小電流接地方式在我國(guó)中壓配電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其單相接地故障稱為小電流接地故障（以下簡(jiǎn)稱接地故障），是最常見的故障類型，受接地電流小、接地電弧不穩(wěn)定、消弧線圈補(bǔ)償?shù)仍?，檢測(cè)困難，是我國(guó)電力科技工作者多年來(lái)努力研究和探索實(shí)踐的方向之一。
近年來(lái)，發(fā)生了多起因小電流接地故障沒有及時(shí)處理導(dǎo)致觸電、火災(zāi)、大面積停電的惡性事故，一些事故通過(guò)新聞媒體廣泛傳播，引起了社會(huì)的極大關(guān)注，小電流接地故障檢測(cè)問(wèn)題受到了業(yè)界空前的關(guān)注。
為此，我國(guó)電力公司吸取發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)配電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，改變了上世紀(jì)70年代借鑒蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)確定的帶接地故障可運(yùn)行2小時(shí)原則，提出了就近快速判斷和隔離永久性接地故障的發(fā)展思路。接地故障定位與就近隔離在接地電弧不能自我熄滅的情況下啟動(dòng)，既能充分發(fā)揮小電流接地系統(tǒng)瞬時(shí)性故障自愈的優(yōu)點(diǎn)，又消除了系統(tǒng)帶故障點(diǎn)運(yùn)行帶來(lái)的事故擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了變電站出線斷路器跳閘帶來(lái)的全線停電問(wèn)題，是配電系統(tǒng)接地故障處理與運(yùn)行管理方式的重大變革。
一、接地故障處理應(yīng)用技術(shù)回顧
01接地故障選線技術(shù)
接地故障選線指安裝在變電站的集中式選線裝置或饋線保護(hù)裝置在發(fā)生接地故障后選擇出故障線路來(lái)，動(dòng)作于報(bào)警信號(hào)或直接跳閘切除故障。
經(jīng)過(guò)我國(guó)電力科技工作者多年的努力研究和探索實(shí)踐，可以說(shuō)配電網(wǎng)接地故障選線問(wèn)題，特別是低阻接地故障的檢測(cè)問(wèn)題，在技術(shù)上已經(jīng)解決。南方電網(wǎng)公司經(jīng)2016年著手解決接地故障選線問(wèn)題，所轄變電站選線裝置選線成功率已由不到50%提高到80%多，努力目標(biāo)是達(dá)到90%。
目前，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的接地故障選線方法主要有利用工頻量（零序電流群體比幅比相法、零序無(wú)功功率方向法、零序有功功率方向法）、暫態(tài)量、相電流突變量的被動(dòng)選線方法等以及投入中電阻法、改變消弧線圈補(bǔ)償度法等主動(dòng)選線方法。
現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于暫態(tài)量選線方法不受消弧線圈的影響，在弧光接地和間歇性接地故障時(shí)，暫態(tài)量更加豐富，既使在電壓過(guò)零時(shí)故障，暫態(tài)零序電流的幅值仍然接近穩(wěn)態(tài)工頻電容電流的幅值；此外，由于不需要安裝額外的一次設(shè)備、安全性好。因此，暫態(tài)量選線技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用，成為主流選線技術(shù)。
暫態(tài)選線裝置現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定性接地故障波形
此外，近年來(lái)出現(xiàn)了區(qū)別于傳統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的其他接地故障處理技術(shù)，如消弧線圈并小電阻以及基于故障相轉(zhuǎn)移消弧裝置和柔性接地裝置的主動(dòng)干預(yù)型消弧技術(shù)。
