自动跟踪补偿消弧装置对单相接地故障的处理

1、第三章 自动跟踪补偿消弧装置对单相接地故障的处理3.1单相接地故障性质的判断配电网在运行过程中可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时最危险的是各种形式的短路故障。统计资料表明，配电网中以单相接地短路故障发生最多，高达80%。谐振接地配电网中发生单相接地故障时，由于故障点的电流很小，而且三相的线电压依然保持对称，不影响负荷的供电，因此属于不正常运行状态。由电路理论分析可知，电网发生短路故障后，电压、电流包含随时间衰减的暂态分量和幅值不随时间变化的稳态分量。3.1.1瞬时性单相接地故障分析判断根据实际运行经验证明，接地电流较大时，会在故障点产生持续性的弧光接地。为了消除电弧过程中可能带来的危

2、害，我国电力设备过电压保护设计技术规程规定，在3-10KV系统中接地电容电流超过30A，20KV及以上系统中超过10A，其系统中性点均应采取谐振接地方式。1.零序稳态量故障特性分析对于谐振接地系统，正常运行时中性点电压为零，消弧线圈不起作用。当发生单相接地故障时，三相对地通路的对称性遭到破坏，由于中性点悬空，一相接地后中性点电位将发生偏移，导致其三相对地电压变化。中性点电压升高，在消弧线圈中产生于线路零序电容电流极性相反的感性电流，为：产生的感性电流可以抵消系统的电容电流，从而减少流经接地点的故障电流，是故障电弧在电流过零点易于熄灭。如果故障点绝缘恢复速度大于故障相电压恢复速度。电网将恢复正常

3、运行。根据对电容电流补偿度的不同，消弧线圈补偿方式分为全补偿、欠补偿、过补偿。为了防止线路发生串联谐振，实践中一般采用过补偿方式。在过补偿方式下，故障线路的零序电流幅值很小，甚至小于健全线路。放向也与健全线路相同，从母线流向线路。对于自动跟踪补偿系统，正常运行时全补偿，发生单相接地故障时，故障线路的零序电流幅值更小，理论上为零。2.零序暂态量故障特性分析对于暂态过程，由于消弧线圈对暂态高频电流的电抗非常大，几乎可以认为是开路，因此实际上它不影响暂态电流分量的计算。同时，考虑到消弧线圈在电网正常运行状态下的电流约等于零，且不能发生突变，所以中性点谐振接地系统与中性点不接地系统的暂态过渡过程近似相

4、同。文中提出，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值瞬间，而当故障发生在相电压接近于最大值瞬间时，暂态电感电流约等于零。因此，暂态电容电流较暂态电感电流大很多，在同一电网中，无论是中心点不接地还是谐振接地，在相电压接近于最大值时发生故障，其过渡过程是近视相同的。一般暂态电容电流的持续时间很短，即使其自由振荡分量的幅值达到最大，也不会对接地电弧熄灭带来多大影响。3.1.1永久性单相接地故障分析判断永久性单相接地故障的稳态特性和暂态特性与瞬时性单相接地故障基本相同。瞬时性故障下故障点的绝缘并没有被破坏，一旦放电结束，故障点的绝缘会恢复，电网恢复正常运行；永久性故障情况下故障不

5、能自行恢复，这种情况下，故障点的绝缘被永久破坏。由于电弧燃烧时间过长可能将瞬时性故障转换为永久性故障。所以，当不论发生的是瞬时性单相接地故障还是永久性单相接地故障，都可以通过零序电压变化和电容电流的大小来判断。3.2装置对瞬时性单相接地故障的处理3.2.1.消弧线圈成套装置简介自动跟踪补偿消弧线圈可以自动适时地检测跟踪电网运行方式的变化，快速调节消弧线圈的电感值，以跟踪补偿变化的电容电流，使失谐度始终处于规定的范围内。大多数自动跟踪消弧装置在可调的电感线圈下串有阻尼电阻，它可以限制在调节电感量的过程中可能出现的中性点电压升高，以满足规程要求不超过相电压的15%。当电网发生永久性单相接地故障时，

6、阻尼电阻可由控制器将其短路，以防止损坏。其原理接线如图3-所示。自动跟踪补偿消弧线圈原理接线图自动跟踪补偿消弧线圈按改变电感方法的不同，大致可分为有分接头的调匝式，有可动铁心的调气隙式，磁阀式调节的消弧线圈，高短路阻抗变压器式消弧系统以及调容式消弧补偿装置等。3.2.2自动跟踪补偿消弧装置原理目前自动跟踪补偿消弧装置已大量的在配电网中运行，自动跟踪补偿消弧装置与人工调谐消弧线圈相比，具有显著的优越性。首先时可以避免人工调谐消弧线圈等诸多麻烦，而且不会使电网在调谐时暂时失去补偿；其次，由于自动跟踪补偿消弧装置能保证补偿精度，不仅可以提高补偿的动作成功率，同时能够限制弧光接地过电压和铁磁谐振过电压

