基于小电流接地选线装置功能检测的船舶岸电可靠性分析

基于小电流接地选线装置功能检测的船舶岸电可靠性分析

王志宇

海装沈阳局  辽宁省葫芦岛市  125000

摘 要

随着码头岸电对供电可靠性要求越来越高，以往的人工拉路法不能满足可靠性要求，所以普遍安装小电流接地故障选线装置用于排除线路故障中占比80％以上的单相接地故障。常规的做法是站内安装小电流接地故障选线装置，在发生单相接地故障后上报调度，值班员根据上报的结果进行人工拉路，若故障未消除则进行轮流切除查找故障线路。但也有要求进行自动切除或者轮切故障线路。无论国标还是国网南网各自的企标都要求小电流接地选线装置在出厂前和投运前都进行功能性检测，所以本文旨在设计一种模拟单相接地故障信号对选线装置进行选线、跳闸重合闸、轮切等进行检测的检测平台。搭建一套硬件仿真电力系统，并通过电脑程序软件实现自动化控制，模拟各种类型接地故障情况，以检测小电流选线装置选线跳闸准确性。

关键词：小电流选线装置；功能测试平台；硬件；软件

1.背景及意义

我国3-66kV电压等级电网中性点接地方式为不接地或经消弧线圈接地的小电流接地方式。在线路的各种故障中，单相接地故障占到了80％以上。常规的做法是站内安装小电流接地故障选线装置，在发生单相接地故障后上报调度，值班员根据上报的结果进行人工拉路，若故障未消除则进行轮流切除查找故障线路。但是人工拉路的方法存在一定的缺点，有可能会造成大面积的停电事故，由此进一步使得断路器的寿命缩短；当一条线路发生故障时，需要人工查找故障发生点然后进行排除，在这个查找的过程中会造成大量时间和物力的损失，在时间上会比如果有一种更好的检测方法来说浪费几倍到几十倍的时间，同时在寻找故障点的过程中工作人员的人身安全会受到一定的安全隐患。所以在电网系统中不管中性点采用哪一种接地方式，小电流选线装置的地位已经变得不可撼动，且已成了电力系统组成中不可或缺的一部分。除了人工拉路也有要求进行自动切除或者轮切故障线路[1]。

无论国标还是国网南网各自的企标都要求小电流接地选线装置在出厂前和投运前都进行功能性检测，所以如何更好的模拟单相接地故障信号对选线装置进行选线、跳闸重合闸、轮切等进行检测，目前在检验规程和运行规程中并没有明确的要求和具体实施细则[2]。

截止到目前为止，小电流接地选线方法主要有四种：稳态法、暂态法、注入法和综合选线法，目前大多故障线路监测系统采用的主要是暂态法和综合选线法（暂态法所占权重极大）[3]。

2. 小电流选线设备的检测标准

电机工程学会发布的《小电流接地系统单相接地故障选线装置检验规程》中有详细规定的检验内容及方法。内容如下：

（1）电压、电流互感器检验

（2）二次回路检查

（3）绝缘性能检查

（4）外观检查

（5）工作电源检查

（6）参数设置检查

（7）准确度、极性测试

（8）开关量输入回路检验

（9）输出触点及输出信号检查

（10）选线功能测试

（11）其它功能测试

（12）整组测试

其中对选线功能测试规范做了具体说明。说明如下：

（1）测试时不应对装置的参数进行任何改动，装置的运行状况应与实际情况一致。

（2）通过模拟试验开展装置的功能测试，可采取以下方法：

a.通过测试仪将模拟的交流电压、电流故障信号输入到装置，模拟逐条线路故障，电压信号初始相位为45°、故障线路电流相位滞后电压90°、正常线路电流相位超前电压90°，故障线路电流幅值最大（或不小于正常线路），检验装置的选线及附属功能，如不适用本方法的装置可由厂家提供测试方法。

b.通过建模仿真或现场记录的故障波形建立各种类型的测试场景，测试场景应考虑中性点接地方式、谐波含量、故障电阻、故障初相角、故障持续时间、故障位置、铁磁谐振等因素，通过波形回放的方式进行测试。

（3）针对基于投切中电阻原理的装置，输入装置至少六条线路零序电流并且超过选线启动阈值，然后输入中性点电压并超过接地报警阈值，保持中性点电压、线路零序电流不变直至装置投入中电阻（中电阻启动时间、中电阻投入时间可整定），在中电阻投入时，改变其中一条或多条线路的零序电流，装置应正确选出突变量最大的线路为故障线路。

（4）针对基于消弧小扰动原理的装置，输入装置至少六条线路零序电流并且超过选线启动阈值，然后输入中性点电压并超过接地报警阈值，保持中性点电压、线路零序电流不变直至装置改变消弧线圈补偿度（改变消弧线圈补偿度启动时间可整定），在改变消弧线圈补偿度后，改变其中一条或多条线路的零序电流，选线装置应正确选出突变量最大的线路为故障线路。

