中性点不接地电力系统单相漏电监测和选线装置的研究

中性点不接地电力系统单相漏电监测和选线装置的研究张永李波Theresearchofsinglephase-to-groundmonitorandthelineselectioninstallmentfortheelectricalpowersystemthatneutralpointdoesnotgroundingZhangyongLibo摘要：本文介绍了“S注入法”选线定位新原理，并依据此原理设计了中性点不接地电力系统单相漏电监测和选线装置。它解决了困扰电力系统几十年的两相CT架空出线的单相接地选线问题，完善了延用40年的小电流接地系统两相CT的体制。关键词：S注入法小电流接地系统单相接地选线ABSTRACT：ThisarticleintroducedSinjectionmethod,thenewprincipleforselectionandpositionoffaultyline,anddesignedsinglephase-to-groundlinemonitorandselectioninstallment,whichbasedonthisprinciple,fortheelectricalpowersystemthattheneutralpointdoesnotgrounding.ItsolvedtwoCTtobebuiltonstiltsthegoingbeyondsinglephase-to-groundlineselectionquestion,whichpuzzledelectricalpowersystemseveraldozensyear,andhaveimprovedandprolongedthesystemwhichusedofthelittleelectriccurrentneutralgroundingsystemdouble-phaseCTfor40years.KEYWORDS：SInjectionMethodSmallcurrentneutralgroundingsystemSinglephasetogroundFaultlineselection一、绪论1、引言安全性和可靠性是工矿企业对供电系统的的基本要求。但是输电线路故障又不可避免。据统计，在电缆输电线路中发生单相接地段路（或漏电）的率最高。为了及时发现和处理这类故障，防止事故的扩大，一般企业都装设了高压漏电保护装置。在众多漏电保护原理中，目前，可靠性最高应用极广的是零序电流方向保护。我国6~63kV电力系统普遍采用中性点不接地的运行方式。随着系统规模的扩大和供电范围的增加，电网的电容电流越来越大，为了防止系统在发生漏电故障时大电容电流可能引发的严重后果，部分企业采用了中性点经消弧线圈接地的中性点运行方式，以期利用故障时消弧线圈上的电感电流抵消电网中的电容电流，达到减小故障电流幅值，增加系统安全性的目的。随着时代的发展，传统的继电器——接触式的漏电保护装置的缺点已越来越明显，而诸如单片机之类的微机保护装置经一段时间的实际使用，不少单位都不同程度的实际使用，不少单位都不同程度的存在使用和维护问题，有些地方甚至因为技术力量不足等原因而将装置长期闲置。另外，我国现有的漏电保护装置基本上还是针对中性点不接地的运行方式而设计的。因此，开发一种能同时适用于不同的中性点运行方式，能适应各种复杂的工业环境，便于现场工程技术人员和维护的漏电保护装置具有重要的现实意义。2、零序电流法选线原理当中性点直接接地的电网（又称大接地电流系统）中发生接地短路时，将出现很大的零序电流，正常情况下它是不存在的，因此，利用零序电流来构成接地保护容易实现，有其显著优点。在中性点非直接接地电网（又称小接地电流系统）中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷供电没有影响，在一般情况下允许再继续运行1~2个小时而不必立即跳闸。这是采用中性点非直接接地运行的主要优点。倍，为防止故障进一步扩大为两点或多点接地短路，应及时发出信号，以便运行人员采取措施予以清除。中性点不接地电网中单相接地故障的特点：如图1所示的最简单的网络接线，在正常运行情况下，三相对地有相同的电容Co，在相电压的作用下，每相都有超前于相电压900的电容电流流入大地，而三相电流之和等于零。假图1：简单网络接线示意图设A相发生单相接地，则A相对地电压变为零，对地电容被短接，而其他两相对地电压升高倍，对地电容电流也相应的增大倍，向量关系如图2所示，在单相接地时，由于三相中的负荷电流和线电压仍然对称，因此，下面不予考虑，而只分析对地关系的变化。