摘要：近年来，随着城市改造建设的加速、人们生活水平不断提高，社会生产和日常生活的用电需求不断扩大，为满足用户多样化的用电需求。考虑到配网系统接地方式比较多，每种方式均有一套针对性的配电网线保护方案，但众多的方案在具体实施中会给工作人员带来种种困扰。通过对配电运行中多种保护原理的深入分析并进行实践检验，特提出了一种可在多种环境下而且能够满足多种接地方式的方案，即10kV电缆配电网保护装置，此装置运行稳定而且效率高，可供同类型工程加以借鉴。
关键词：配电运行；多种接地方式；配网保护；选线；管理
1、常用电力系统接地方式
（1）中性点经消弧线圈接地系统。中性点经消弧线圈接地是目前普遍采用的接地方式。其最大的特点是利用电感补偿了接地故障时的接地容性电流，从而使接地残留电流很小（一般规定10 A以下）导致电弧熄灭，实现消弧的目的。同时由于消弧线圈的存在，起到限制故障线路相电压恢复速度，限制了最大恢复电压，这样也就使电弧无法从新燃烧，实现彻底灭弧。接地起弧就从电流、电压两个方面考虑，控制住这两个因素就实现了灭弧，也就避免了弧光过电压，防止了电力系统接地故障的扩大化。由于单相接地电流很小所以并没有破坏原有的三相平衡，只是中性点的偏移，所以带电设备能够稳定运行（规程规定可运行1～2 h）。消弧线圈接地系统对提高电网的可靠运行，防止人身触电方面有巨大优势。
但在目前消弧线圈接地系统运行现实中，事故层出不穷，并且一旦出现接地事故，将进一步扩大，最终演变成大范围停电事故，电缆拉弧起火。造成上述事故的根本原因是消弧线圈接地系统稳定运行的前提要求很苛刻。目前城市与企业供电电网大都采用电缆布线方式，并且由于供电线路越来越长，造成电网正常运行时系统对地容性电流也很大。消弧线圈系统为充分灭弧，避免在事故时因倒闸操作造成的谐振过电压就必须采用过补偿。随着电网容量及结构的改变要求消弧线圈系统具有较高的自动跟踪补偿能力。而单相接地故障时并非都是金属性接地，造成消弧线圈接地系统频繁动作补偿很难达到一个稳态。现实中由于接地故障多样性，很多时候接地电流补偿到7～8 A还不能熄灭电弧。而消弧线圈接地系统恰好在架空线路接地系统中表现突出，对大容量、复杂供电系统显然吃不消。同时它本身针对选线还有致命的缺陷。由于采用过补偿形式，发生单相接地时通过接地故障线路的电流为补偿后的感性电流，方向由母线流向线路滞后零序电压90°，大小由于补偿后残留很小所以故障相与非故障相的零序电压和零序电流在方向和大小上基本一致。导致采用零序电流、零序功率的选线方法失效。所以在现实中出现一次选出很多线路，无法给操作人员提供依据，影响故障消除时间，最终导致事故扩大化。
（2）中性点经过小电阻接地系统。中性点经过小电阻接地系统近年有很多应用实例，具体分析可与直接接地系统对比。以单相接地故障为例，发生故障时非故障相电压升高较小，从而对电缆及用电设备的绝缘要求可以降低。但故障相接地电流较大，必须采取措施限制接地电流，断开故障线路。中性点经过小电阻接地系统由于不存在消弧线圈补偿，可采用零序电流互感器检测，由于流过故障线路的电流较大造成零序过流保护灵敏度很高。目前保护动作时间可以控制到毫秒级，由于它采用切断故障线路来消除故障，因此，即使发生短暂接地故障也会动作并跳闸，造成供电的可靠性降低。但它确保灵敏性、选择性的接地保护得以实现，幷能减小弧光接地过电压出现的危险性。
（3）中性点经过高阻接地系统。中性点经高阻接地由于电阻为耗能原件，并且可以看作与系统对地电容并联运行。在发生单相接地故障时，接地电流有较大的电阻分量故对限制接地电流及故障点消弧消谐有一定优越性，从而避免谐振过电压和间歇起弧的发生。从选线排除故障的角度考虑，它在选线的可靠性、选择性上具有消弧线圈系统不可比拟的优越性。主要由于单相接地时，接地电流是系统容性电流与电阻电流的矢量和，相位上接近90°。利用零序互感器進行选线时能够准确地选出故障点，给操作人员提供排除故障点的准确依据。同时由于经高阻接地，限制了接地电流可使故障设备继续运行2 h，给操作人员提供消除故障的时间，同时减少了接地电流产生的电动力和热效应。降低接地故障点人员遭受电击的风险。
高阻接地系统能够灭弧规范要求接地电流10 A以下，而在实际应用中很多时候接地电流达到7～8 A时电弧仍没有熄灭，从而限制了系统的容量。当接地容性电流大于10 A时，一般认为不适合采用高阻接系统。在当今城市市政配电网及大型生产企业一般采用电力电缆进行配电，由于系统运行方式的日益复杂和系统容量增加，造成目前系统容性接地电流很大，一般可达70～80 A甚至更高。故限制高阻接地系统在目前10 kV电力系统中的应用。
