CN209280851U

CN209280851U - 一种自动跟踪小电流选线装置

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Publication number: CN209280851U
Application number: CN201822230953.3U
Authority: CN
Inventors: 张安斌; 严孟琪
Original assignee: Individual
Current assignee: HEFEI YIXIN ELECTRIC POWER TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2028-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种自动跟踪小电流选线装置，在小电流接地方式的系统中设置接地变压器，在接地变压器的中性点与地之间设置可跟踪调整的可控阻抗，针对可控阻抗设置电流互感器，利用电流互感器监测可控阻抗中的电流；在系统母线上每一条出线中分别设置零序电流互感器，用于监测每一条出线的零序电流；中央控制器根据可控阻抗中的电流，或根据系统对地电压调整可控阻抗的阻值，根据每一条出线的零序电流判断故障线路，并输出故障线路判断的信息。本实用新型用于准确判断故障线路，并能应用于小电阻接地系统高阻接地时的故障线路判断，消除中性点小电阻接地系统的保护死区。

Description

一种自动跟踪小电流选线装置

技术领域

本实用新型涉及电力保护设备，更具体地说是用于小电流接地系统单相接地故障的选线装置，也可用于中性点低值电阻器接地系统单相高阻接地故障的选线。

背景技术

小电流选线及时准确地判定接地回路是快速排除单相接地故障的基础，也是小电流选线的核心功能。但目前的选线装置常发生误选和漏选，效果不能令人满意，选线准确率偏低。

小电流接地选线装置自20世纪80年代问世以来，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，但工程实际应用中仍然存在误判率较高的问题。

单相接地的故障电流与系统电压、对地容抗、故障点接地阻抗有关，对于某一种运行方式下的系统，其系统电压，以及对地容抗确定，系统的故障电流只与故障点的接地阻抗大小有关，故障点的接地阻抗越大则中性点电压越小，因此故障电流就越小，故障电流越小选线越难，这是小电流选线的难以逾越的难点，同时系统发生谐振造成“虚幻接地”时误判选线。

另外，在中性点低值电阻器接地系统中，单相高阻接地故障使单相接地故障线路的电流小于保护整定值，造成微机综保无法切除故障线路，形成保护死区。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种自动跟踪小电流选线装置，在系统中性点与地之间设置自动跟踪阻抗，根据故障点接地阻抗的大小自动跟踪调整，使故障线路的零序电流最大且达到选线电流的判断精度，准确判断故障线路，选线不受消弧线圈的影响；并能应用于小电阻接地系统高阻接地时判断故障线路，消除中性点小电阻接地系统的保护死区。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型自动跟踪小电流选线装置的特点是：在小电流接地方式的系统中设置接地变压器，在接地变压器的中性点与地之间设置可跟踪调整的可控阻抗Z_T，针对可控阻抗Z_T设置电流互感器，利用所述电流互感器监测所述可控阻抗Z_T中的电流I_N；在系统母线上每一条出线中分别设置零序电流互感器，利用所述零序电流互感器监测每一条出线的零序电流；设置中央控制器，所述中央控制器根据可控阻抗Z_T中的电流I_N，或根据系统对地电压调整所述可控阻抗Z_T的阻值，根据每一条出线的零序电流判断故障线路，并输出故障线路判断的信息。

本实用新型自动跟踪小电流选线装置的特点也在于：所述可控阻抗Z_T的最大值Z_TM根据系统额定电压进行设置，所述可控阻抗Z_T的调整范围在0≤Z_T≤Z_TM之间。

本实用新型自动跟踪小电流选线装置的特点也在于：当系统发生单相接地故障时，首先由所述中央控制器根据系统中性点电压值调整所述可控阻抗Z_T的值，再将调整后的可控阻抗Z_T投入系统以增大故障线路的零序电流实施判断故障线路。

本实用新型自动跟踪小电流选线装置的特点也在于：当系统发生单相接地故障时，首先由中央控制器将投入在系统中的可控阻抗Z_T设置为最大值Z_TM，再由中央控制器根据所述可控阻抗Z_T的电流减小可控阻抗Z_T的阻值，以增大故障线路的电流实施判断故障线路。

本实用新型自动跟踪小电流选线装置的特点也在于：在系统发生谐振时，将所述可控阻抗Z_T以最大值Z_TM投入，用于消除系统谐振。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型首次提出根据故障点接地阻抗大小自动跟踪调整选线，使故障线路的零序电流最大且达到选线判电流判断的精度，准确判断故障线路；克服了现有技术零序电流信号小而无法准确选线的缺点；