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)小電阻接地方式目前在國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)部分配電系統(tǒng)均有應(yīng)用。發(fā)生永久接地故障時(shí)投入小電阻，實(shí)質(zhì)上是將由諧振接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為小電阻接地系統(tǒng)，采用零序過(guò)電流保護(hù)切除接地故障。以中性點(diǎn)接地電阻10Ω、定值40A-60A的系統(tǒng)為例，零序過(guò)電流保護(hù)最大只能檢測(cè)到90Ω-140Ω左右的接地電阻，難以反應(yīng)樹障、斷線墜地以及人身觸電等高阻接地故障，據(jù)南方某地5座20kV消弧線圈并小阻接地系統(tǒng)在2012年-2018年間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，共投入小電阻1037次，保護(hù)動(dòng)作269次，保護(hù)動(dòng)作率僅為25.94%。
故障相轉(zhuǎn)移消弧裝置在變電站內(nèi)將故障相母線與大地短接，把故障相對(duì)地電壓降為零，力圖將接地電流轉(zhuǎn)移到母線人工短接點(diǎn)，利用線路零序電流在短接前后的變化特征進(jìn)行故障選線。故障相轉(zhuǎn)移消弧技術(shù)對(duì)選相準(zhǔn)確度要求高，故障相誤判將引起相間短路擴(kuò)大事故；受故障相負(fù)荷電流壓降以及非故障相負(fù)荷電流耦合影響，母線短接時(shí)故障點(diǎn)電壓并不為零，故障點(diǎn)仍然可能有較大殘流，不能保證可靠熄弧。
基于柔性接地的消弧技術(shù)通過(guò)注入零序電流控制零序電壓，強(qiáng)迫故障相電壓為零。目前，以故障點(diǎn)電流為控制目標(biāo)的柔性接地消弧技術(shù)，其復(fù)雜控制回路的可靠性以及高額的設(shè)備成本限制了其在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
02常規(guī)接地故障定位與隔離技術(shù)
接地故障定位與隔離指在故障選線的基礎(chǔ)上，利用線路上分布安裝的自動(dòng)化設(shè)備，判斷出故障點(diǎn)所處的區(qū)段后跳開故障點(diǎn)相鄰的上游開關(guān)隔離故障。目前，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的常規(guī)方法有比較暫態(tài)零序電流波形相似性法、信號(hào)注入法以及基于就地型饋線自動(dòng)化法。
比較暫態(tài)零序電流波形相似性法，通過(guò)接地故障定位主站利用線路上的自動(dòng)化設(shè)備上送的暫態(tài)零序電流波形，判斷出故障點(diǎn)所處的區(qū)段，然后遙控或人工現(xiàn)場(chǎng)操作線路開關(guān)隔離故障區(qū)段。
利用注入信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障定位的方法國(guó)內(nèi)主要采用外施擾動(dòng)信號(hào)法，在系統(tǒng)中性點(diǎn)與變電站地網(wǎng)之間周期性地投切數(shù)值在100Ω-300Ω之間的中電阻，產(chǎn)生一個(gè)交替變化的、幅值約40A的附加零序電流信號(hào)，接地定位主站通過(guò)線路上的自動(dòng)化設(shè)備檢測(cè)到的附加電流信號(hào)判斷故障區(qū)段。
波形相似性法、信號(hào)注入法線路上的自動(dòng)化設(shè)備可以采用配電終端或故障指示器，目前，現(xiàn)場(chǎng)主要采用故障指示器方式，故障定位與隔離過(guò)程依賴通信網(wǎng)絡(luò)與定位主站，受產(chǎn)品抗干擾、檢測(cè)可靠性、制作工藝等因素，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不夠理想。此外，信號(hào)注入法在高阻接地故障時(shí)，容易拒動(dòng)，且無(wú)法用于瞬時(shí)性接地故障定位，在間歇性接地故障容易誤動(dòng)。
就地型饋線自動(dòng)化接地故障處理工作原理與動(dòng)作過(guò)程類似于短路故障的隔離，不依賴于通信系統(tǒng)，其區(qū)別主要在于測(cè)量零序電壓與零序電流信號(hào)。當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，首先由線路上首臺(tái)開關(guān)跳閘，導(dǎo)致非故障區(qū)段短時(shí)停電，擴(kuò)大了停電范圍；由于線路上分段開關(guān)采用“無(wú)壓分閘、來(lái)電延時(shí)合閘”方式，開關(guān)動(dòng)作次數(shù)較多。
