【正文】 3 1 緒論 小電流接地系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 世界各國的配電網(wǎng)中性點在 50 年代前后，大都采用中 性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式；到 60 年代后，有的采用直接接地和低電阻接地方式，有的采用經(jīng)消弧線圈接地方式。日本在供電、鋼鐵、化工用電中普遍采用中性點不接地或經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，所以選線原理簡單，采用基波無功方向方法，近年來，在如 何獲取零序電流信號以及接地點分區(qū)段方面投入了不少力量，利用光導纖維研制的架空線和電纜零序互感器 OZCT 試驗獲得成功。法國在使用中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)幾十年后，現(xiàn)在正以諧振接地系統(tǒng)取代中性點經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，同時開發(fā)出了高新技術(shù)產(chǎn)品零序?qū)Ъ{接地保護。90 年代初，國外已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡原理應用于單相接地保護，并 有文獻提到應用專家系統(tǒng)方法，隨著小波分析的出現(xiàn)和發(fā)展，國外有文獻提及利用小波分析良好的時頻局部性，分析故障暫態(tài)電流的高頻分量的方法。 50 年代我國有根據(jù)首半波極性研制成功的接地保護裝置和利用零序電流五次諧波研制成功的接地選線定位裝置。有些運行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護來選線。其中由南京自動化研究院研制的微機小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置，其主要原理是比較線路零序電流五次諧波的大小和方向；華北電力大學利用零序電流的五次諧波比相原理研制的 ML98 型小電流接地系統(tǒng)單相接地微機選線裝置等等。 為提高選線的正確率國內(nèi)研究人員不斷進行探索，有文獻從信息融合的思路出發(fā)，提出充分利用多方面的故障信息，探索多種選線方法使之相互融合來提高故障選擇判斷能力，并提出一種應用 DS 證據(jù)理論實現(xiàn)的多重故障特征融合選線方法。然而這種綜合選線方法運用于現(xiàn)場并不實用，不能解決配電 網(wǎng)高阻故障選線困難等根本問題，僅對選線的可靠性做出了改善。 美國、日本等國的配電電網(wǎng)采用低電阻接地方式居多，人工增大故障點的接地電流，利用零序過電流保護瞬間切除故障線路，不需要配置單相接地選線裝置，美國電力行業(yè)一般承認小電流系統(tǒng)技術(shù)上的優(yōu)點，但是出于經(jīng)濟方面的考慮 (存在許多私營電力企業(yè)，全 面的改造在經(jīng)濟上不合算 )，目前仍保持低電阻接地方式。 在采用小電流接地配電系統(tǒng)的俄羅斯、挪威、加拿大等國一直以來使用零序功率方向、零序過電流繼電器，也研制了微機式接地故障繼電器，但都是單條線路的保護，由于技術(shù)方面的原因接地保護被認為難以實現(xiàn)，并沒有在選線方面做進一步的研究，而是寧愿在供電網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)上增 加投資以保證供電可靠性。 我國由于本身電網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)薄弱從 50 年代就開始了對小電流接地系統(tǒng)接地選線原理和裝置的研究，并且相繼推出了幾代產(chǎn)品，在該領(lǐng)域發(fā)展很快，對該項技術(shù)研究處于國際領(lǐng)先水平。但是，很多裝置因為數(shù)據(jù)采集速度慢，或者因為數(shù)據(jù)計算處理、選線速度無法滿足實時性要求，或者因為選線原理有一定的缺陷，在靈敏度和可靠性方面尚欠理 5 想，裝置 在實際使用中的表現(xiàn)不能令人滿意。 2020 年 1 月 2020 年 12 月，課題組建立了國內(nèi)第一個小電流接地選線的 10kV 物理模擬實驗室，經(jīng)過多次的實驗研究，找到了改進原有選線理論及裝置的方法和措施，成功研制出基于工控機技術(shù)的小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置。 基于工控機技術(shù)的小電流故障選線裝置雖然具有速 度快、內(nèi)存大、硬盤大等優(yōu)點，但是由于存在易損元件、環(huán)境適應性差、成本較高，不利于該項技術(shù)的進一步推廣。