信号源注入式接地选线技术在110 kV燕子山变电站的应用

李永霞

（大同煤矿集团电业公司山西大同037003）

0 引言

同煤10/6 kV供电系统均采用中性点不直接接地方式，当发生单相接地故障时，在该系统正常运行的三相用电设备并未受到影响，电力系统的相关运行规程要求运行不得超过2小时，但在实际应用中尤其是煤矿供电系统中由于接地电弧极易产生二次灾害，而且非故障相绝缘压力增大易发展成相间故障，引起短路事故，甚至造成大面积停电，危及煤矿安全生产，因此快速准确的选出故障线路是非常必要的，还可以避免对非故障线路的不必要倒闸操作，保持供电的连续性。在小电流接地系统中单相接地的选线一直是当前困扰同煤电网安全运行的技术难点，目前国内众多关于解决小电流接地系统单相接地故障诊断的方法和产品还不能很好的解决问题，还有一些难以克服的缺点和局限。

1 选线装置存在的问题

我公司所辖部分变电站10/6 kV系统已有多种原理的接地选线装置运行。在这些原理中，有的装置使用稳态分量法，采用零序电流比幅比相法作为判据，但在采用经消弧线圈接地时，由于消弧线圈的过补偿作用使得单相接地时接地电流较小，甚至呈感性，故障特征变微弱，从而选线变得困难；有的装置使用谐波分量法，采用五次谐波比幅法作为判据，但在实际运行的电网中由于其它非线性设备的运行、干扰和谐波污染等原因，从而影响了接地选线的准确性和选择性。为弥补五次谐波比幅法的不足，很多接地选线装置采用基于小波分析法和首半波法的暂态分量法，如果接地故障发生在电压的零点附近这样就不能测定首半波，这种情况在其它10/6 kV供电系统变电站也普遍存在。

上述的零序电流法、五次谐波法、首半波法等检测单相接地故障的方法都是被动的，受系统运行方式的变化、谐波电流的污染、消弧线圈的不同脱谐度等原因，直接影响被动方式检测单相接地故障的准确性和选择性，我们在实际使用过程中，当系统发生单相接地故障时选线准确率很低，变电站操作及检修人员不能及时发现哪一回路出现单相接地故障，更无法进一步将故障切除，给操作人员带来一定的盲目性。

2 合作开发的两种装置简介

信号注入法，主动提供测量信号，从而获得特征值，用于选线，此种技术越来越多的被研究应用，我们与北京天能继保电力科技有限公司合作，研究通过投入注入式信号源装置，改变小电流接地系统的运行方式，结合该公司DSI5100系列相关产品的应用和开发经验，在国内首次提出并采用导纳变化量判据，辅以零序电流变化量判据和零序阻性电流判据研制出了一种新的小电流选线装置，理论分析表明装置具有很高的灵敏度。

2.1 IDA-5500注入式信号源成套装置

本装置是由电阻器、开关、熔丝等一次设备以及控制器IDA5501组成。基本原理是:系统发生单相接地故障后，在变电站中性点短时投切一组电阻负载并联到消弧线圈上，从而改变小电流接地系统的运行方式，以此产生特征值的明显变化，构成相应故障判据，实现故障诊断功能。系统原理及柜体尺寸如图1所示：

IDA5501控制器对变电站内母线电压进行实时监测，当监测到母线零序电压发生改变，以及故障相电压降低，非故障相电压升高等单相接地故障的特征后，依据装置启动判据，确认单相接地故障发生，控制信号源装置投切电阻器，完成电阻器的接入和断开。通过对电阻的编码控制，产生叠加在负载电流上的编码电流信号，为单相接地故障的检测提供特定的信号特征量。

图1 信号源系统原理及柜体尺寸

2.2 DSI 5164小电流接地选线装置

本装置三种判据及母线绝缘监察判别方法分别叙述如下：

（1）零序导纳变化量判据

在发生单相接地故障后，在变电站中性点短时投切一组电阻器并联到消弧线圈上（如图2所示），将其作为户外信号源装置，从而改变小电流接地系统的运行方式，以此产生零序导纳特征值的明显变化，构成相应故障判据，实现接地故障诊断功能。

图2 变电站中性点投切负载示意图

式中：Y′0—信号源投入后零序导纳，Y0—信号源投入前零序导纳；Kmod—主判据整定值；其主要与电阻器阻值R0、装置测量计算误差、暂态过渡时间常数等因素有关。Kmod值选取以信号源电阻器阻值R0作为参考，取为：Kmod=(0.05～0.2)/(3R0)。

零序导纳变化量判据同样存在各类干扰，容易造成装置的误判，如配电网运行方式变化等。由于使用零序导纳变化量判据的小电流选线装置可以获取零序电压，因此使用零序电压作为辅助判据，即：U0＞Kf