2、中性点经消弧线圈接地方式的配电网运营现状
2.1 消弧线圈的基本原理分析
电网在运行的过程中发生接地故障时，在零序电压作用下，消弧线圈就会产生感性补偿电流，该电流的方向与流过故障点的电网电容电流方向相反，所以，流经故障点的就是感性补偿电流与电网电容电流的矢量和，一定程度上会降低流经故障点的电流，电流在过零点时会熄灭电弧，以此来切除故障点。
当前我国电力系统中所使用的10 kV配电网络的电源出线侧采用的接线方式一般都是三角形接线方式，系统中没有中性点引出，因此，需要采用人工方式建立一种中性点。针对系统运行的中性点问题，当前使用Z型接地变压器来解决，与普通的三相芯式电压变压器相比，两者的结构基本相同。每相铁芯上的绕组一般会分为上下两个部分，这两个部分之间的连接呈现曲折形的连接，即所谓的Z型连接。由于Z型接地变压器的接线方式相对独特，在同一柱上两半部分绕组的零序电流方向往往会相反，因此，所产生的零序电抗相对较小，不会对零序电流产生扼流效应。如果将Z型接地变压器中性点接入消弧线圈，可让消弧线圈的补偿电流自由的流过，因此，这种变压器经常被用作接地变压器。
电容电流的补偿一般分为3种方式，主要包括完全补偿方式、欠补偿方式以及过补偿方式，在电网系统的实际运行过程中，为了避免谐振过电压的产生，往往采用的补偿方式是过补偿方式。
2.2 跟踪补偿式消弧线圈
随着配电网的改造以及新线路的投产运行，导致互联网中的很多线路退出了运行，电力系统的对地零序电容电流也在不断地发生变化。为了避免电力补偿中谐振过电压的产生，消弧线圈的补偿容量需要随着系统对零序电容电流的变化而变化，即根据实际情况调整消弧线圈的补偿容量。我国当前使用的消弧线圈主要有两种形式：一种是手动调节的形式，还有一种是自动跟踪补偿的形式。在采用手动调节的情况下，消弧线圈需要退出运行的状态，且需要通过人为方式估算电容电流值，这种情况下往往容易产生较大的误差，后一种自动实施电容和电流量测量的方式可以自动调整消弧线圈，确保补偿电流能够快速地适应系统的变化，这种自动跟踪补偿的消弧线圈是人们的主要选择。
自动跟踪补偿的消弧线圈分为4种方式，包括调匝式、直流偏磁式、调气隙式以及二次调容式等类型，各种调节方式都有自身的优缺点，一般电网中普遍采用的方式是二次调容式消弧线圈。二次调容式消弧线圈的主要工作原理是利用电容器的投退组合实现电容量的多级变化，通过电容量的变化控制电感以及电流的大小，最终达到控制消弧线圈补偿容量的目的。消弧线圈的成套装置通常由6个部分组成，包括Z型变压器、二次调节消弧线圈、阻尼电阻箱、自动跟踪调节、选线控制器、电容调节柜和控制屏。
2.3 消弧线圈的故障检查
如果中性点经消弧线圈接地时，非故障线路零序电流的大小一般等于该线路的接地电容电流，线路的方向是从母线流向线路的容性流。在故障线路的开始阶段，出现的零序电流通常是两个电流的矢量和，其中一个是感性补偿电流，还有另外一个是电网电容电流，在过量补偿情况下，电流的方向是从自线路流向母线，也可以看作是自母线流向线路的容性电流。所以，故障线路保护安装位置零序电流的大小等于故障相补偿残余电流与非故障相接地电容电流之和，其本身的方向是从母线流向线路的容性电流。由此可知，通过线路补偿之后，费故障线路和故障线路之间的零序电流幅值大小以及电流方向上的差异性就不是特别明显了，一定程度上增加了接地选线装置的选线难度。虽然国内外对中性点非直接接地系统单相接地故障选线方面已经有了突出的研究，且在这方面也取得了较大的成果。但是，通过这些选线原理制造的选线装置，不够具备电力系统推广应用的准确性与可靠性。对于这种现象，电力领域的研究学者和专家认为，还没有相对准确的微机装置能够制动电力跳闸现象。目前很多电网中虽然广泛地应用了跟踪补偿式消弧线圈装置，但是为了保障这种装置运行的可靠性，并没有将其真正地投入运行当中。
3、中性点不接地系统
10kV电缆智能分界保护终端共分为两个模块：一是保护模块，主要由微机保护控制器与开关设备两部分组成；二是通讯模块。由于10kV电缆智能分界保护终端具有稳定性高，而且运行效率高等优点，可大大增强供电的高效性，为系统的安全运行提供可靠的保障。