2、本实用新型提出的可控阻抗，最大值是根据系统额定电压设置，使可控阻抗在故障点产生的电流适中，不造成故障点绝缘的破坏；

3、本实用新型给出的故障点接地阻抗的计算式，为可控阻抗阻的调整提供了依据；

4、本实用新型通过对可控阻抗下的四种选线方式的任意组合进行选线，有效提高选线准确率；

5、本实用新型方法中可控阻抗可根据系统对地电压实施调整计算，在某一种运行方式下，故障点接地阻抗与相同对地电压一一对应，系统三相对地电压和中性点电压中任何一个电压均能计算出故障点接地阻抗；并同时给出了可控阻抗可自身的电流调整的计算方法，简化了计算方法，便于快速响应；

6、本实用新型提出了以采样值判断故障相电容电流与故障相电压同相位、故障相电容电流滞后中性点对地电压相位90⁰的选线方法，提供新的选线方法提高选线准确率。

7、本实用新型方法中，投入可控阻抗Z_T以消除系统谐振，并消除“虚幻接地”的现象，克服了虚幻接地的误选线错误；

8、本实用新型方法可准确判断单相接地的故障相，有利于故障分析和故障电流的转移；

9、本实用新型也可应用于小电阻接地系统，针对单相高阻接地进行故障线路判断，消除中性点小电阻接地系统的保护死区。

附图说明

图1本实用新型中自动跟踪小电流选线装置原理图；

图2为单相接地三相对地电压矢量图；

具体实施方式

本实施例中自动跟踪小电流选线装置是：在小电流接地方式的系统中设置接地变压器，在接地变压器的中性点与地之间设置可跟踪调整的可控阻抗Z_T，针对实用新型可控阻抗Z_T设置电流互感器，利用实用新型电流互感器监测实用新型可控阻抗Z_T中的电流I_N；在系统母线上每一条出线中分别设置零序电流互感器，利用实用新型零序电流互感器监测每一条出线的零序电流；设置中央控制器，实用新型中央控制器根据可控阻抗Z_T中的电流I_N，或根据系统对地电压调整实用新型可控阻抗Z_T的阻值，根据每一条出线的零序电流判断故障线路，并输出故障线路判断的信息。

本实施例中，可控阻抗Z_T的最大值Z_TM根据系统额定电压进行设置，实用新型可控阻抗Z_T的调整范围在0≤Z_T≤Z_TM之间。

当系统发生单相接地故障时，首先由实用新型中央控制器根据系统中性点电压值调整实用新型可控阻抗Z_T的值，再将调整后的可控阻抗Z_T投入系统以增大故障线路的零序电流实施判断故障线路。

当系统发生单相接地故障时，首先由中央控制器将投入在系统中的可控阻抗Z_T设置为最大值Z_TM，再由中央控制器根据实用新型可控阻抗Z_T的电流减小可控阻抗Z_T的阻值，以增大故障线路的电流实施判断故障线路。

可控阻抗Z_T的最大值Z_TM根据系统额定电压设置，如额定电压10kV系统，最大值Z_TM设置为300Ω，单相金属性接地时中性点工频电压最大为5.77kV，则可控阻抗Z_T向故障线路及故障点注入的最大电流为19.2A，足以满足选线需要的电流。但是随着故障点接地阻抗的变大，中性点的电压随之降低，可控阻抗Z_T向故障线路注入也就变小，必须调整可控阻抗Z_T的值，使得注入故障线路及故障点注入的电流达到一定值满足准确选线的需求。

可控阻抗Z_T可以为电感、电容、电阻的组合体，也可为电阻器，也可为电容器等。

本实施例中自动跟踪小电流选线方法是利用自动跟踪小电流选线装置按如下方式进行选线：当系统中任意一相发生单相接地时：

针对非故障线路：以U_N表示系统中性点电压，X_Ci表示第i条线路的对地容抗，表示故障相的相电压，则非故障线路中第i条出线的零序电流I_Ci为：

其中U_A+U_B+U_C＝3U_N，所以

针对故障线路：以M表示系统的出线数量，i∈(1，M),X_C表示系统对地容抗,Z_G表示故障点接地阻抗，则故障线路的零序电流I_G为：

I_C是由式(3)所表征的故障线路零序电流I_G中的电容电流；

I_N是由式(4)所表征的投入可控阻抗Z_T在故障线路产生的电流；

I_C等于为所有出线电容电流之和，且电流方向相反：

因为：

所以

即：发生单相接地的故障线路的容性电流等于所有非故障线路的容性电容电流之和，且电流方向相反，电容电流的大小与中性点的电压成正比关系。

从式(1)和(3)中我们同时看出：系统中性点电压U_N越低，则故障线路和非故障线路中的零序电流则越小；系统对地容抗X_C越大，即系统电容电流越小，则故障线路的电容电流则越小，电容电流越小选线难度越大。

