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      小電流接地選線裝置的介紹
      • 內容介紹
      基本信息

      小電流選線及時準確地判定接地回路是快速排除單相接地故障的基礎,也是小電流選線的核心功能。但早期的選線裝置常發生誤選和漏選,效果不能令人滿意!斑x線準確率偏低”是長期困擾人們的難題。

      在小電流接地選線裝置自20世紀80年代問世以來,已經歷了幾次技術更新換代,其選線的準確性也在不斷提高,盡管設備廠方宣稱100%的選線正確率,但工程實際應用中均存在誤判率較高的問題,使許多用戶有一種不用麻煩,用了也麻煩的感覺,故現場很多情況下都是選檢設備閑置退出而采用手動拉閘試驗的原始方法查找接地。

      特點

      分析小電流系統單相接地時的運行狀態,其不同于正常運行狀態的信息主要有2點:故障線路流過的零序電流是全系統的電容電流減去自身的電容電流,而非故障線路流過的零序電流僅僅是該線路的電容電流。故障線路的零序電流是從線路流向母線,而非故障線路的零序電流是從母線流向線路,兩者方向相反,或者說兩者反相。從小電流系統單相接地時與正常運行時,狀態信息的不同看,故障線路的判定似乎非常容易,然而事實并非如此,其原因主要有以下四點:

      1、電流信號太小

      小電流系統單相接地時產生的零序電流是系統電容電流,其大小與系統規模大小和線路類型(電纜或架空線)有關,數值甚小,經中性點接入消弧線圈補償后,其數值數值更小,且消弧線圈的補償狀態(過補償、欠補償、完全補償)不同,接地基波電容電流的特點與無消弧線圈補償時相反或相同,對于有消弧線圈的小電流系統采用5次諧波電流或零序電流有功功率方向檢測,而5次諧波電流比零序電流又要小20~50倍。

      2、干擾大、信噪比小

      小電流系統中的干擾主要包括2方面:一是在變電站和發電廠的小電流系統單相接地保護裝置的裝設地點,電磁干擾大;二是由于負荷電流不平衡造成的零序電流和諧波電流較大,特別是當系統較小,對地電容電流較小時,接地回路的零序電流和諧波電流甚至小于非接地回路的對應電流。

      3、隨機因素影響的不確定

      我國配電網一般都是小電流系統,其運行方式改變頻繁,造成變電站出線的長度和數量頻繁改變,其電容電流和諧波電流也頻繁改變;此外,母線電壓水平的高低,負荷電流的大小總在不斷地變化;故障點的接地電阻不確定等等。這些都造成了零序故障電容電流和零序諧波電流的不穩定。

      4、電容電流波形的不穩定

      小電流系統的單相接地故障,常常是間歇性的不穩定弧光接地,因而電容電流波形不穩定,對應的諧波電流大小隨時在變化。

      原理分析

      編輯

      基于小電流接地系統發生單相接地時具有的特點,目前,小電流接地信號裝置的設計判據主要有以下8種:

      ①反映零序電壓的大;

      ②反映工頻電容電流的大;

      ③反映工頻電容電流的方向;

      ④反映零序電流有功分量;

      ⑤反映接地時5次諧波分量;

      ⑥反映接地故障電流暫態分量首半波;

      ⑦信號注入法;

      ⑧群體比幅比相法。

      選線誤判原因分析

      由于各種干擾的影響,特別是當系統較小或是加裝自動調諧的消弧線圈后,電容電流數值較小,接地點電弧電阻不穩定時,零序電流(或諧波電流)數值很小,可能被干擾淹沒,其相位不一定正確,從而造成誤判。工程上所采用的零序電流互感器精度太低。當原方零序電流在5A以下時,許多廠家生產的零序電流互感器,帶上規定的二次負荷后,變比誤差達20%以上,角誤差達20'以上,當一次零序電流小于1A時二次側基本無電流輸出,無法保證接地檢測的準確度,且選線檢測裝置用的電流變換器線性性能差,目前變電站自動化系統的選線檢測元件大多按保護級選擇,保護級互感器在所測電流遠小于額定電流值時,綜合誤差難以滿足要求,兩級電流變換元件的總誤差是造成現場誤判的主要原因。工程實際中使用的零序濾序器的線性測量范圍超出了實際可能的接地電容電流。