尤其是近年來，隨著計算機硬件的發(fā)展，高速度、高性能的單片機產(chǎn)品的出現(xiàn)以及相關(guān)應用系統(tǒng)的日臻完善，單片機的應用正在不斷地走向深入，這為基于單片機控制的小電流故障選線裝置的實現(xiàn)提供了非常好的硬件基礎(chǔ)。 但是現(xiàn)有的單片機控制的小電流選線裝置中，因為內(nèi)存空間不夠大或者速度跟不上，導致選線算法單一，不能很好 的滿足小電流選線實時接收數(shù)據(jù)、實時判斷的要求，從而選線精度大打折扣。本文提出了基于單片機方式的硬件電路的開發(fā)方案和軟件系統(tǒng)設計方案，嘗試了使用 C8051F120 單片機來解決小電流故障選線問題，具有成本低、體積小、速度快、內(nèi)存大等優(yōu)點。而且擴展的內(nèi)存空間達 1M，外存采用 128M 的 FLASH 芯片，分別滿足了選線程序及故障錄波的需要。在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，中性點接地方式對于系統(tǒng)運行、絕緣、繼電保護等各方面都有著決定性的影響。一般而言，中性點接地方式直接影響到：供電可靠性；線路和設備的絕緣水平；單相短路電流對設備損傷程度；繼電保護裝置的功能；對通信和信號系統(tǒng)的影響等等。 小電流接地系統(tǒng)的特點： 由于中性點非有效接地，當系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地時，故障點不會產(chǎn)生大的短路電流，因此允許系統(tǒng)短時間帶故障運行； 此系統(tǒng)對于減少用戶停電時間，提高供電可靠性非常有意義； 當系統(tǒng)帶故障運行時，非故障相對地電壓將上升很高，容易引發(fā)各種過電壓，危及到系統(tǒng)絕緣，嚴重時將會導致單相瞬時性接地故障發(fā)展成單相永久接地故障或兩相故障。所以中壓配電網(wǎng)接地方式的選擇一般采用中性點非有效接地方式即小電流接地方式。 在小電流接地系統(tǒng)中，由于中性點非有效接地，當系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地時，單相短路接地故障將不會形成大電流的回路，故障電流 主要由線路對地電容提供。對于 10kV 架空線路來說，每 30 公里線路產(chǎn)生大約 1 安培的零序電流。這樣微弱的故障信號混雜在上百安培的負荷電流中，使得準確找出故障線路成了一個技術(shù)難題。 小電流接地系統(tǒng)不同接地方式的比較 中性點不接地方式 中性點不接地系統(tǒng)，實 現(xiàn)起來簡單，不需要在中性點接任何裝置。由于單相接地時故障點電流很小，跨步電壓和接觸電壓都較低，使人身傷亡顯著降低，鄰近通信線路干擾較小。 中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的特點為： 1) 中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓為 電網(wǎng)線電壓。 中性點不接地電網(wǎng)中 單相接地的電流為電容電流，對于規(guī)模不大的 3～ 35kV 電網(wǎng)，該電流只有幾個安培，單相接地實際并不影響向用戶供電，因為線電壓三角形沒有改變，從減少跳閘次數(shù)保證連續(xù)供電來看，采用中性點不接地方式是合理的。消弧線圈是一個裝設于配電網(wǎng)中性點的可調(diào)電感線圈，當發(fā)生單相接地時，可形成與接地電流大小接近但方向相反的感性電流 以補償容性電流，從而使接地處的電流變得很小或接 8 近于零。由于接地點殘流很小，故很難檢測出故障線路。 中性點經(jīng)電阻接地方式 中性點經(jīng)電阻接地分為高電阻接地、中電阻接地、低電阻接地三種方式。 此種接地方式的優(yōu)缺點是： 1) 可以降低單相接地時 非故障相的過電壓以及抑制弧光接地過電壓，對設備絕緣等級要求較低，其耐壓水平可以按相電壓來選擇； 2) 接地時，由于流過故障線路的電流較大，可以比較容易地檢出故障線路； 3) 有利于消除諧振過電壓和斷線過電壓，避免使單相接地發(fā)展為相間故障； 4) 當發(fā)生單相接地故障時，無論是永久性的還是非永久性的，均作用于跳閘，使線路的跳閘次數(shù)大大增加，降低了供電可靠性。經(jīng)電位指示裝置或測量裝置或其它高阻抗接地除外。 中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障分析： 電力系統(tǒng)中性點對地絕緣，即為典型的不接地系統(tǒng) ,如果發(fā)生單相接地，若不記元件對 9 地的電容，那么接地電流為零，不影響對用戶供電。為了討論方便，認為三相是對稱的，并用集中電容代替分布電容，各相之間的電容對我們討論的問題沒有影響，可以作為三相對稱的電容負載處理，這樣就可把三相中性點不接 地系統(tǒng)單相故障等值簡化成圖 。由于各相對地電容相同 ,在相電壓的作用下，各相電容電流相等并超前于相電壓 90 。 