小电流接地故障监测技术-山东科汇电气-徐丙垠

小电流接地故障监测技术小电流接地故障监测技术山东理工大学科汇电气技术研究所山东理工大学科汇电气技术研究所徐丙垠徐丙垠1主要内容主要内容u概述u小电流接地故障信号特征u稳态电气量选线方法u暂态电气量选线方法u瞬时性接地故障监测u结论2一、概述一、概述3u小电流接地故障：指小电流接地系统（中性点非有效接地系统）的单相接地故障。u小电流接地故障选线，又称小电流接地保护，选出带有接地故障的线路，给出指示信号。u小电流接地故障选线难，主要难在谐振接地系统。4小电流接地系统中性点不接地（绝缘）系统IL谐振（消弧线圈）接地系统5小电流接地系统的优点小电流接地系统的优点u主要避免接地故障跳闸，提高供电可靠性。大部分情况下，接地电弧能够熄灭，电网自动恢复正常运行。u接地电流小，可防止事故进一步扩大。u沿海某地变电所统计数据：采用小电流接地运行方式，10kV线路平均每年跳闸27次。改造为经小电阻接地之后平均每年跳闸46次采用小电流接地运行方式跳闸率减少近50%6小电流接地系统存在的问题小电流接地系统存在的问题u非故障相电压升高，危害电网绝缘。正常情况下，非故障相电压升高1.732倍。接地点间歇拉电弧，线路电容反复充放电，电压升高可达3.5倍。u接地电弧长期存在，可能烧坏接地点绝缘，造成相间短路故障。7小电流接地系统存在的问题（续）小电流接地系统存在的问题（续）u继电保护配置困难：故障电流微弱，接地电弧不稳定，接地故障选线的问题一直没有得到很好地解决；许多供电部门仍然采用拉路法选择接地线路。供电瞬时中断，影响用户用电设备正常工作，甚至可能造成停电事故。8中压配电网中性点接地方式的选择中压配电网中性点接地方式的选择u是目前行业上关注的关键技术问题之一u不是一个简单的技术经济问题。u考虑问题的角度很重要：对电网运行管理的影响用户角度：供电可靠性、电能质量（电压骤降）u考虑运行方式：N-1要求9u小电阻接地方式一度受到推崇：电网规模的扩大、电缆线路的广泛应用，使故障电流增大，接地电弧难以自行熄灭，难以体现小电流接地方式的优势。继电保护配置简单，选择性好。发生接地故障时保护瞬时动作，切除故障线路，减少过电压危害。10中性点接地方式选择（续）中性点接地方式选择（续）u近年来，小电流接地方式又引起了人们的重视：电力市场化，对供电可靠性要求不断提高。消弧线圈自动调谐技术的应用，可以精确地补偿电容电流，使接地点电流尽可能的小，提高了电弧自动熄灭的几率。小电流接地故障选线技术取得了重大进展统计数据表明：电缆网络也存在大量的瞬时性故障11国际上情况国际上情况u法国早期采用中性点不接地或消弧线圈接地方式1960年代推广小电阻1990年代改为谐振接地发明了PDTR选线法u英国中压电网中性点主要采用大电流接地方式英格兰北部的约克郡（York)电力公司已对50个变电所中压配电网进行了消弧线圈接地改造12国际上情况（续）国际上情况（续）u意大利中压配电网中性点主要采用不接地方式采用瞬时短接接地相母线的方法消弧、选线接地瞬间故障电流大，灭弧效果不理想。2000年以来实施谐振接地改造工程，已有25%的变电所完成改造。采用可调消弧线圈后，接地故障引起的供电中断减少50%以上。采用固定调谐消弧线圈，接地故障引起的供电中断减少26%以上。13u德国：广泛应用谐振接地方式供电可靠性很高14国内情况国内情况u有人主张城市电缆配电网络采用小电阻接地u深圳、广州、北京等地的部分电缆网络采取了小电阻接地方式15建议：尽量采用谐振接地方式建议：尽量采用谐振接地方式16二、小电流接地故障信号特征二、小电流接地故障信号特征172.1稳态分析稳态分析A相接地后,接地相电压为零,非故障相电压升高1.73倍,零序电压与故障前故障点电压大小相等，极性相反。