【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(diǎn)在 50 年代前后，大都采用中 性點(diǎn)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(diǎn)不接地或經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，所以選線原理簡(jiǎn)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(hào)以及接地點(diǎn)分區(qū)段方面投入了不少力量，利用光導(dǎo)纖維研制的架空線和電纜零序互感器 OZCT 試驗(yàn)獲得成功。法國在使用中性點(diǎn)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(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)，同時(shí)開發(fā)出了高新技術(shù)產(chǎn)品零序?qū)Ъ{接地保護(hù)。90 年代初，國外已將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理應(yīng)用于單相接地保護(hù)，并 有文獻(xiàn)提到應(yīng)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(xiàn)提及利用小波分析良好的時(shí)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(hù)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(yùn)行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護(hù)來選線。其中由南京自動(dòng)化研究院研制的微機(jī)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(xué)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(jī)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(jìn)行探索，有文獻(xiàn)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(yīng)用 DS 證據(jù)理論實(shí)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(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)并不實(shí)用，不能解決配電 網(wǎng)高阻故障選線困難等根本問題，僅對(duì)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(diǎn)的接地電流，利用零序過電流保護(hù)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(rèn)小電流系統(tǒng)技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)，但是出于經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jī)式接地故障繼電器，但都是單條線路的保護(hù)，由于技術(shù)方面的原因接地保護(hù)被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)，并沒有在選線方面做進(jìn)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(luò)結(jié)構(gòu)薄弱從 50 年代就開始了對(duì)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(duì)該項(xiàng)技術(shù)研究處于國際領(lǐng)先水平。但是，很多裝置因?yàn)閿?shù)據(jù)采集速度慢，或者因?yàn)閿?shù)據(jù)計(jì)算處理、選線速度無法滿足實(shí)時(shí)性要求，或者因?yàn)檫x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(shí)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(gè)小電流接地選線的 10kV 物理模擬實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)研究，找到了改進(jìn)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(jī)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(jī)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(diǎn)，但是由于存在易損元件、環(huán)境適應(yīng)性差、成本較高，不利于該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣。尤其是近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，高速度、高性能的單片機(jī)產(chǎn)品的出現(xiàn)以及相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的日臻完善，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，這為基于單片機(jī)控制的小電流故障選線裝置的實(shí)現(xiàn)提供了非常好的硬件基礎(chǔ)。 但是現(xiàn)有的單片機(jī)控制的小電流選線裝置中，因?yàn)閮?nèi)存空間不夠大或者速度跟不上，導(dǎo)致選線算法單一，不能很好 的滿足小電流選線實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)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(jī)方式的硬件電路的開發(fā)方案和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，嘗試了使用 C8051F120 單片機(jī)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(diǎn)。而且擴(kuò)展的內(nèi)存空間達(dá) 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(luò)結(jié)構(gòu)中，中性點(diǎn)接地方式對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行、絕緣、繼電保護(hù)等各方面都有著決定性的影響。一般而言，中性點(diǎn)接地方式直接影響到：供電可靠性；線路和設(shè)備的絕緣水平；單相短路電流對(duì)設(shè)備損傷程度；繼電保護(hù)裝置的功能；對(duì)通信和信號(hào)系統(tǒng)的影響等等。 小電流接地系統(tǒng)的特點(diǎn)： 由于中性點(diǎn)非有效接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地時(shí)，故障點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生大的短路電流，因此允許系統(tǒng)短時(shí)間帶故障運(yùn)行； 此系統(tǒng)對(duì)于減少用戶停電時(shí)間，提高供電可靠性非常有意義； 當(dāng)系統(tǒng)帶故障運(yùn)行時(shí)，非故障相對(duì)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(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致單相瞬時(shí)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(diǎn)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(diǎn)非有效接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地時(shí)，單相短路接地故障將不會(huì)形成大電流的回路，故障電流 主要由線路對(duì)地電容提供。