7、，有利于电网的安全运行。自动跟踪补偿消弧装置目前厂家较多，型式也较多，但从结构和原理上大致分为以下几种型式。（一）调抽头式这种方式主要由接地变压器、可调电抗器、阻尼控制柜和微机控制器组成，对中性点引出的电网（如35KV电网），可省去接地变压器。调抽头的方式主要是利用有载开关来切换可调电抗器的抽头，进行测量调感的。其工作原理有两种方式：1.位移电压法（串联谐振法）补偿电网正常运行时中性点位移电压式中，为电网不对称系数，为相电压，为脱谐度，为阻尼率。电网运行方式不变，电网的不对称度也不变，与脱谐度无关。设在抽头时位移电压为、在抽头时位移电压为，则有因为，阻尼率可以略去，所以式中，为某一运行方式下电

8、网的电容电流，、为消弧线圈在不同抽头、时的补偿电流。于是可得式中、应同时在调谐特性曲线的连续上升（欠补偿）部分或连续下降（过补偿）部分。用这种数学模型测量的自动跟踪消弧线圈目前在国内是比较多的，它具有以下特点：（1）结构简单，操作方便，一次设备比较可靠，制造方便。（2）在处理单相接地故障时，噪音低。（3）对电网运行方式的变化能自动跟踪，响应时间也较快。但这种结构消弧线圈也有它的缺点：（1）电感量的变化是靠调节抽头获得的，调整分阶梯，补偿电流不能做到连续无级可调。（2）在数学模型中略去了阻尼率，通常电网的值较小（3%5%），但如加上消弧线圈本身的阻尼电阻，值就不能忽略，特别是在接近谐振点更是如此

9、。以致造成测量误差大，重复性不好，有的测量误差高达80%，主要就是这个原因造成的。（3）由于在调整时有阶梯和原理上的限制，不便于多台并联运行。2.变频测量法为了提高测量精度，一些厂家开发出了基于变频式测量原理的测控系统，即在消弧线圈上加装二次绕组，从二次绕组注入了变频电压信号，以改变消弧线圈在测量信号下的电抗值和电网对地的容抗值，当达到一定的频率时，消弧线圈两端的电压达到最大值，消弧线圈的感抗和电网的对地容抗相等，系统在频率时发生串联谐振，此时因为、已知，可以计算出C值，进而可以算出电网在工频状态下的电容电流值。基于变频式测量原理的消弧装置，频率的变化可以做到在一定的频带范围内无级可调，因而可

10、以精确地找出谐振点以达到精确测量的目的，但基于这种测量原理的消弧装置有一个最大的缺陷，即不能多台自动并联。如果在某台消弧装置测量时，如电网中还有另外的消弧装置在运行，不能准确测出电网中已运行的消弧装置的感抗值，所以不能自动并联。（二）直流偏磁式这种方法主要是在消弧线圈的铁芯上加上直流偏磁绕组调整铁芯的饱和从而改变补偿电流。采用这种方式的优点主要是结构简单、占地小，但其本身是一个谐波源，不能并联运行，可控硅容易损坏，在电网中运行的较少。（三）调容式这种方法主要是在消弧线圈的二次绕组带有若干组低压电容器，用电容电流来抵消电感电流，起到改变补偿电流的作用。在补偿时的一定时间段内可以投小电容器，把残流

11、放大，然后通过零序电流进行选线，也就是所谓的残流增量法。调容式自动消弧装置是在调抽头的基础上发展起来的，去掉绕组上的分接头、在消弧线圈上加上一个二次绕组，二次绕组引出，并接若干组电容器，电容器通过开关或者可控硅投切，在运行时利用电容电流抵消一部分消弧线圈一次侧的电感电流，通过改变投入电容器的组合，来达到改变电感电流大小，调节补偿电流之目的。（四）调气隙式调气隙式消弧线圈依靠改变可动铁芯在气隙中的位置来调节电感L值，它使电感无级可调，从而避免了电感不能连续可调的缺点。但是这种靠调节铁芯位置来改变电感大小的方法与调匝式的消弧线圈类似，存在机械传动环节，使消弧线圈的整个响应时间大大加长，它只能采用预

12、调节方式，在消弧线圈和地之间加装阻尼电阻来限制线性谐振过电压。但随着对电网特点的掌握，这种消弧装置还是有很大的市场前景。3.3.3自动跟踪消弧装置对电网的作用（1）它能对电网电容电流自动测量、对运行方式自动跟踪，自动调整补偿电流，克服了老式消弧线圈在调谐上存在的不足，如老式的消弧线圈的抽头需要停电调整。自动跟踪补偿消弧装置，由于是实时在线工作，对电容电流的测量、对电网运行方式的跟踪以及补偿电流的调整，都是自动进行不需要认为操作，更不需要停电，响应速度快，使之永远处于最佳补偿状态。（2）自动补偿电网单相接地电流促使接地电弧熄灭，自动跟踪补偿消弧装置补偿后的残流控制在一定的范围内，使之小于熄弧临界