接地点电流是正常运行时三相对地电容电流的算术和。EAECEBUB0UC0U0ABCoIcIfIc18中性点不接地电网中性点不接地电网零序等效网络零序等效网络19 中性点不接地电网零序电流、电压关系中性点不接地电网零序电流、电压关系u故障线路零序电流是所有非故障元件（线路）电容电流之和，方向是由故障点流向母线。u非故障相零序电流等于线路本身电容电流，方向由母线流向故障。u故障线路电流大于非故障线路，二者反极性。IhIf20谐振接地电网谐振接地电网零序网络零序网络21 消弧线圈接地电网零序电流、电压关系消弧线圈接地电网零序电流、电压关系IhIfLu过补偿状态下，故障线路电流方向与非故障线路一致，由母线流向故障点，幅值往往也小于非故障线路。u故障线路电气量失去“唯一性”特征，这是谐振接地系统小电流接地故障选线难的根本原因。22 2.22.2暂态分析暂态分析 暂态过程：u故障相电压突然降低引起的放电电流，不经过电源流向故障点，频率在数千赫兹，衰减快；u故障相电压突然升高，引起的电容充电电流，经过电源形成回路，频率数百赫兹，衰减慢。ABCIf放电充电23u分析暂态过程需要使用变换矩阵是实数的模变换法u实际工程中，一般使用卡伦包尔（Karenbauer）变换。u模量1、2是两相导体（A、B相与A、C相）之间流动，参数与正序网络一致。u模量0在三相导体与大地之间流动，参数与零序网络一致。接地电流计算复合模网24接地电流计算（零序）简化等效电路L等于2倍的线模（正序）电感，R是3倍的过渡电阻加上线模（正序）电阻。e(t)是虚拟电压源，与故障前故障点电压大小相等，方向相反。25接地电阻较小时等效电路。充电过程短暂，可以忽略消弧线圈影响。故障发生在电压最大值时电流：-衰减系数-回路自由振荡频率26u暂态电流远大于稳态电容电流。暂态最大电流与稳态电容电流之比，可达到几倍到十几倍。u暂态最大电流值与故障时电压相角有关。一般故障都发生在电压最大值附近。u暂态电流值不受消弧线圈的影响。暂态接地电流特点暂态接地电流特点27接地电阻较大时等效电路。充电过程长，可达数十个ms，可以忽略串联电感的影响。接地电阻比较大时，零序电压缓慢上升。28间歇性接地（拉弧）现象间歇性接地（拉弧）现象u故障点往往在电压峰值时击穿，电流过零时熄弧，在电压出现另一次峰值时又击穿，可能在一段时间后消失，也有可能持续发生。u小电流接地系统对接地故障续流能力差，故障点电流微弱，易出现间歇性接地故障现象。u永久接地故障，由于接地电流小，也存在接地电弧不稳定现象，故障电流有效值及过渡电阻在一个周波内变化较大。29间歇性瞬时性接地故障录波图间歇性瞬时性接地故障录波图30三、稳态电气量选线方法三、稳态电气量选线方法31基于稳态工频量的方法基于稳态工频量的方法u零序电流继电器u零序电容无功功率继电器u零序电流幅值、相位群体比较法u负序电流比较法u优点：简单易行u缺点：稳态电流小，灵敏度低。不能用于消弧线圈接地的系统受故障点不稳定影响32基于（五次）谐波量的方法基于（五次）谐波量的方法u检测零序谐波电流、功率，检测故障线路。u谐波量小，灵敏度低。u受故障点不稳定影响33有功功率法有功功率法u利用故障线路零序有功功率大于非故障线路且方向相反的特点选线u简单，不受消弧线圈影响。u有功功率含量小，受TA，TV误差影响，灵敏度得不到保证。