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1、小电流接地系统中接地故障检测技术及其在开关上的应用平顶山平高安川开关电器有限公司 郜延伟摘要：针对目前小电流接地系统的接地检测的难点，经过对小电流接地系统的理论、接地检测设备的原理、采样误差等方面对问题进行分析，提出了一种针对小电流接地系统的接地监测方法，并结合开关制造技术，使其和开关有机的结合起来，达到有效、可靠的检测接地故障的目的。介绍了智能型接地保护开关的使用场合、功能及使用方法0 概述在我国666 kV电力系统中普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式，当系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，接地故障电流往往很小，但系统线电压的对称性并不遭到破坏，系统还可继续运行一
2、段时间，规程规定一般为不超过2h。近年来随着电力传输容量增大、距离延长、电压等级逐渐升高，电力系统的延伸范围不断扩大，且电缆线路的使用量逐步增加，在这种情况下发生单相接地故障时，接地电流越来越大，造成接地电容电流在故障点形成的电弧不能自行熄灭，同时间歇电弧产生的过电压往往又使事故扩大，逐步发展成为短路事故，显著降低了电力系统的运行可靠性。为防止系统事故扩大，在接地运行的这段时间里必须设法排除故障或者将故障隔离，这就提出了变电站内单相接地故障选线的课题。同时在配网自动化开展过程中，由于没有有效的接地检测和保护措施，在很大成功难度上制约了配网自动化系统的实施效果和发展。小电流系统发生单相接地以后，
3、由于故障特征不明显，使得迅速、准确地指示接地回路有一定的难度，小电流系统单相接地选线一直是继电保护领域未彻底解决的一个难题。其难点主要表现在变电站内接地故障正确可靠的选线，以及配电线路上接地故障的查找及通过分段开关对故障段选择性的隔离。目前的难题主要有：缺少准确获取接地故障特征量（o、o、相位角、五次谐波等）的装置；干扰信号对故障特征量的影响（由于特征量信号小，而所处的环境中电磁干扰又很大）；科学的判定原理和可靠的判断设备（继电保护装置）。变电站用的小电流接地选线装置自20世纪80年代以来，众多大专院校、研究院、生产厂家都致力于这一产品的开发与生产，提出了不少新思路与新方法，提出了多种选线原理
4、，并研制基于这些选线原理的多种产品，已经历了几次技术更新换代，其选线的准确性也在不断提高。但是目前尽管有设备厂家宣称100选线正确率，但工程实际中均存在误判率较高的问题，且硬件的可靠性较低，从现场运行反馈回来的信息来看，用户对这种产品颇有微词, 许多用户有一种不用麻烦，用了也麻烦的感觉，故现场好多情况都是选检设备闲置退出而采用手动拉闸试验的原始方法查找接地，自动选线技术在90年代末期陷入低谷，据称很多地区选线装置退出率达到90%以上。用户基本上处于一种抵触状态，一方面为急需要解决选线问题着急，一方面为没有可信赖的装置而发愁。而配电线路上，能够对单相接地故障进行分段保护的开关装置几乎处在空白阶段
5、（不少厂家正在着手做这方面的工作，并已有产品通过试验），由于对接地故障准确判断并实施继电保护的设备的缺失，很长时间以来没有得到很好的解决，在很大程度上也制约了配网自动化技术的使用和开展。虽然在线路上有些地方在使用接地故障指示器，以方便进行接地故障点的查找。但由于线路上可以获得的信号源更有限，使得这种产品的误判率更高，达不到缩短故障查找区段、快速找出故障的目的。1 小电流接地系统单相接地故障的特点要了解小电流接地故障的检测为什么困难，难在那里，首先要了解一下小电流接地系统发生单项接地故障的特点。1.1 单相接地时零序电压、零序电流等特征量的关系1.1.1当发生完全接地时，o超前o 90度；当发生