13、值10A，便于接地电弧的熄灭，有效降低了电网的故障建弧率，使配电网的供电可靠性大幅度提高。实践证明当配电网电容电流发展到一定程度后，一旦发生单相接地，接地电弧就不能可靠熄灭，要么发展为间歇性的电弧接地产生弧光接地过电压，要么发展为稳定燃烧的电弧，由电弧的光、热作用破坏电弧周围空气的绝缘，最后发展为相间短路，甚至发生“火烧连营”事故。当电网采用自动跟踪补偿消弧装置后，由于装置能够准确地测出接地电流值，并把补偿电流值调整到最佳的补偿状态，把接地故障点的接地残流控制到熄弧临界值以下，使接地电弧能够可靠熄灭，因而能消除大多数的瞬时性接地故障，降低配电网的故障建弧率；即使对永久性接地故障，也因故障点电流

14、小，绝缘子热破坏和电弧扩散，引起的相间短路的概率大为减少，明显地提高了供电可靠性。（3）它能有效地限制弧光接地过电压，消除铁磁谐振过电压。配电网中弧光接地过电压可达，持续时间较长，因而会对电气设备造成相当大的危害。弧光接地过电压的产生原因是接地电弧不能可靠熄灭，形成间歇性的对地电弧，造成电网中电磁能的强烈振荡造成的。要限制弧光接地过电压最主要的方法就是促使电弧可靠熄灭，限制电弧重燃，而当电网加装自动跟踪补偿消弧装置后，当接地故障发生时，装置一方面向接地点提供补偿电流，减缓弧道恢复电压上升速度，促使接地电弧尽快熄灭，避免重燃；另一方面，串接在电抗器与地之间的阻尼电阻会有效地抑制弧光接地过电压。3

15、.3装置对永久性接地故障的选相选线方法3.3.1故障选线的现状在永久性接地故障的情况下，消弧线圈的调节作用将不能使接地故障自行消失，电网将会带接地故障运行，按照规程规定，应在12个小时之内找出接地的线路或故障区段从系统中切除，以保证系统的其他部分安全运行。小电流接地系统的单相接地故障选线技术，在近年来得到了较多的关注和较快的发展，目前已有多种不同的选线原理问世，许多实用化装置投入运行，取得了一定的应用效果。在已经提出的原理中，从大的方面来分，主要有基于故障信息的选线方法和基于外加诊断信号的选线方法两大类。故障信息通常是指接地故障时产生的零序电流和零序电压信息，为进行接地故障选线，必须有从系统中

16、提取出零序电流的措施，即要求出线必须装有零序电流互感器(电缆出线)或三相电流互感器(架空出线)。此外，对于不同类型的小电流接地系统，发生单相接地故障时零序电流信息的特征是不同的，所以应根据不同的情况选用不同的信息特征构成选线的判据，尚没有任何一种单一判据能够适应小电流接地系统的各种情况。 基于外加诊断信号的接地选线方法不以接地故障产生的零序电流、电压为检测信号，而是利用对外加诊断信号的寻踪进行选线、定位，其性能与是否能够取出零序电流、零序电流的大小和方向等都没有关系，所以它具有广泛的适应性，适合于不同接线的小电流接地系统。3.3.2综合选线方法的研究 在采用零序电流互感器或三相电流互感器接收注

17、入信号的情况下，除了能够接收到注入信号外，还能够采集到系统本身的零序电流，所以在这种情况下，不仅可以用注入法实现接地选线，而且还可以用零序电流稳态及暂态法实现单相接地选线。 基于任何单一原理的单相接地故障单一选线方法，都有其各自的针对性，在某些情况下有效，在另外的情况下就可能失效，因此需要采用一种综合选线方案，尽可能多的发掘和利用单相接地故障引起的不同电气特征，同时利用多种方法进行选线。在小电流接地系统中，当发生单相接地故障后，在短时间内不影响对负荷的连续供电，因此有较为充裕的时间进行故障检测和判断，这就为复杂算法和多重判据的应用提供了可能。本文提出了利用模糊数学工具将不同的选线方法有机地复合