      1、零序電流互感器誤差分析

      零序電流互感器的工作條件屬于套管型(或稱母線型)電流互感器,這種電流互感器原方無繞組,而是將被測回路的導體(引線套管或匯流排)或電纜穿過它的內孔,作為原方繞組,因而僅有1匝。套管型電流互感器在其原方電流小于100A時已不能保證準確度,一般的電流互感器在制作時,額定電流400A以下多采用多匝式結構,這是因為電流互感器的誤差決定于它的鐵心所消耗的勵磁安匝I0N1(磁勢)占原方繞組總勵磁安匝I1N1(磁勢)的百分數,對于同一臺鐵心,在相同的原方電流下,原方繞組匝數越少,誤差越大。套管型(或稱母線型)電流互感器原方繞組僅有1匝,原方電流里激磁電流占的比例較大,造成較大誤差[1]。而零序電流互感器實際應用在小電流接地系統中,其原方電流值均很小,正常運行時其原方基本無電流,出現接地故障時其原方電流(故障電流)也很小,一般在10A以下。如該系統接地故障電流大于.10A時,規程規定要裝設消弧線圈進行補償,帶有消弧線圈補償時接地故障電流更小,一般小于2~5A(可小到0.2~0.5A)。在這樣小的原方電流下常規零序電流互感器的變比和相角誤差均很大,所以一般各互感器生產廠家對零序電流互感器均不能給出變比,也無誤差保證指標。從零序電流互感器的實際一、二次電流變化曲線(變比曲線)中可知:零序電流互感器的電流變比值隨一次電流值變化很大,而一次電流在小于1A時,已經不能再給出具體的二次電流輸出值。

      經實際測量,在原方零序電流為5A以下時,各廠家生產的零序電流互感器,帶上規定的二次負荷后,變比誤差達20%~80%,角誤差達10°~50°使得利用零序電流大小與方向、零序電流中5次諧波電流大小與方向和零序有功、無功功率原理的接地檢測裝置和微機保護無法保證接地檢測的準確度。

      2、零序濾序器的誤差分析

      工程實際中使用的零序濾序器大多為三相保護用電流互感器的組合,即用三相保護電流合成零序電流,眾所周知零序濾序器本身固有的不平衡輸出使其準確性較低,而且一般保護用電流互感器在一次電流低于50%額定電流值時誤差已不能保證[3]隨著系統容量的增大考慮到電流互感器飽和的原因,保護所使用的電流互感器的變比逐漸增大,額定一次電流值多大于等于600A,因此在接地電容電流小于10A的小電流接地系統使用零序濾序器,單相電容電流僅為保護用互感器一次額定電流的0.6%,互感器綜合誤差根本無法保證。

      3、微機檢測裝置的測量誤差

      目前典型的微機選檢裝置的電流變換器均按普通保護級選擇,額定電流為5A或1A,其線性范圍為0.1~201N,而實際使用中的輸入電流在幾十毫安左右,遠超出它的線性范圍。以IN=5A為例,當系統取最大接地電容電流10A,零序電流互感器或零序濾序器取較小值60(300/5)時,二次側的電流值為0.16A;當接地電容電流值為2A時,二次側的電流值為0.03A;二次側電流值均小于0.1IN(0.5A),超出電流變換器的測量線性范圍。

      工程中采取的措施

      通過以上分析可知,測量環節的綜合誤差是目前各種微機選線裝置誤判的主要原因,工程應用中盡量使參數配合適當,減小測量環節的綜合誤差,有效提高小電流接地選線系統的選線準確率。工程中一般采取的有效措施包括:

      1)盡量選擇準確度高的專用零序電流互感器,額定原方電流的選擇應保證系統出現最大接地電容電流時能處在零序電流互感器的線性范圍內(準確限值),原方電流的線性測量范圍應向下延伸到0.2A左右,用以適應經消弧線圈接地的小電流接地系統。

      2)零序濾序器應盡量使用變比較小的計量級(最好為S級)電流互感器組合而成,較小的變比可使電容電流的二次值較大,有利于檢測裝置的電流變換器采集電流值,S級使電流互感器的測量精確線性范圍更寬,有利于測量較小的電容電流。工程實踐中不宜與計量系統合用同一電流互感器線圈。

      3)微機檢測裝置的電流變換器的線性測量范圍應與互感器的二次輸出值配套,工程實踐計算經驗表明:零序電流互感器的二次側電流一般為mA級,電流變換器的線性測量范圍應以mA級起步,例如:普通型保護零序最小檢測電流為6mA。XC-LJK最小檢測電流為5mA.德國西門子7SJ系列保護的高靈敏接地保護的零序最小檢測電流為3mA.(小電流選線可檢測的電流和零序互感器有直接關系,普通的零序互感器為毫安級,配合XC-WLH8等高精度零序,理論上可達微安級別)