二、接地故障多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)技術(shù)
接地故障多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)技術(shù)通過(guò)安裝在變電站的接地故障保護(hù)裝置與安裝在線路上一二次融合開關(guān)配合，不依賴通信有選擇性地快速定位、就近隔離接地故障，簡(jiǎn)單、可靠。
01多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)工作原理
接地故障時(shí)，故障點(diǎn)上游暫態(tài)零序電流流向母線，故障點(diǎn)下游暫態(tài)零序電流流向線路，檢測(cè)暫態(tài)零序電流的方向即可判斷接地故障方向。暫態(tài)零序電流方向暫態(tài)零序電流極性比較法或暫態(tài)無(wú)功功率方向法來(lái)檢測(cè)，由于需要檢測(cè)暫態(tài)零序電流方向，配電終端需要采集零序電壓與零序電流。
02多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)配置與整定
配電線路接地故障多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)系統(tǒng)由安裝在變電站的接地故障保護(hù)裝置、線路上具有接地故障暫態(tài)方向保護(hù)功能的分段開關(guān)、分支開關(guān)以及分界開關(guān)構(gòu)成。
變電站接地故障保護(hù)裝置可以采用集中式接地故障選線跳閘裝置與出線開關(guān)保護(hù)裝置配合，亦可采用具有接地方向保護(hù)功能的出線保護(hù)裝置。線路上分段、分支、分界開關(guān)采用具備零序電流互感器與零序電壓互感器的一二次成套融合開關(guān)；開關(guān)配套的配電終端具有暫態(tài)原理接地故障方向保護(hù)功能。
變電站接地故障保護(hù)裝置與線路開關(guān)的配電終端在檢測(cè)到接地方向?yàn)檎较驎r(shí)啟動(dòng)，通過(guò)階梯式動(dòng)作時(shí)限配合，由故障點(diǎn)相鄰的上游開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)接地故障的快速定位與就近隔離。接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限根據(jù)開關(guān)所處的位置整定，末級(jí)分界開關(guān)接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限躲過(guò)瞬時(shí)性接地故障（可選為10s），其他開關(guān)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限均比下游相鄰開關(guān)的最大動(dòng)作時(shí)限大一個(gè)時(shí)間級(jí)差（可選為1s）。
以下圖所示的架空配電線路為例，線路出口斷路器QF1、主干線路開關(guān)Q1與Q2、分支線路開關(guān)Q11、Q21、分界開關(guān)Q111與Q121都部署了暫態(tài)原理接地保護(hù)。分界開關(guān)Q111與Q121接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)限選為10s；分支線路開關(guān)Q11與Q21的動(dòng)作時(shí)限增加一個(gè)時(shí)間級(jí)差，設(shè)為11s；主干線路末級(jí)開關(guān)Q2接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限比分支開關(guān)Q21增加一個(gè)時(shí)間級(jí)差，設(shè)為12s；Q1接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限比Q2增加一個(gè)時(shí)間級(jí)差，設(shè)為13s；出口接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限則設(shè)為14s。電纜環(huán)網(wǎng)線路配置與整定類似，不再詳細(xì)介紹。
按照上述動(dòng)作時(shí)限配合，任一點(diǎn)故障，均可實(shí)現(xiàn)定位與就近隔離，比如在分支線路上k處發(fā)生接地故障時(shí)，Q11在11s后跳閘切除故障，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)選擇性動(dòng)作。