34投入中电阻法投入中电阻法u在中性点瞬间投入中电阻，使零序电流的有功分量明显加大，解决灵敏度问题。u实际是将小电流接地故障转化为大电流接地故障u带来的问题是使接地电流增大，加大对接地点绝缘的破坏，可能导致事故扩大。对电缆线路来说，这一问题更为突出。u施工复杂、成本较高u瞬时改变消弧线圈调谐度的残余电流增量法，与投入中电阻法类似。35注入信号寻迹法注入信号寻迹法u注入225Hz信号，检测线路中信号电流，确定故障点。u已在国内获得较广泛应用u需向系统注入信号，构成较复杂，投资大。u适用于电阻较小的稳定接地故障36故障相瞬时短接法u发生接地故障时，在母线处瞬间短接故障相，使接地电流分流，自动熄灭。u利用短接开关投入前后零序电流的变化选择故障线路u需要配备高压开关u灭弧效果不如谐振接地37四、暂态电气量选线法四、暂态电气量选线法38 暂态电流远大于稳态电容电流，且不受消弧线圈的影响。39实际故障零序电流波形故障线路零序电流40优点优点u暂态零序电流数倍于稳态值，有时达十几倍，灵敏度高。u不受消弧线圈的影响u不受故障点不稳定的影响u可以检测瞬时性故障414.1传统暂态选线方法-首半波法u1950年代国外提出零序电压电流初始极性比较法u1970年代国内研制出首半波法的接地保护装置u极性正确时间短，受电网参数、短路相角影响。u受当时技术条件限制，处理方法简单。u0i0424.2 现代暂态选线法现代暂态选线法u计算机、微电子技术的发展，为开发暂态电气量选线新技术创造了条件。u行波测距技术已在输电线路中应用，获得了极大成功，充分地体现出了暂态继电保护的生命力u自上世纪90年代起，利用暂态电气量的选线法又引起了人们的重视。u已提出多种暂态选线方法u已开发出新型暂态法选线装置，实际故障选线效果良好。43u可借鉴稳态选线原理故障线路暂态零序电流幅值大于非故障线路，极性相反。比较暂态零序电流的幅值与极性选择故障线路u问题：理论上不严格，检测时间窗的选择没有依据。44等效电路中用集等效电路中用集中电容代表线路中电容代表线路是有条件的！是有条件的！？45 在母线处检测的零模线路入端阻抗Zock的相频特性随频率而变化。在信号频率小于一临界频率s（一般大于2000Hz）时，线路可用一电容来等效。46消弧线圈接地系统消弧线圈接地系统 u消弧线圈只对故障线路电流产生影响u在频率大于一临界频率L时，故障线路检测的电流幅值大于任一健全线路，其流向也与健全线路相反，可以忽略消弧线圈影响。u一般选L为150赫兹即可满足要求。IhIfL47利用暂态信号的故障选线新方法利用暂态信号的故障选线新方法 u首先确定被利用信号频带范围（SFB），中性点不接地系统为0-h；消弧线圈接地系统为 L h。u对暂态零序电压电流信号滤波处理，获得SFB分量 u对SFB频率分量来说，故障线路幅值大于任何一条健全线路；故障线路中零序电流或容性无功功率从线路流向母线，而健全线路中从母线流向线路。48比较同一母线所有出线暂态零序电流的幅值（均方根值），幅值最大者被选定为故障线路。缺点：不能确定母线接地暂态电流幅值比较法暂态电流幅值比较法IhIfLIh49暂态零序电流极性比较法暂态零序电流极性比较法u选择一个参考线路，如果参考线路只和某一条出线反极性，则该出线为故障线路；u和所有出线都反极性则参考线路为故障线路；u和其他所有出线都同极性则为母线接地故障。IhIfLIh50暂态容性无功功率方向方法 利用零序容性电流方向，即暂态零序电压、电流间关系，可以选择故障线路。定义：51 对健全线路k有：而对故障线路i有：故障与非故障线路 q(t)极性相反，判别q(t)极性可以识别故障线路。