式中:U0—测量点零序电压值，Kf为整定值。

以上两式构成小电流接地系统单相故障选线定位零序导纳变化量原理，满足以上两式则判定为单相接地故障线路，同时根据相电压值判断接地相。

（2）零序电流变化量判据

信号源投入前后零序网络将发生变化，零序网络的变化将会造成网络中分布的零序电流的变化。定义零序电流变化量为：Δ|İ0n|=|İ'0n|-|İ0n|

式中：ε、ξ为整定值。对于位于故障线路故障点之前的测量点，由于投入电阻通常增大了故障电流，也就是增大了零序电流，因此；对于位于故障线路故障点之后和非故障线路的测量点，由于投入电阻器减小了系统零序电压值，因此有（3）零序阻性电流

信号源投入后接地故障线路的零序阻性电流量会显著增加，采用此特征可构成零序阻性电流判据。零序阻性电流量计算公式为：IR0=I0cosφ0

其中：φ0为零序功率因数角即零序电压与零序电流相位差，此处认为IR0＞定值即满足动作条件。

高阻状态下零序阻性电流量值明显减小，灵敏度明显降低；不同的网络零序阻性电流分布会有差异，整定只能根据经验值，相对困难些。定值整定参照公式：Izd=U/(Rs+Rg)

其中：Izd为整定电流，单位A，U为单相接地电压，可取相电压，单位V，Rs为信号源电阻固定400Ω，Rg接地电阻，推荐值200Ω。

（4）母线绝缘监察

母线绝缘监察功能采用“母线绝缘检测”模块实现。两段母线绝缘监察判别方法相同，以Ⅰ段母线为例：当Ⅰ母TV开口三角电压（3U0）大于定值，且某相电压低时报接地故障。其原理框图如图3所示。

图3 母线绝缘监察逻辑框图

3 应用效果

我们在同煤电网燕子山110 kV枢纽变电站内引进了二台IDA 5500注入式信号源装置和二台DSI 5164小电流接地选线装置相配合，6 kV两段母线接地变中性点各安装一台IDA 5500和DSI 5164装置，具体配合原理简述如下：在线路末端发生单相接地故障，系统流通的零序电流很小不足以准确识别接地线路和接地点，此时，并接在消弧线圈上的信号源装置检测到系统零序电压超过门槛定值且故障相电压降低、非故障相电压升高时判断为母线绝缘异常，投入中性点信号源，接地选线设备在检测到母线绝缘异常后，投入故障判据，当检测到中性点信号源投入导致零序电流特征分量增加且满足相关判据后，判断接地线路，结合网络拓扑情况，确定接地点所处的分支。

我们在保证原有综合自动化系统不变的前提下，完成了燕子山变电站的小电流接地选线功能，经过现场勘查，我们制定出了实施方案，110 kV燕子山变电站共配出6 kV线路40回，在6 kV每一出线柜电缆头下方均安装较高精度的穿心式零序CT，以保证DSI 5164小电流接地选线装置采集各出线零序电流信号，零序CT和电缆头接地线之间的相对位置应正确，选线装置在6 kVⅠ段、Ⅱ段PT采集母线三相电压、零序电压信号；IDA 5500信号源装置实时监测零序电压，根据消弧线圈的布置方式安装在户内，发生单相接地故障后，信号源可自动识别母线绝缘监察情况进行智能投切，用于辅助接地选线判断。该站主要为燕子山矿提供生产、生活用电，解决了燕子山矿单相接地故障选线难题，大大缩短了停电的范围和时间，提高了供电的可靠性。

该装置投运以来，燕子山站6 kV系统共发生接地故障2次，现场应用表明装置选择接地分路非常准确。以下是几次接地查找实例：

①2018年9月11日13:10，上位机告警、电铃响，报文为：开关编号2324燕子山风井线路接地动作，值班员通知矿方人员对2324线路进行巡视检查，发现电缆A相绝缘有破坏现象，故障处理后，线路试送成功，供电恢复正常。

②2019年1月23日00:04，上位机告警、电铃响，报文为：开关编号2349采区变电所线路接地动作，值班员通知矿方人员对2349线路进行巡视检查，发现4#层8216工作面带三机电缆头爆炸，故障处理后，线路试送成功，供电恢复正常。

4 结语

根据同煤电网的实际经验，宜优先选用IDA 5500注入式信号源装置和DSI 5164小电流接地选线装置相结合的方法。

基于注入式信号源成套装置的接地选线技术，借鉴中性点投入电阻器的选线方案，与采用导纳变化量判据，辅以零序电流变化量判据和零序阻性电流判据的接地选线原理相配合，实现整套装置能准确快速地判断出故障出线开关，及时排除故障，恢复设备运行。现场应用表明该接地选线技术适用于中性点经消弧线圈接地系统以及大型厂矿企业的供电系统，作为线路和母线单相接地故障报警或用于单相接地保护跳闸，具有良好的适用性和较高的使用和推广价值。