（5）经制造方和用户协商同意，可以开展人工接地测试[6]。

3.小电流选线设备的基本检测方法

3.1  现场接地实验

现场接地实验操作办法如下：

（1）实验总指挥通知变电站值班人员将实验电路停电。

（2）实验总指挥通知现场实验值组人员进行接线，并将单相真空断路器开关引至句接地点8m之外。

（3）再接地点8m范围四周装设围网，悬挂警示牌，设专人看护，严禁任何人员出入。

（4）现场实验组组长上报总指挥实验准被完毕，可以试验，总指挥通知变电站运行人员对实验电路进行送电操作。

（5）现场试验组开关操作人员戴绝缘手套按下合闸操作按钮，经过5S按下分闸按钮，装置检测人员记录选线输出，检查装置的选线结果是否正确。

（6）重复上述试验3次，必要时可增加试验次数。

（7）操作人员拉开跌落式开关[9]。

3.2  继电保护测试仪

继电保护测试仪可以产生一定的测试电压、电流信号并且可以按照既定的测试实验条件，来检测继电保护装置的准确性与可靠性，从而达到检测继电保护装置的逻辑功能和动作特性的目的，并根据国际和国家标准对测试结果进行标定和评价[7]。

继电保护测试仪的工作过程大致分为以下三个步骤：

（1）根据试验的目标设备，选择试验种类以及相应的试验位置。其中包括：试验项目（整组试验或其他试验）、整组试验要仿真的故障类型（三相短路、两相短路、单相接地、两相接地）、故障相位、故障电流等；另外还有相应的输出量设置。根据不同的故障类型，需要确定不同类型和数值的试验参数。

（2）根据试验要求设定试验的具体条件和参数，准备试验所需要的数据，输出试验结果。

（3）试验开始后，由测试过程控制程序送出表示三相电压和三相电流以及3Uo、3Io的数据流，数据流经过DAC转换、功率放大，成为可供继电保护测试仪的模拟量输出。

3.3实时数字仿真器RTDS搭建故障模型

加拿大曼尼托巴公司开发制造的RTDS(Real Time Digital Simulator)全称为实时数字仿真仪，是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。RTDS在国际上已经得到广泛应用，逐步替代传统的物理模拟方式，如西门子、ABB等知名企业都有自己的RTDS实验室，并将RTDS作为产品功能测试的重要手段，在国内RTDS也已经有20余家用户，其中有诸多电力供应商和主要保护制造厂家如许继、南瑞、国电南自、北京四方等，RTDS在国内得到越来越多的认可。

RTDS由硬件和软件组合而成。RTDS的硬件主要由如GPC、RPC、3PC和TPC等运算板卡和其他相配套的输入输出板卡构成。

RTDS仿真装置包括一个广泛的电力系统控制系统元件模块库。通过连续现有的元件模块用户能够组建起电力系统的回路和相关的控制回路。

使用实时数字仿真器RTDS搭建故障模型包括以下步骤：

（1）根据真实参数建立配电网仿真模型，仿真不同类型馈线线路接地故障，并根据配电网仿真模型对被测装置详细进行全面的选线性能测试。

（2）采集配电网现场接地故障录波数据，按照故障类型分类，利用 RTDS 系统再现故障工况，构建故障录波回放仿真模型。

（3）根据故障录波回放仿真模型对被测装置进行选线性能测试[8]。

3.4  电力行业标准功能性能试验电路

主要步骤如下：

（1） 建立功能电路仿真模型，利用若干个不同阻抗值的电容器模拟若干条配电网出线的对地电容，单相电压源模拟配电网发生单相接地故障时刻的二次零序电压源，并连接接地消弧线圈和并联中值电阻 ；

（2） 利用功能电路仿真模型，对被测装置进行初步的选线功能测试

具体操作方法如下：

图2.1为功能性能实验电路，C1-C11共十一的电容模拟变电所的11条出线的对地电容，第12条出线长度为零，L模拟中性点经消弧线圈接地系统的消弧线圈，R模拟中性点经电阻接地系统中的中性点接地电阻。电压信号发生器用于产生不同接地情况下的中性点电压，R0模拟接地电阻，KR和KL是单刀开关。

图2.1功能性实验电路

（1）当模拟中性点不接地系统时KR和KL均打开；当模拟中性点经消弧线圈接地系统时KR打开KL闭合；当模拟中性点经电阻接地系统时KR闭合KL打开；I1*和ILN为第一路出线的电流接线端子，I1*为极性端，ILN为非极性端，余类推；U0*和U0N为零序电压接线端子，U0*为极性端，U0N为非极性端。Z1-Z12和Zm为接线柱，当F与Z1连接时表示第1路出线接地，余类推。当F与Zm连接时表示母线接地。