      4)使用接線中盡量減小誤差和電磁干擾影響,二次電纜采用屏蔽電纜,屏蔽層兩端接地。在安裝零序電流互感器時標有"P1"(或"L1")端應朝向高壓母線,零序電流互感器與母線之間不應有接地點,即高壓電纜外皮的接地線應穿過互感器在線路側接地,當電纜穿過零序電流互感器時,電纜頭的接地線應通過零序電流互感器后接地,由電纜頭至穿過零序電流互感器的一段電纜金屬護層和接地線應對地絕緣。

      隨著技術的進步,小電流接地選線系統的功能漸趨完善,只要選擇原理與系統相適應的設備,在工程中盡量減少測量環節的綜合誤差,采取一定的抗干擾措施必將大大提高目前的接地選線準確性和可靠性。

      產品分類

      市場上的小電流選線按照選線方法分:暫態信號法、信號注入法、擾動法、行波法。行波技術最早應用在高壓領域進行測距,由于線路長、線路單一,測距效果良好。行波法在配網進行選線,面臨出線多、出線短、網架結構復雜問題,選線效果有待提高;擾動法需要跟消弧系統配合,通過改變中值電阻或調整線圈補償度來改變零序信號大小來實現選線,對系統有沖擊影響,選線效果比較可靠;信號注入法通過PT注入固定頻率信號,通過檢測信號流經回路來實現選線,該方法選線可靠性受PT容量影響,實施上相對復雜;暫態信號法是目前比較成熟可靠的選線方法,利用接地瞬時的暫態信號進行選線,暫態信號具有幅值大、不受消弧補償影響的優點,選線可靠性很高。

      選線方法

      1、基于(五次)諧波量的方法

      由于故障點電氣設備的非線性影響,故障電流中存在著諧波信號,其中以五次諧波分量為主。由于消弧線圈對五次諧波的補償作用僅相當于工頻時1/ 25 ,可以忽略其影響。因此,故障線路的五次諧波電流比非故障線路的都大且方向相反,據此現象可以選擇故障線路,稱為五次諧波法。缺點是五次諧波含量較小(小于故障電流10 %) ,檢測靈敏度低且受間歇性電弧現象影響。諧波平方和方法是將各線路3 、5 、7 等諧波分量的平方求和后進行幅值比較,幅值最大的線路選為故障線路。雖然能在一定程度上克服單次諧波信號小的缺點,但并不能從根本上解決問題。

      2、有功分量法

      零序電流有功分量是根據線路存在對地電導以及消弧線圈存在電阻損耗,故障電流中含有有功分量,非故障線路和消弧線圈的有功電流方向相同且都經過故障點返回,因此,故障線路有功分量比非故障線路大且方向相反。根據這一特點,可選出故障線路。在設計具體的選線裝置時,可利用零序電壓與零序電流計算并比較各線路零序有功功率的大小與方向來確定故障線路。

      有功分量法的優點是不受消弧線圈的影響,但由于故障電流中有功分量非常小并且受線路三相參數不平衡的影響,檢測靈敏度低,可靠性得不到保障。為了提高靈敏度,有的裝置采用瞬時在消弧線圈上并聯接地電阻的做法加大故障電流中有功分量。這樣做帶來的問題是使接地電流增大,加大對故障點絕緣的破壞,很可能導致事故擴大,且對電纜線路來說,這一問題更為突出。

      3、穩態零序電流比較法

      當中性點不接地系統發生單相接地故障時,留過故障元件的零序電流其數值等于全系統非故障元件的對地電容電流之和,即故障線路上的零序電流最大,且故障線路的零序電流方向與所有非故障線路零序電流方向相反。通過零序電流的幅值和相位的比較可以找出故障線路。

      局限性:

      ①、零序電流的測量值受到電流互感器由于飽和而產生的不平衡電流的影響。

      ②、在中性點經消弧線圈接地系統中,故障相存在零序電流。在故障線路,

      該電流方向與非故障相回路的零序電流的流向相同,但卻是感性的,它對故障點左側線路上容性的零序電流有補償作用?紤]到感性零序電流的補償作用,故障線路首端測得的零序電流數值可能小于某條其他線路首端測得的零序電流數值。

      ③、會受到過渡電阻大小的影響。

      4、注入信號尋跡法

      注入信號尋跡法簡稱注入法,在發生接地故障后,通過三相電壓互感器 (PT)的中性點向接地線路注入特定頻率(225Hz)的電流信號,注入信號會沿著故障線路經接地點注入大地,用信號探測器檢測每一條線路,有注入信號流過的線路被選為故障線路。該方法的優點是不受消弧線圈的影響,不要求裝設零序電流互感器(CT),并且用探測器沿故障線路探測還可以確定架空線路故障點的位置。

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