對(duì)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(hào)混雜在上百安培的負(fù)荷電流中，使得準(zhǔn)確找出故障線路成了一個(gè)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(diǎn)不接地方式 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，實(shí) 現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，不需要在中性點(diǎn)接任何裝置。由于單相接地時(shí)故障點(diǎn)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(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的特點(diǎn)為： 1) 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相對(duì)地電壓為 電網(wǎng)線電壓。 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中 單相接地的電流為電容電流，對(duì)于規(guī)模不大的 3～ 35kV 電網(wǎng)，該電流只有幾個(gè)安培，單相接地實(shí)際并不影響向用戶供電，因?yàn)榫€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(diǎn)不接地方式是合理的。消弧線圈是一個(gè)裝設(shè)于配電網(wǎng)中性點(diǎn)的可調(diào)電感線圈，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，可形成與接地電流大小接近但方向相反的感性電流 以補(bǔ)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(diǎn)殘流很小，故很難檢測(cè)出故障線路。 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式 中性點(diǎn)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(diǎn)是： 1) 可以降低單相接地時(shí) 非故障相的過電壓以及抑制弧光接地過電壓，對(duì)設(shè)備絕緣等級(jí)要求較低，其耐壓水平可以按相電壓來選擇； 2) 接地時(shí)，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(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，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(cè)量裝置或其它高阻抗接地除外。 中性點(diǎn)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(diǎn)對(duì)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(duì) 9 地的電容，那么接地電流為零，不影響對(duì)用戶供電。為了討論方便，認(rèn)為三相是對(duì)稱的，并用集中電容代替分布電容，各相之間的電容對(duì)我們討論的問題沒有影響，可以作為三相對(duì)稱的電容負(fù)載處理，這樣就可把三相中性點(diǎn)不接 地系統(tǒng)單相故障等值簡(jiǎn)化成圖 。由于各相對(duì)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(dāng)發(fā)生單相接地故障后，三相電路的對(duì)稱性受到破壞 ,故障點(diǎn)就出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，當(dāng)A 相發(fā)生單相接地故障后， A 相對(duì)地電壓變?yōu)榱悖鋵?duì)地電容被短接，而 B 相和 C 相對(duì)地電壓升高 ,對(duì)地電容電流相應(yīng)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(dāng)發(fā)生金屬性接地 (即 0f ?R )故障時(shí)，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(diǎn)來確定故障線路。 圖 中性點(diǎn)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(jìn)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(luò)瞬時(shí)故障可自動(dòng)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(duì)信息系統(tǒng)的干擾；減小了對(duì)地壓網(wǎng)的反擊。 6) 另外，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)具有四個(gè)主要缺點(diǎn)： l) 弧光過電壓的危害：中性 點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過接地點(diǎn)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(kuò)大而不斷增大。 2) 當(dāng)經(jīng)過大過渡電阻接地時(shí) ，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(duì)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(yīng)要增加。 中性點(diǎn) 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障分析 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地 ,流過接地點(diǎn)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(shí)接地故障不能自動(dòng)消除，而間歇電弧接地引起的弧光過電壓使得絕緣受到嚴(yán)重的威脅。 我國部分地區(qū)，由于近幾年城市建設(shè)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(diǎn)不接地一樣。同時(shí)，故障線路中將有電流流過，接地點(diǎn) 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(luò)圖 Fig Equivalent zero sequence work diagram 中性點(diǎn)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(diǎn)與中性點(diǎn)不接地電流完全一樣。 在有多條線路情況下，當(dāng)發(fā)生金屬性接地時(shí)，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(dāng)經(jīng)過渡電阻接地時(shí)，同理，故障點(diǎn)的總電流可根據(jù)等效發(fā)電機(jī)原 理來確定，等效過程示意圖如圖 所示。 流過故障點(diǎn)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(diǎn)不接地系統(tǒng)完全相同。在過補(bǔ)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(diǎn)接地裝置的阻抗、電網(wǎng)的對(duì)地電容及故障點(diǎn)的過渡