如下:

      1)装置运行正常,高阻故障未启动4次,占 3.0%;

      2)相继故障,仅上报一次选线结果,计为选线错误或未启动 4 次,占3.0%;

      3)间歇性故障,每次持续时间低于永久故障时间而未上报 3 次,占2.2%;

      4)故障线路极性错误导致选线错误3次,占 2.2%;

      5)接入了消弧线圈柜导致选线错误2次,占1.5%;

      6)接线与线路参数设置不一致导致选线错误2次,占 1.5%;

      7)故障出线无信号导致选线错误3次,占2.2%;

      8)装置运行正常临时被退出运行导致未选线的故障2次,占1.5%;

      9)装置丢失历史数据无法确认的故障2次,占1.5%。

      国网山东省某地市供电公司针对辖区内小电流接地保护装置动作情况进行统计,安装XJ系列装置的17所变电站2017年动作成功率为80.96%(故障共计42次,正确动作34次,装置退出4次,选线正确通信问题未上报2次,高阻故障未启动2次)。

      总体看来,当前小电流接地保护装置的选线准确率已实现较高水平,除通信错误、接线错误、装置自身问题等系统原因造成选线错误以外,高阻接地、相继接地、间歇性接地故障的有效处理仍是一个难题。就故障保护跳闸功能的投入来讲,小电流接地故障检测与保护仍面临较大挑战。

      5 结论

      社会经济的发展、配电网规模的扩大以及全民安全意识的增强,对电力系统供电质量提出了更高要求。小电流接地故障处理原则改“带故障运行”为“快速就近隔离故障”,给接地保护带来新一轮发展契机的同时,也给故障检测与保护技术带来了极大的挑战。本文总结了当前小电流接地保护技术适用的范围及存在的问题,分析表明,当前小电流接地故障保护领域中存在以下问题:故障检测算法的可靠性不高,难以有效处理相继故障、同杆并架线路接地故障;高阻接地故障保护方法的适用性不广,耐接地电阻能力不高;间歇性接地故障的划分不明晰,难以实现系统内上下级保护的配合以及故障与系统扰动的区分复杂等暂未解决的难题。小电流接地保护准确可靠跳闸、隔离故障面临巨大挑战,给系统供电的安全可靠性带来威胁。因此,小电流接地故障保护算法需进一步的改进和完善,才能配合保护跳闸实现高可靠性地快速就近隔离故障。本文的具体分析也为后续小电流接地保护领域的技术完善提供了方向。

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      基金项目

      国家自然科学基金(52077221)。

      National Natural Science Foundation of China(52077221).

      作者简介

      • 刘萃萃

        刘萃萃(1999),女,硕士研究生,研究方向为配电网故障检测与保护,E-mail:15621026398@163.com。

      • 薛永端

        薛永端(1970),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为配电网接地故障分析与保护、配电网触电与电气安全防护。通信作者,E-mail:xueyd70@126.com。

      • 徐丙垠

        徐丙垠(1961),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电力系统故障监测,配电网继电保护与自动化、配电物联网、用户侧储能控制等,E-mail:xuby@vip.163.com。

      出版信息

      文章编号:2096-5125(2022)03-0213-08

      中图分类号:TM77

      文献标志码:A

      DOI:10.19705/j.cnki.issn2096-5125.2022.03.003

      收稿日期:2022-01-29

      修回日期:2022-03-30

      出版日期:2022-05-24

      引用信息: 刘萃萃,薛永端,王超等.小电流接地保护跳闸给故障检测与保护带来的机遇与挑战[J].全球能源互联网,2022,5(3):213-220 .LIU Cuicui,XUE Yongduan,WANG Chao,et al.Opportunities and Challenges Brought by Tripping of Small Current Grounding Fault Protection to Fault Detection and Protection[J].Journal of Global Energy Interconnection,2022,5(3):213-220 (in Chinese).

      (责任编辑 张鹏)
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