6、不完全接地时，o和o的夹角=tan-1RgC。1.1.2 故障线路流过的零序电流是全系统的电容电流减去自身的电容电流，而非故障线路流过的零序电流仅仅是该线路的电容电流。1.1.3 故障线路的零序电流是从线路流向母线，而非故障线路的零序电流是从母线流向线路，两者方向相反。1.1.4 对于某一区段（比如开关前后）的负载侧出现完全接地故障时，o超前o 90 ；电源侧出现完全接地故障时，o滞后o 90 。12 小电流接地特征信号（o、o、相位角、五次谐波等）的特征1.2.1 电压信号较大且稳定。零序电压信号比较明显，且较稳定。1.2.2电流信号太小。小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其
7、大小与系统规模大小和线路类型(电缆或架空线)有关，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，接地基波电容电流达到0.2A左右，而5次谐波电流比零序电流又要小2050倍。1.2.3信号干扰大、信噪比小。小电流系统中的干扰主要包括2方面：一是在变电站和发电厂的小电流系统单相接地保护装置的装设地点，电磁干扰大；二是由于负荷电流不平衡造成的零序电流和谐波电流较大，特别是当系统较小，对地电容电流较小时，接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。1.2.4随机因素影响的不确定。我国配电网一般都是小电流系统，其运行方式改变频繁，造成变电站出线的长度和数量频繁改变，其电容电流和谐波电流
8、也频繁改变；此外，母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断地变化；故障点的接地电阻不确定等等。这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不稳定。1.2.5电容电流波形的不稳定。小电流系统的单相接地故障，常常是间歇性的不稳定弧光接地，因而电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。图4 接地故障时各种电容波形2 小电流接地系统接地检测、装置的设计判据、工作原理及比较一套好的接地信号检测装置应该具备以下几个基本条件：设计判据选择合理、能够准确的获得所需要的特征信号（信号误差小）、设计原理得当（避免盲区，误判几率小）、检测装置能够准确可靠的根据信号作出判定（装置判断误差小）、安装方便（便于
9、施工）、性能价格比低。（注：对于配电线路上的故障隔离、保护开关设备，由于以前基本是空白，这里不作讨论）2.1 小电流接地系统的设计判据和选线方法。基于小电流接地系统发生单相接地时具有的特点，目前，小电流接地信号装置的设计判据及选线方法主要有以下几种：反映零序电压的大小；反映工频电容电流的大小；反映工频电容电流的方向；反映零序功率方向；反映接地时5次谐波分量；反映接地故障电流暂态分量首半波；群体比幅比相法；信号注入法。附表1是对各种方法的分析比较。2.2目前接地选线装置选线误判原因分析2.2.1由于各种干扰的影响。特别是当系统较小或是加装自动调谐的消弧线圈后，电容电流数值较小，接地点电弧电阻不稳
10、定时，零序电流(或谐波电流)数值很小，可能被干扰淹没，其相位不一定正确，从而造成误判。2.2.2 零序电流信号检出精度太低。零序电流信号检测一般使用零序电流互感器或零序滤序器（三相电流互感器合成），目前使用的零序电流互感器或零序滤序器，带上规定的二次负荷后，变比误差达20以上，角误差达20以上，当一次零序电流小于1 A时二次侧基本无电流输出，无法保证接地检测的准确度。使得利用零序电流大小与方向、零序电流中5次谐波电流大小与方向和零序有功、无功功率原理的接地检测装置和微机保护无法保证接地检测的准确度。特别是有些使用的零序滤序器的线性测量范围超出了实际可能的接地电容电流，无法保障检测精度，是造成现