為提高供電可靠性，架空線路上接地故障多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)應(yīng)配置一次重合閘，部分電弧不能自行熄滅的接地故障在跳閘切除后再送電可以恢復(fù)正常運(yùn)行。
03多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)技術(shù)在環(huán)網(wǎng)線路的應(yīng)用
對(duì)于有聯(lián)絡(luò)電源的環(huán)網(wǎng)線路，在由聯(lián)絡(luò)電源供電時(shí)，因?yàn)楣╇姺较虬l(fā)生了變化，在本側(cè)線路上發(fā)生接地故障時(shí)，分段開關(guān)檢測(cè)到的接地故障方向?yàn)榉聪?，保護(hù)將拒動(dòng)（分支、分界開關(guān)不受影響），此時(shí)由聯(lián)絡(luò)開關(guān)與分段開關(guān)帶電合閘邏輯、后加速保護(hù)配合隔離故障與恢復(fù)非故障區(qū)段供電。
如下圖所示單聯(lián)絡(luò)線路，變電站M側(cè)電源因檢修退出運(yùn)行，出線斷路器QF1處于分位，聯(lián)絡(luò)開關(guān)Qt處于合位，本側(cè)線路由N側(cè)變電站供電。如在開關(guān)Q1與出線斷路器QF1之間的線路上k處發(fā)生接地故障，Q1、Q2均檢測(cè)到故障為反向的，保護(hù)不啟動(dòng)；聯(lián)絡(luò)開關(guān)Qt檢測(cè)到接地故障在其供電方向的下游，保護(hù)動(dòng)作切除故障，開關(guān)Q1、Q2因檢測(cè)到接地故障后又失電自動(dòng)跳閘；Qt動(dòng)作切除故障后延時(shí)合閘，Q2檢測(cè)到來(lái)電后延時(shí)合閘，Q1檢測(cè)到來(lái)電后也延時(shí)合閘，如故障是永久性的，Q1加速跳閘隔離故障，恢復(fù)Q1與Qt之間的線路供電。
在聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于分位的正常運(yùn)行狀態(tài)下，如下圖所示k1點(diǎn)永久性故障時(shí)，QF1在14s后保護(hù)跳閘切除故障，聯(lián)絡(luò)開關(guān)Qt在檢測(cè)到一側(cè)失壓后合閘，Q1與Q2失電后檢測(cè)到接地故障加速跳閘；Q2一側(cè)帶電延時(shí)合閘，Q1檢測(cè)到來(lái)電后延時(shí)合閘，合閘到故障加速跳閘；Q2維持合閘狀態(tài)，Q1下游線路恢復(fù)供電。
04多級(jí)暫態(tài)方向保護(hù)示范工程案例
多級(jí)方向保護(hù)在山東某地線路故障多發(fā)的三個(gè)變電站（其中一個(gè)為消弧線圈接地系統(tǒng)）建設(shè)了配電網(wǎng)保護(hù)示范工程，變電站各安裝一臺(tái)暫態(tài)接地故障選線保護(hù)裝置，在架空線路安裝一二次融合分段開關(guān)、分支開關(guān)與用戶分界開關(guān)73臺(tái)，在電纜線路環(huán)網(wǎng)柜出線安裝二遙動(dòng)作型DTU共計(jì)126臺(tái)，終端均配置過(guò)電流保護(hù)與暫態(tài)接地方向保護(hù)功能。線路開關(guān)與變電站選線跳閘裝置通過(guò)階梯式動(dòng)作時(shí)限配合，就近切除相間短路與接地故障。
2019年7月10日至8月15日，示范區(qū)域經(jīng)歷“迎峰度夏”和臺(tái)風(fēng)“利奇馬”雙重考驗(yàn)，示范終端覆蓋的線路共發(fā)生15次故障，保護(hù)均正確動(dòng)作，其中14次故障是分支線路開關(guān)動(dòng)作，1次故障出線斷路器動(dòng)作；8次永久性單相接地故障，占比53%；7次短路故障，其中2次故障為單相接地發(fā)展而來(lái)；6次故障發(fā)生在“利奇馬”臺(tái)風(fēng)期間。
（1）瞬時(shí)性接地故障處理案例
2019年7月10日下午13時(shí)30分，調(diào)度供服中心收到DL站多條選線保護(hù)裝置的接地故障啟動(dòng)和選線信息，選線結(jié)果為GZ線；同時(shí)供服中心收到GZ線XZ支線085D分支開關(guān)上報(bào)的接地故障方向保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)。