中性点不接地系统如图1所示，通过对图1进行分析可知，当故障出现在开关部位时，接地电流则表述为，此状态下，处的电流值为，检出电流为，检出为。从以上可知，三相整定零序电流分别设置为、和，通过检测得知、不发生动作，只有发生动作，由此可准确判断出界内与界外故障部位。
4、中性点经小电阻接地系统
对中性点小电阻接地系统进行研究可知，若开关部位发生故障，则接地电流表述为：，其中所表示的含义为流经接地小电阻的零序电流。在此状态下，检出零序电流为；而检出零序电流的表述式子为，检出为。因此可将三开关部位的整定零序电流分别设置为，最终得出、不动作，而发生动作反应，即可判断出界内与界外存在相关故障问题。
5、中性点经补偿接地系统
中性点经补偿接地系统见图2所示。当开关部位发生故障时，接地电流可表述如下：，其中所代表的含义是流经接地消弧线圈的零序电流。经过检测得知，检出零序电流为；检出零序电流为，检出为。考虑到为补偿电流，因此会出现<或<的情况，借助零序方向对界内与界外故障进行有效设置。零序方向保护的原理是通过零序电压与零序电流的有机结合，准确排查出故障部位。通过高精度ZCT与ZPD计算出零序电压与零序电流之间的相位，即可得出故障部位所处的区域。
6、适应多接地方式的配网保护平台
6.1 监控平台
监控平台如图3所示，监控平台主要是借助计算机系统，依托终端通讯模块与Internet/GSM/GPRS网络，实现集网络化、可视化等于一体的系统。从监控平台架构中可看出，统终端模块主要是通过图形界面的方式显示出来的。监控平台可支持多种通讯方式比如GPRS、GSM等，具有如下几大功能：（1）实时数据采集与监视功能：该平台可对系统运行中所分布开关处的电流、电压以及功率等数据进行准确记录，并清晰呈现出来，而且还具有自动存储功能，可供相关人员后期查阅分析所需。（2）故障告警功能：系统在运行时如若发生故障问题，可发生告警信息，并将故障区域以画面的形式反馈到主系统中。（3）定值与参数的有效设置：监控平台可实现对智能分界保护终端的定值与参数的实时上传，能够获取到最新的数据资源，并进行自动下载。（4）遥控功能：系统还可支持远程控制，如若发现故障或者操作失误现象，操作人员可借助计算机进行远程操作，给操作人员节省了大量的时间，增强了工作的实效性。（5）自动生成报表功能：系统可根据需要自动生成多种类型的报表，报表一经生成即可自行打印，省时省力。（6）用户管理的高效性：根据用户级别的差异，赋予其相对应的管理权限，以最大限度确保系统得以稳定、有序运行。
图3 监控平台架构
6.2 智能分界保护终端
智能分界保护终端主要安装在支线与馈线的T接处，并带有相关通讯模块。终端设备与分界开关自成一体，可实现检测故障与保护控制的多重功能。如若發现用户支线出现单相接地故障问题时，智能分界保护终端会对零序电流进行有效判断，逐一排除故障部位，将故障区域与非故障区域进行有效分离，实现自动分闸的效果，确保分支用户配电线路稳定运行。当用户支线之间发生短路现象时，智能分界保护终端会对其进行自动判断，在短时间内找出问题所在，变电站会启动出线保护跳闸，将故障线路有效排除，保证其他线路的安全运行。变电站出线开关重新送电后，故障线路会被有效隔离，馈线上的其他分支用户供电正常。如果配网主线发生异常时，线开关会在第一时间做出相关反应，并对故障部位进行准确定位的同时将故障信息等发送至后台系统中，及时解决存在的问题，提高线路运行的安全性。
7、结束语
综上所述，在配电运行中通过10kV电缆智能分界保护终端方案的成功实施，可在短时间内找出故障部位，并采取有效的措施对故障部位进行处理，提高线路运行的安全性。通过实践检测，该方案具有高效率、运行稳定等优点，可有效缩短停电时间，为高配电系统电缆的运行提供可靠的保障。
参考文献：
[1]张姝，何正友，林圣，等.基于充放电暂态特征的谐振接地系统单相接地故障定位方法[J].电力系统保护与控制，2013，1（9）：13-20.
[2]王虎一.提高变配电设备运行稳定性研究与应用[J].硅谷，2012（19）：66.
[3]刘渝根，王建南，米宏伟，等.10kV配电网中性点接地方式的优化研究[J].高电压技术，2015（10）：3355-3362.
[4]张威.佛山10kV配电网中性点接地方式评估与优化研究[D].华南理工大学，2012.
论文作者:韩雪峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：电流论文; 故障论文; 弧线论文; 系统论文; 方式论文; 线路论文; 过电压论文; 《电力设备》2017年第30期论文;