在投入可控阻抗Z_T期间，在故障线路产生的零序电流：

其中，Z_J为变电所接地阻抗，国家标准要求不大于4欧姆，对于几百欧姆的Z_T可以忽略不计；同时故障线路的对地容抗远大于Z_G，当与故障点接地阻抗并联后的阻抗约等于故障点接地阻抗Z_G。因此：

针对故障点地接地阻抗Z_G，则故障点地接地阻抗Z_G如式(5)或如式(6)：流经故障点的电流等于U_Φ/Z_G，即是故障线路零序电流I_G中的电容电流I_G，U_Φ为故障相对地电压，因此：

所以故障点的接地阻抗Z_G为：

参见图2，在故障相电压故障相对地电压U_Φ、中性点对地电压U_N三个矢量构成的直角三角形中，θ为故障相电压与中性点对地电压U_N的夹角，故

所以故障点的接地阻抗Z_G又可以为：

对于某种运行方式下的系统是已知的，只要根据系统中性点电压即可计算出Z_G的值。由式(6)可得：

如图2，U_Φ、U_N构成直角三角形，已知，由U_Φ可以推算出U_N，也可以由U_N推算出U_Φ，因此：单相接地故障时，三相对地电压、中性点电压、故障点接地阻抗/系统对地容抗是完全对应的关系，有什么样的Z_G/X_C值，就有对应的系统对地电压，只要知道任何一个系统的对地电压，都可以推导出另外的对地电压，并能推到出接地阻抗值，并且能够推算出接地电容电流的大小，表一中I_max为系统最大电容电流，它们之间的特征关系见表一。

表一：10kV单相接地故障特征关系表

U<sub>Φ</sub>	0	993	1955	2858	3674	4378	4950	5180	5371	5521	5629	5671	5606
														U<sub>N</sub>	5770	5543	5371	4950	4378	3674	2858	2416	1955	1479	993	894	795
Z<sub>G</sub>/X<sub>C</sub>	0	0,06	0,12	0,19	0,28	0,4	0,58	0,71	0,92	1,24	1,89	2,11	2,35
														I<sub>C</sub>/I<sub>max</sub>	1,00	0,96	0,93	0,86	0,76	0,64	0,50	0,42	0,34	0,26	0,17	0,15	0,14

从表一可以看出，故障线路的电容电流随着接地点接地阻抗的增大，故障线路的电容电流减小，故障线路判断越困难，可控阻抗的投入为故障线路判断提供条件，准确判断故障线路。

采用如下四种判据之一，或任意判据的组合，进行故障线路的判断：

判据一：系统发生单相接地时，投入具有确定值的可控阻抗Z_T，在投入可控阻抗Z_T期间，判据为：故障线路的零序电流是所有出线零序电流的最大值，且故障线路的零序电流大于I_N；

因I_G＝I_N+I_C为矢量和，且I_N与I_C角小于90度，所以I_G的幅值大于I_N与I_C的幅值。

判据二：系统发生单相接地时，投入可控阻抗Z_T，并在投入可控阻抗Z_T之后，实施一次可控阻抗Z_T的调整，判据为：在可控阻抗Z_T的调整前后，所有出线中零序电流变化量最大的出线为故障线路；

可控阻抗Z_T的调整改变时，显然式(1)的电流不会发生变化，因此非故障线路电流不变；式(2)故障线路的零序电流发生变化，其变化量为式(4)，所以可控阻抗Z_T的调整改变零序电流变化最大的出线为故障线路。

判据三：系统发生单相接地时，投入具有确定值的可控阻抗Z_T，判据为：在投入可控阻抗Z_T前后，所有出线中零序电流变化量最大的出线为故障线路；

同理，退出可控阻抗Z_T时，故障线路的零序电流变化最大，因此零序电流变化最大的出线为故障线路。

图1中，X_C为系统阻抗，X_Ci为第i条线路的对地容抗，U_N为系统中性点电压，Z_T为可控阻抗，Z_G为故障点接地阻抗，U_A、U_B、U_C为系统A、B、C三相的对地电压，U_a、U_b、U_c为系统A、B、C三相的相电压，N为系统的出线数量，I_Ci、I_Cia、I_Cib、I_Cic分别为第i条出线的零序电流和A、B、C相对地电容电流，I_G、I_CGa、I_CGb、I_CGc,为故障线路的零序电流和A、B、C相对地电容电流，I_N为可控阻抗Z_T的电流，I_JA、I_JB、I_JG为接地变压器J的三相电流，QS、KD为断路器，J为接地变压器，K为可控阻抗Z_T的投切开关，M为系统母线，i∈(1，N)。