52u0i0首半波法-初始极性相反新方法-极性永远相反u0i053 为充分利用故障后所有暂态信息及增加抗干扰能力，可对参量qt(t)在一段时间（0-T）内进行积分 得到参量Eq(t)：保护判据可定为：54 暂态容性无功功率方向保护算法可表示为：不需要比较各条出线电气量，仅根据本线路电气量即可确定是否故障线路。554.3 XJ-100小电流接地故障监测系统小电流接地故障监测系统选线装置采集故障信息、选择故障线路、上报选线结果。分析机主要用于存储、统计、分析数据 56直流电源单元CPUMenu+EEPROMXJ-100 小电流接地故障选线装置控制单元中央处理单元信号采集单元DAURUNI/OGPSPOWER5V+12V-12V24V科汇电气KeHui ElectricDAURUNDAURUNDAURUNDAURUN数据采集、选线装置57主要特点主要特点u专用高速数据采集单元，同时采样。u多CPU技术，分工协作。u采集零序电压、电流信号u可利用三相电流互感器，获取零序电流。u故障数据可存储，便于事后分析。u故障数据可远传，可异地分析。u利用瞬时故障对线路绝缘状况提出预报58 安装在现场的XJ-100小电流接地故障监测系统 59实际运行结果实际运行结果u从2001年12月至2003年5月两个电站共发生永久接地故障22次。u一次装置未动作，原因是缓变故障暂态信号微弱等原因未记录到暂态过程。u其余21次全部动作正确 60接地故障产生的零序电压、电流信号61暂态容性无功功率计算结果62间歇性接地故障产生的零序电压、电流信号63暂态容性无功功率计算结果64656667u高阻故障问题：故障电阻比较大时（数千欧姆），接地电流小，零序电压上升缓慢有统计数据表明，高阻故障发生的机率在5%左右因信号微弱，目前所有检测方法都不能保证正确选线。提高信号检测灵敏度可解决部分问题68五、瞬时性故障监测五、瞬时性故障监测69瞬时性故障与电网绝缘状态在线监测瞬时性故障与电网绝缘状态在线监测u交联聚乙烯电缆对地绝缘层破坏后，形成带水份的树状裂痕。在电缆绝缘被高电压击穿时，故障点电流引起的发热造成水气蒸发，树状裂痕变的干燥起来。在接地电弧熄灭后，过电压消失，电缆绝缘恢复，电网继续维持正常运行。u采用小电流接地方式，在出现瞬时性故障时，电弧自动熄灭，避免供电中断，提高了供电可靠性。70一次瞬时性接地故障的电压录波图71瞬时故障对系统绝缘监测提供有益信息瞬时故障对系统绝缘监测提供有益信息u捕捉电网的瞬时接地故障并指示出发生故障的线路来，将给值班人员提供非常重要的电网绝缘状态信息。u相对于利用局部放电技术对电缆绝缘进行监测，瞬时性接地故障持续时间更长，可靠性更高。72某变电所实际故障统计数据某变电所实际故障统计数据u从2001年12月至2002年12月，共捕获故障数据475次。其中永久接地故障14次，其余461次均为自恢复瞬时性接地故障。u瞬时故障线路比较集中u同一条线路在24小时内最多发生过30多次瞬时性接地故障u14次永久接地故障中，有6次在永久接地故障前3天内有瞬时接地现象。最多一次有16次瞬时性故障发生。73U0非故障线路零序电流故障线路零序电流非故障线路零序电流瞬时性故障录波图74瞬时性故障录波图75六、结论六、结论76u谐振接地方式是发展方向u小电流接地故障难，难在谐振接地系统。u稳态选线法灵敏度低，不适用于谐振接地系统。u谐振接地系统接地选线问题已达到实用化要求：信号注入法中电阻选线法暂态法u工程维护管理问题有待解决u高阻接地故障选线方法有待于进一步研究77谢谢谢谢!78