調(diào)取XZ支線085D分支開關(guān)記錄，確認(rèn)7月10日13時(shí)30分檢測(cè)到多次接地故障，通過(guò)暫態(tài)方向判斷為該開關(guān)下游故障，上報(bào)接地故障方向保護(hù)啟動(dòng)信息給調(diào)度；由于各次故障電弧自行熄滅，持續(xù)時(shí)間低于配置的保護(hù)動(dòng)作延遲時(shí)間，僅上報(bào)故障判斷信息，未跳閘。
根據(jù)變電站選線保護(hù)裝置以及085D分支開關(guān)的接地故障記錄和故障波形特征，結(jié)合7月10日13時(shí)30分左右該區(qū)域雷雨大風(fēng)天氣，初步分析為風(fēng)雨時(shí)樹枝接觸造成的高阻接地，故障點(diǎn)位置應(yīng)該在XZ支線085D分支開關(guān)下游。供電公司根據(jù)調(diào)度供服中心收到的故障信息及分析結(jié)果，安排運(yùn)行人員直接前往該支線巡查，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)085D分支開關(guān)下游樹枝灼燒痕跡明顯。
該次瞬時(shí)性接地故障處理中，故障保護(hù)延遲動(dòng)作避免了該線路直接跳閘。同時(shí)，變電站選線裝置與分支開關(guān)通過(guò)接地故障暫態(tài)方向準(zhǔn)確定位了接地故障區(qū)段?？s短了運(yùn)行人員巡線時(shí)間，根據(jù)巡查結(jié)果立即安排該支線環(huán)境整治工作，避免了永久性接地故障的發(fā)生。
（2）永久性接地故障處理案例
2019年7月27日凌晨05點(diǎn)03分，DH變電站監(jiān)測(cè)到零序電壓異常信號(hào)，同時(shí)調(diào)度供服中心收到DH變電站MT線SL支-10#桿開關(guān)接地故障方向保護(hù)啟動(dòng)以及開關(guān)動(dòng)作信號(hào)。運(yùn)行人員直接前往該支線，發(fā)現(xiàn)MT線SL支線10#桿跨接導(dǎo)線搭到避雷器地線，導(dǎo)致永久接地故障。
開關(guān)動(dòng)作跳閘后，延時(shí)1秒于05點(diǎn)03分28秒041毫秒執(zhí)行重合閘操作，05點(diǎn)03分28秒086毫秒終端檢測(cè)到重合到故障，后加速跳閘，切除故障支線。
該次永久性接地故障處理中，永久性接地故障被快速、就近隔離，有效縮小了停電范圍，大大縮減了巡線工作量，加快了故障點(diǎn)處理和恢復(fù)供電時(shí)間。
三、結(jié)語(yǔ)
采用暫態(tài)方向原理實(shí)現(xiàn)小電流接地故障定位與就近隔離，不需要通信與主站配合，簡(jiǎn)單、可靠！除故障點(diǎn)前的第一個(gè)開關(guān)外，其他開關(guān)不需要?jiǎng)幼鳎苊饬碎_關(guān)多次動(dòng)作，故障點(diǎn)上游非故障線路區(qū)段用戶不會(huì)遭受短時(shí)停電；配電終端同時(shí)具備常規(guī)配電自動(dòng)化功能，避免了重復(fù)投資。
白水青山不礙禪，登高臨遠(yuǎn)意翛然。作為新型暫態(tài)原理檢測(cè)小電流接地故障的發(fā)明者、實(shí)踐者和倡導(dǎo)者，科匯公司在暫態(tài)原理接地故障保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)深耕，開發(fā)出具有接地故障暫態(tài)方向保護(hù)功能的配電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備，為電力公司提供了簡(jiǎn)單、可靠的配電系統(tǒng)小電流接地故障定位與就近隔離方案，于2017年獲山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，再次贏得行業(yè)傾慕。
- 配電自動(dòng)化——面向不同應(yīng)用場(chǎng)景的接地故障保護(hù)配置與整定
- 智慧供電與儲(chǔ)能——低壓配電網(wǎng)接地方式與漏電保護(hù)
- 智慧供電與儲(chǔ)能——美國(guó)哥倫比亞大學(xué)徐博倫博士 Computation Efficient Algorithms for Energy Storage Valuation ,Bidding,and Dispatch
- 智慧供電與儲(chǔ)能——美國(guó)哥倫比亞大學(xué)徐博倫博士 Introduction to Wholesale Electricity Markets in North America
- 配電自動(dòng)化——配電網(wǎng)接地故障保護(hù)技術(shù)及其發(fā)展