當發(fā)生單相接地故障后，三相電路的對稱性受到破壞 ,故障點就出現(xiàn)明顯的不對稱，當A 相發(fā)生單相接地故障后， A 相對地電壓變?yōu)榱悖鋵Φ仉娙荼欢探?，?B 相和 C 相對地電壓升高 ,對地電容電流相應增大。 10 圖 相電壓和零序電流的向量圖 Fig Vector diagram of Phase voltage and zerosequence current 圖 系統(tǒng)電容電流的分布向量圖 Fig Vector diagram of capacitance current of system 當發(fā)生金屬性接地 (即 0f ?R )故障時，為了便于分析，下面僅考慮故障線路。由此可見，接地電流 fI? 超前零序電壓 ?900?U ，并由線路流向母線。 正常線路 1 的零序電流： ?90101101 e31 jCB CUIII ????? ??? ）（ （ 29） 在不考慮線路電阻及接地電阻的情況下 ,3 0?I 超前 ?900?U 。我們可以利用這一點來確定故障線路。 圖 中性點不接地系統(tǒng)故障后等效過程示意圖 Fig Equivalent fault diagram of isolated neutral system 其中： CCCCA ??? 21 (211) CCCCB ??? 21 (212) CCCCC ??? 21 (213) 從 fR 兩端看進去，等效電容為 3C。隨著 fR 的增加 ,零序電壓隨著減小，給選線帶來困難，但是零 序電流與零序電壓之間的相位關(guān)系沒有變化。 2) 如雷擊絕緣閃絡瞬時故障可自動消除，無需跳閘。 4) 接地電流小，降低了地電位升高；減少了跨步電壓和接觸電壓；減小了對信息系統(tǒng)的干擾；減小了對地壓網(wǎng)的反擊。 6) 另外，中性點不接地系統(tǒng)具有四個主要缺點： l) 弧光過電壓的危害：中性 點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，流過接地點的接地電流是系統(tǒng)總的電容電流，即正常每相電容電流的三倍，這一電流隨著電網(wǎng)線路的增加，電網(wǎng)的擴大而不斷增大。 2) 當經(jīng)過大過渡電阻接地時 ，零序電流很小，所以故障定位難，不能夠正確迅速切除接地故障線路。單相接地后，健全相對地電壓升高 3 倍，所以系統(tǒng)的絕緣要按線電壓考慮，在絕緣上投資相應要增加。 中性點 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障分析 中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地 ,流過接地點的接地電流是電容電流，屬小電流接地系統(tǒng)，可是隨著系統(tǒng)增大，線路的電容電流增大，使越來越多的瞬時接地故障不能自動消除，而間歇電弧接地引起的弧光過電壓使得絕緣受到嚴重的威脅。 我國部分地區(qū)，由于近幾年城市建設步伐加快，架空線路不斷下地，電纜路的比重逐年上升。圖如圖 。各電量特征與中性點不接地一樣。同時，故障線路中將有電流流過，接地點 f 的電流 fI? 為所有線路電容電流 CB II ?? ? 和電感電流 LI? 的總和。 15 圖 等效零序網(wǎng)絡圖 Fig Equivalent zero sequence work diagram 中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，其零序電壓及非故障線路接地電容電流的特點與中性點不接地電流完全一樣。 在有多條線路情況下，當發(fā)生金屬性接地時，流過消弧線圈的電流為： f 12123 j ( )1[ 3 j ( ) ]jALNA NI E C C C IECCC L?? ?? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 216） 當經(jīng)過渡電阻接地時，同理，故障點的總電流可根據(jù)等效發(fā)電機原 理來確定，等效過程示意圖如圖 所示。 流過故障點的電流為： 16 ]1)(3[)(3210210LjCCCjUICCCjUINLNf??????????????????? (218) 圖 等效過程示意圖 Fig Schematic plot of equivalent process 由上述分析可得以下結(jié)論： l) 經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，電網(wǎng)中零序電壓及非故障線路中的零序電容電流的相位和大小與中性點不接地系統(tǒng)完全相同。在過補償?shù)那闆r下，故障線路的零序電流超前于零序電壓 90 ，即也由母線流向線路，與非故 障線路的一樣。顯然，零序電壓的大小受過渡電阻大小的影響，過渡電阻大，零序電壓小，零序電流的大小則隨著零序電壓的變化而變化。 4) 電力系統(tǒng)接地電流的大小決定于系統(tǒng)中性點接地裝置的阻抗、電網(wǎng)的對地電容及故障點的過渡