11、场误判的主要原因。2.2.3 原理的局限性。有些选线装置在原理上存在着盲区，有一定的局限性。这方面通过近年来的研究，只要能够正确地获取信号，从原理上已经有了可靠的判定方法。2.2.4 微机自动选线装置硬件的可靠性。3 一种接地检测技术及其在开关上的应用通过上面的分析我们可以看出，小电流的接地检测和保护技术的有效实施可以采用以下两种方式：从原理上着手，利用综合判据，对接地故障时的特征量综合分析，达到正确判断的目的。其优点是对检测元件的要求不是太高；缺点是对检测装置的硬件、软件要求高，用于对配电线路上对分段开关的控制时不易实现且成本高。从提高检测元件（特别是零序电流检测元件）的精度和降低信号干扰着
12、手，利用零序电压、零序电流及其相位关系进行判断。其缺点是检测元件成本高；优点是对软件要求低、硬件可靠（可以使用继电器控制），即可在变电站使用，也可用于配电线路上。目前世界各国对小电流接地检测装置研究的出发点不尽相同，日本基本上沿着第二种方法的思路进行发展的，并且取得了发展，在小电流接地检测方面取得了较大的成功。平高安川公司是平高电气和日本安川共同出资成立的合资公司。鉴于目前国内小电流选线的难点和线路上接地故障保护检测技术的空白，平高安川开关电器有限公司利用安川技术，自行开发出了智能型接地保护开关。该开关根据零序电流、零序电压的大小及其相位角的关系，进行综合判断，实现正确、可靠的对接地故障判断。
13、创造性的将零序电压传感器和零序电流传感器等内置到开关中，有效地解决了零序电压和零序电流检测元件在安装不便，寿命短、接线复杂、干扰大等缺陷。既可以用到变电站内，有效的实现变电站内的接地选线；又可以用在配电线路上，实现对接地故障进行保护、隔离，便于查找故障，同时为配网自动化技术的优先开展奠定基础。该开关由内置接地检测传感器的负荷开关（以下简称“开关本体”）和控制器两部分组成。控制器按照使用地方的不同分为3种，分别适应于不同的使用场合（其具体功能在下文“智能型接地保护开关的应用”中描述）。开关本体内置有零序电流传感器（ZCT）、零序电压传感器（ZPD）及3只电流传感器（CT），开关本体即可以和控制器
14、一起使用构成智能型接地保护开关，又可以和各种FTU一起使用，构成配网自动化系统。4 内置接地检测传感器的负荷开关的技术特点4.1开关本体的外观图5：开关本体外观及ZCT/CT组件的外观 4.2 开关本体的技术参数和特点4.2.1 负荷开关的基本技术参数序号项目单位数值1额定电压kV122额定电流A6303工频耐压（1分钟）kV42484冲击耐压kV75/855短时耐受电流（有效值）206机械寿命次200007电气寿命次10008开断短路电流kA 44.2.2 负荷开关的特点1) 开关采用全密封防爆结构，具有简单可靠的操作机构、免维护、长寿命的特点。开关在其设计寿命期30年内免维护。2) 外壳采
15、用SUS304海军军用优质不锈钢板，一次卷筒、在1500大气压力下水压膨胀成形、采用机器人等离子溶接技术，焊接质量稳定。其圆筒外形，具有抗压强度高、内部电场均匀等优点。不锈钢外壳及外表面数次喷涂聚氨脂树脂漆，使产品具有更好的耐腐蚀性能。3) 高品质的瓷套具有优越的绝缘性、耐候性和机械强度，外加绝缘护套，保证绝缘性良好，防污等级达到IV级4) 采用旋转消弧方式（安川最先将这一技术在世界上使用），使产品构造简单，极大减少操作功，使操作机构更可靠、寿命更长。5) 断口间开距大（27mm以上），在0表压下也可耐受额定电压和工频电压，并能正常开断额定电流。6) 负荷开关SF6年泄漏率小于0.1，确保30年使用寿命。操作机构防护等级达到IP67，完全防尘防浸水，确保操作机构使用寿命内不发生锈蚀等故障，真正做到免维护。7) 开关设有防爆装置，当内部的气体压力异常升高时，能防止壳体的破坏，防止容器内物体向外飞散，安全性高。8) 开关设有SF6气体压力闭锁装置，当压力下降到设定值时，启动锁定装置，闭锁开关的操作，并通过指示装置发出报警信号。9) 同系列的产品在日本多地震、沿海气候环境下具有30年10万台运行经验。故障率在每1万台年不