（2）电容C1-C11的选择应使单相接地后系统全对地电容电流IC∑符合实验要求。考虑最长线路占线路全长50%的要求，C1-C11按表2.1数值取值。

电感L、电阻R的选择应符合电感电流与电阻电流的要求。R0的选择：当要求工作电压为100V时，则选R0=0，由电压信号发生器提供100V工作电压，当要求工作电压为30V时，仍由电压信号发生器提供100V工作电压，调节R0使U0=30V即可。

（3）电压信号发生器产生工作电压，基波为50Hz交流正弦波，谐波为3-13奇次谐波，含量按谐波系数取表2.2数值。

（4）按照上述电路及参数进行上电测试。

4.检测方法的比较与分析

（1）现场接地实验

可以直观准确的反应装置是否满足现场工作需求和选线的准确性，但是工作量巨大，测试条件要求高，并且会停电影响用户用电，且只能现场测试不能满足出厂前检验的需求[12]。

（2）使用继电保护测试仪

可完成绝大多数现场试验检定工作，可模拟各种复杂的瞬时性、永久性、转换性故障。中性点不接地系统发生单相接地时，该相对地电压为零，其他两相电压升高。在忽略线路阻抗和感抗时，中性点电压为零序电压。故障线路电流方向与健全线路电流方向相反，所有健全线路的零序电流同向。以母线指向线路的方向为电流正方向，那么故障线路零序电流滞后零序电压900，正常线路零序电流超前零序电压900。故障线路的零序电流幅值等于正常线路零序电流之和，线路条数大于3条时，故障线路零序电流幅值最大[10]。

但若考虑中性点经消弧线圈接地系统，其消弧线圈可产生感性电流对系统容性电流起到补偿作用，健全线路的零序电流与故障线路零序电流方向相同，以母线指向线路方位的电流为正方向的话，则两者的零序电流皆超前零序电压900。故障线路零序电流的幅值等于感性电流减去所有健全线路容性电流之和，此时其幅值不一定最大[11]。所以这时稳态法已经不能使用了，必须使用暂态法，通过暂态信号加以判断。于是继电保护测试仪的缺点就是只能模拟出中性点不接地稳态的电流电压信号，不能模拟出消弧线圈接地时故障暂态信号，与故障实际信号有偏差，而且体积较大不便于现场携带。

（3）实时数字仿真器RTDS搭建故障模型

可以实现电力系统的计算机数字仿真与电网实际控制保护设备的闭环连接，建立实时运行的模拟状态，进行电网控制保护装置的试验。然而RTDS建模要求高，需要将电网等值，仿真工作效率低，而且价格昂贵只在少部分科研单位有使用，不能做到现场对大量选线设备的试验。

（4）电力行业标准功能性能试验电路

可以模拟多种情况（如中性点不接地，中性点经消弧线圈接地和经高电阻接地）以及各种长度的线路的接地状态。但是其电路设计简化，距离模拟真实线路尚有差距。并且每模拟一条线路需手动将开关置位复位有些繁琐。

参 考 文 献

[1]  邱海金，谢龙兰．单相接地故障分析与处理［D］．莱州市，国网山东莱州市供电公司，2013．

[2]  张宏艳，张承学，熊睿,王琦等．国内外几种先进的小电流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较［J］．电力建设，2005，26(11)：41-45．

[3]  H,Hizam，P.A.Crossley，MIEEE,P.F.GALE等．Fault Section Identification and Location On A Distribution Using Traveling Waves［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，24 (3)：0-7803-7519-X．

[4]  冯天民，卢毅，钱程等．小电流接地选线装置的现状及发展趋势研究 [J]．科技资讯，2013，12(2)：35-38

[5]  黄少锋，郑涛等．不同接地系统的单相接地故障统一分析方法［J］．电气电子教学学报，2013，35(2)：82-93．

[6] 薛永端，冯祖仁，徐丙垠，陈羽，李京．基于暂态零序电流比较的小电流接地选线研究［D］．西安市：西安交通大学系统工程研究所，2003．

[7]  周勤，胡海梅，陈克绪．继电保护测试仪检测装置的研发［D］．南昌：江西省电力科学研究院，2012．

[8]  张承学，丁涛，黄涛，吕艳萍，杨尚宝等．基于RTDS仿真测试的配网单相接地故障选线系统优化［J］．通用低压电器篇，2009，44(1)：70-75．

[9]  韩伟强，李战鹰，郭琦，张建设，贾旭东．电网运行RTDS分析的可行性及方式探讨[A] . 南方电网技术研究中心，2010.

[10]  许赫男，许吉红．小电流接地系统单相接地故障分析及保护方法［D］．无锡：无锡供电公司，2009．

[11] 程路，陈乔夫等．小电流接地系统单相接地选线技术综述［J］．电网技术，2009，33(18)：18-33.

1