18、，确定其判断结果的可信程度，进行综合裁决后得出最终选线结果的方法。3.3.3多种选线判据分析及其模糊模型建立为了使建立的复合判据能够适应各种不同的故障形式，应该使参与综合的各判据有广泛的代表性，可以用目前在实际应用中较多、较为成熟的三种分案进行综合，即（1）基于外加诊断信号的判据：注入信号法选线判据；（2）基于故障稳态分量判据：基于零序电流投影值的群体比幅选线判据；（3）基于故障暂态分量判据：基于零序电流暂态极大值的选线判据。三种选线原理各具特点，分别适应于不同的情况，三者结合后能够较大程度地提高选线的准确率。1.注入信号法选线判据的模糊模型注入信号法是利用从消弧线圈注入信号，通过零序电流互感

19、器进行检测。根据注入信号电流在故障一次系统的流通和变化情况定义隶属度函数如下：为测量到的注入信号电流值，为实际注入信号电流感应到一次系统的计算值，为注入信号感应到一次系统的阈值，可以取0.1。2.零序电流投影值群体比幅选线判据的模糊模型该判据以各出线零序电流在零序电压上的投影为判据，以线路零序电流投影值与金属性接地故障时的投影值的比值为依据设置隶属度函数如下:式中，为个出线零序电流在零序电压上的投影值，为金属性接地故障时的投影值。3.零序电流暂态极大值选线判据的模糊模型该原理以特征时刻零序电流极性为特征判据，在特征时刻，零序电压特征值和故障线路电流极大值极性相反，和非故障线路电流极大值极性相同

20、，因此可采用单点隶属度函数进行模糊处理，其隶属度函数如下:以上设定了几种常用的选线判据的模糊模型，但是隶属度函数的确定并不是绝对规定的，它是一种软函数，在应用中根据各种情况和结果可以进行适当的调整。另外，如为增加确定性概率，还可继续建立更多判据的模型，即形成m种复合判据的基础模型，然后进入下一轮的综合决策过程。3.3.4综合决策的实现当配电网发生单相接地故障后，对母线所带n条出线，立刻启动以上讨论的m种选线方案分别进行运算和判断，各自得到对每条出线的选线结果，构成矩阵Ni =n1,n2,nm, i=1,2,n,同时将根据实时计算出的中间数据得到相应的变量，输入其隶属函数求得各判据的隶属度即为在

21、本次故障中各判据所得选线结果的可信程度，从而构成模糊集(对每条出线)：根据模糊数学理论，为得到闭区间0，1的映射，每条出线的综合判决结果由下式给出：从而得到评估结果矩阵综合判据为：评判结果矩阵B的中最大元素对应的线路为故障线路，同时次大元素对应的线路可作为参考。3.4装置对高阻接地故障的处理3.4.1高阻接地故障判别中存在的难点 高阻接地是单相接地中最常见的故障之一，如架空线路中的树枝的挂碰、断线、电缆线路中的电缆绝缘受潮、老化等等，都呈现出高阻接地的特征，其接地电阻变化范围大、不稳定，故障状态最为复杂，当接地电阻大到一定程度后 (如>1.5k)，故障特征不同于常见的特征，并且故障信息很

22、微弱，以至成为保护和选线中的一个难题。所以，高阻接地故障发生时由于保护误动或拒动而引起的事故时有报道：如输电线路断线掉在水泥地面保护拒动引起人身伤亡，断线掉在山林地区保护拒动而引起火灾、电缆放炮等等。大多数的保护产品对高阻接地保护都存在误判、误动或拒动，其原因除了故障信息微弱外，更主要的是存在认识上的误区。由于通常对不接地系统发生单相接地时的电压分析都是按典型的金属接地来分析，此时接地相电压为零，非接相电压升为线电压，中性点偏移到接地点，零序电压U0等于方向相反的故障前的相电压。以至产生一种普遍认同的结论：接地相是三相电压中幅值最低的一相，绝大多数以电压为判据的接地故障保护产品都是按此结论判别

23、接地相。实际上这只在接地电阻小于某临界值范围内是正确的，当接地电阻大于这个临界值时，此结论就是错误的。换言之，在高阻接地的范围中，当接地电阻大到一定程度，接地相不是电压幅值最低相。固守前述结论，必然造成高阻接地故障中保护的误判、误动。此外，以电流为判据的接地故障保护产品，由于高阻接地时零序电流很小，而拒动；选线产品也因此而无法选线。3.4.2基于微机保护对高阻接地的故障选线方法当系统发生高阻抗接地故障时，暂态电容电流值大，衰减速度快，而暂态电感电流的衰减速度慢。故障电流的大小与故障发生时相电压的相角有关，当接地故障发生在供电线路相电压过峰值时，即时刻，暂态电容电流值最大；若接地故障发生在相电压过零时，暂态电感电流值最大。相对于低阻抗接地故障而言，高阻接地故障的故障电流高频分量值小，衰减速度快。由于接地点过渡阻抗大，回路的共振频率相对于自由分量的衰减系数而言较大，会出现暂态自由振荡分