判据四：系统发生单相接地时，退出可控阻抗Z_T，判据为：在退出可控阻抗Z_T的前后，所有出线中零序电流变化量最大的出线为故障线路。

具体实施中，可控阻抗Z_T按如下方式根据系统对地电压进行跟踪调整：

当系统A、B、C三相中任一相发生单相接地时，根据式(5)或式(6)计算获得故障点接地阻抗Z_G的值为Z_G1，设定I_N的调整目标值为I_NK，则可控阻抗Z_T的调整值Z_T1为：

将可控阻抗Z_T跟踪调整为Z_T1。

参见图1，设10kV系统对地电容8微法，系统容抗为X_C＝398Ω，电容电流I_max＝43.2A，当系统发生单相接地故障时，B相对地电压U_Φ＝U_B＝4378V，中性点电压U_N＝3674V，根据式(5)计算获得故障点接地阻抗Z_G1：

根据式(4)计算获得可控阻抗Z_T的调整值Z_T1，I_N的调整目标值为I_NK＝15A

将可控阻抗Z_T跟踪调整为134Ω，投、退系统中实施选线。我们也可以通过事前计算出类似表一的对应表，按照一一对应查找对应表的值得出Z_T1，进行跟踪调整可控阻抗Z_T。

具体实施中，或将可控阻抗Z_T按I_N进行跟踪调整：首先将可控阻抗Z_T设置为最大值Z_TM，在系统正常运行时或在单相接地后以最大值Z_TM进行投入；单相接地发生时，故障线路的零序电流为I_G1，设置I_G的调整目标值为I_GK，当I_G1＜I_GK时，减小可控阻抗Z_T的值，直至I_G1≥I_GK。

设10kV系统对地电,3微法，系统容抗为X_C＝1061Ω，电容电流I_max＝16.2A，设：Z_TM＝800Ω，I_GK＝12A,正常运行时或在单相接地发生后投入可控阻抗Z_T，某一时刻系统A相发生单相接地故障：故障相对地电压U_Φ＝5371V，中性点电压U_N＝1955V，根表一得I_C1＝0.34×I_max＝0.42×16.2＝6.8A，|Z_G1|＝0.71×X_C＝753Ω，根据式(4)故障线路中的电容电流I_N1＝5770/(800+753)＝3,72A，显然I_G1＝I_C1+I_N1＜6.8+3,72＜12A，不满足要求I_G1≥I_GK；调整Z_TM为300Ω，不满足I_G1≥I_GK；继续调整调整Z_TM为50Ω，此时I_N1＝5770/(50+753)＝7,19A，满足I_G1≥I_GK。

具体实施中，也可以利用自动跟踪小电流选线装置按如下方式进行选线：

当系统中任意一相发生单相接地时,故障相对地电压U_Φ的相位滞后于中性点对地电压U_N的相位90°，在可控阻抗Z_T没有投入时，故障线路的零序电流I_G等于电容电流I_C，如式(7)：

X_C为系统的对地容抗，(-1/X_C)表明故障线路的零序电流I_G的相位滞后于中性点对地电压U_N的相位90°，因此故障相对地电压U_Φ与故障线路的零序电流I_G相位相同，假如是B相发生单相接地U_Φ为U_B，即故障线路的电容电流I_C与故障相对地电压U_B的波形一致，幅值不同。

设定判据为：在可控阻抗Z_T没有投入系统时，所有出线中零序电流与故障相对地电压U_Φ相位相同的出线为故障线路，或所有出线中零序电流相位滞后中性点对地电压U_N的相位90°的出线为故障线路。

故障线路零序电流I_G与故障相对地电压U_Φ相位相同是指：故障线路零序电流I_G与故障相对地电压U_Φ的采样值同时过零且同时达到最大值；

故障线路零序电流I_G滞后中性点对地电压U_N的相位90°是指：故障线路零序电流I_G的采样值过零时，故障线路的电容电流I_C过零时U_N要么正最大，要么负最大，因此中性点对地电压U_N的采样值的绝对值|U_N|为最大值。

具体实施中，还可以有如下不同的应用方式：

当系统发生谐振时，可控阻抗Z_T以最大值Z_TM投入，用于消除系统谐振。当系统发生谐振时，投入可控阻抗Z_T改变了系统参数，谐振不能维持消除谐振，“虚幻接地”是PT谐振造成的与单相接地故障类似的电压信号，使人误以为发生单相接地，投入可控阻抗Z_T后消除了谐振，“虚幻接地”现象就会消失，也就不会发生“虚幻接地”错误选线的问题，因此投入可控阻抗Z_T可消除“虚幻接地”现象。

单相接地往往误判故障相，投入可控阻抗Z_T前后，接地变压器的故障相的电流在其三相电流中变化最大，在可控阻抗Z_T投入期间接地变压器的故障相的电流也是最大，因此当系统发生单相接地投入可控阻抗Z_T后，接地变压器中电流最大的相为系统单相接地故障相，用于进行系统单相接地故障相的判断。

在小电阻接地系统中，单相接地时流过故障点的阻性电流较大，一般在400—600A范围内，所以可以按照确保零序保护的可靠动作来确定零序电流互感器的变比。因零序保护的整定值要大于变电站上单回馈线的最大对地电容电流，在中心变电站一般零序保护的动作值应整定40A，这样故障点的对地过渡电阻在大于150Ω时，因故障电流达不到零序保护的动作值会使“零序保护失灵”，在故障点的对地过渡电阻小于140Ω时零序保护才能可靠动作。设10kv架空线路的杆塔接地电阻为30Ω，当线路绝缘子雷击闪络时，流过故障回路的阻性故障电流可达100A以上，再叠加上系统的电容电流满足零序保护的灵敏度没有问题。但是若发生架空线路单相导线断线落地，特别是现在的架空线路一般采用绝缘导线，而绝缘导线由于雷击、或对树磨损最易发生单相绝缘导线断线落地，而断线落地处由于没有接地装置，导线对地的接地阻抗为经过渡电阻接地，其接地阻抗取决于导线与大地接触的长度、落地点的土壤电阻率和导线与大地的接触情况。而绝缘导线断线，一般导线的裸露长度小，在落地故障点土壤电阻率较高时，或导线与大地接触不可靠时，都会造成故障点接地阻抗较高，故障电流小满足不了零序电流灵敏度的要求，系统的零序保护就会“失灵”，故障线路不跳闸。另外，故障点接地阻抗较高时，还会造成故障点的入地电流小，这样即使把零序保护的整定值小40A，也会无法利用零序保护来切断故障馈线，解决故障点的安全问题。因而小电阻接地方式无法解决架空线路单相导线断线落地对人身安全风险问题。

因此，在中性点低值电阻器接地系统中，将中性点接地低值电阻器地系统中的低值电阻器视为可控阻抗Z_T，在发生单相高阻接地零序保护失灵时，利用低值电阻器实施故障线路选线。消除单相高阻接地故障时故障电流小于保护整定值的保护死区。

Claims

1.一种自动跟踪小电流选线装置，其特征是：在小电流接地方式的系统中设置接地变压器，在接地变压器的中性点与地之间设置可跟踪调整的可控阻抗Z_T，针对所述可控阻抗Z_T设置电流互感器，利用所述电流互感器监测所述可控阻抗Z_T中的电流I_N；在系统母线上每一条出线中分别设置零序电流互感器，利用所述零序电流互感器监测每一条出线的零序电流；设置中央控制器，所述中央控制器根据可控阻抗Z_T中的电流I_N，或根据系统对地电压调整所述可控阻抗Z_T的阻值，根据每一条出线的零序电流判断故障线路，并输出故障线路判断的信息。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪小电流选线装置，其特征是：所述可控阻抗Z_T的最大值Z_TM根据系统额定电压进行设置，所述可控阻抗Z_T的调整范围在0≤Z_T≤Z_TM之间。

3.根据权利要求1所述的自动跟踪小电流选线装置，其特征是：当系统发生单相接地故障时，首先由所述中央控制器根据系统中性点电压值调整所述可控阻抗Z_T的值，再将调整后的可控阻抗Z_T投入系统以增大故障线路的零序电流实施判断故障线路。

4.根据权利要求1所述的自动跟踪小电流选线装置，其特征是：当系统发生单相接地故障时，首先由中央控制器将投入在系统中的可控阻抗Z_T设置为最大值Z_TM，再由中央控制器根据所述可控阻抗Z_T的电流减小可控阻抗Z_T的阻值，以增大故障线路的电流实施判断故障线路。

5.根据权利要求1所述的自动跟踪小电流选线装置，其特征是：在系统发生谐振时，将所述可控阻抗Z_T以最大值Z_TM投入，用于消除系统谐振。