图2：A相接地时的向量图在A相接地后，各相对地的电压为：＝0＝－＝e-j150°＝－＝ej150°故障点d的零序电压为：＝1/3（＋＋）＝－在非故障相中流向故障点的电容电流为＝jwC0＝jwC0其有效值为IB＝IC＝UΦwC0，其中UΦ为相电压的有效值。此时，从接地点流回的电流为＝＋，由图1-2可见，其有效值为ID＝3UΦwC0，即正常运行时，三相对地电容电流的算术和，总结以上分析的结果，可以得到如下结论：a在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压；b在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向由母线流向线路；c在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件的对地电容电流之总和，数值一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。这些特点和区别，将是考虑保护方式的依据。根据此原理，可利用以下方式来构成单相接地保护。1、绝缘监察装置；2、零序电流保护；3、零序功率方向保护等等，但上述这些保护方式各自适用于一定结构和参数的中性点非直接接地的电网，各有一定的局限性和缺点，它们共同的缺点是只适合电缆出线和架空出线装有三相CT的情况，从原理上限制了其适用范围，至于占小电流接地系统90％的装有两相CT架空出线的系统，因无法取得零序电流，至今未能得到很好的解决。3、S注入法新原理根据上述情况，不可再在零序电流上下功夫，只能在新原理新方法上寻找突破口。根据“S注入法”选线定位原理，进行设计。如图3，系统正常情况下：UAN＝UBN＝UCN＝57.8VULN＝0V发生单相接地时（以A相为例），铁芯LNCBAA'B'C'ABCCBA原边付边注'注图3：“S注入法”工作原理示意图根据接地时，相电压两相升高，一相降低，出现较高开口电压的特点，由PT付边电压自动判别出接地相别，并通过PT向接地相注入一特殊信号电流，如虚线所示，此情况下只有接地相处于短路状态，也只有该相产生感应电流。注入的信号电流基波频率FN处于工频N和N+1次谐波之间，即N×50HzFN(N+1)×50Hz，再通过检测一起找出含有特殊信号电流的线路，该探测器应该只反应注入的特殊信号电流，而不受各次谐波的干扰，其频率特性如图4，这样，我们探测器对每条出线探测，探测到注入信号的出线即为接地点所在线路，沿接地线路进行探测，注入信号消失点就是接地点。200227250f图4：信号电流频率特性曲线二、硬件电路设计1、方案的比较与论证主机发送信号电流后，有两种方式可以检测线路接地情况：一种是工作人员手持探测器对每一路出线进行检测，这种方式费时费力不说，而且有一定的危险性；另一种方式是每一组出线都加装探测器，探测器设有通信功能，当发生接地时，能自动把接地情况传到主控室。显然，后者既保证了工作人员的安全，又符合电力系统自动化的趋势，我们选用第二种。2、工作原理安装在每一出线的探测器，其最前端采用谐振在信号电流相同的频率的天线（由于电力系统的特殊安全要求，不同的电压等级具有不同的安全距离，本设计适用的系统中，安全距离一般≥35cm，所以只能通过天线感应来检测），天线感应到的信号经放大、带通滤波、光电隔离、整流等调理电路，经A/D转换进入CPU，在未发生接地故障时，CPU记录A/D转换结果X，X反应了电网中和信号电流相同频率的谐波成分，当接收到主机有接地命令后，CPU记录A/D转换结果Y，完成Y-X的运算比较其是否大于预先由键盘设定的数值Z比较，判断出是否接地和接地相，控制继电器打开功放，通过PT向母线注入特殊信号电流，再由通信接口和各路探测器联系找出接地出线，而且可以把最近10次的接地故障情况记录下来，写入E2PROM中，通过键盘查询。漏电时，能够发出声光报警，按下复位按钮后，报警小时，并能够通过微型打印机打印出故障情况。3、原理框图（图5）信号源功放系统时钟LED显示报警电路微型打印CPUA/D转换EEPROM多路转换器采样保持PT探测器RS485接口键盘控制PTPT信号调理采样保持信号调理图5：原理框图三、软件设计此软件设计编制采用MCS-51系列语言，此语言有运转速度快，占据空间小等特点。软件的核心功能是完成接地故障的选线，所以主机首先要根据各相电压的变化情况判断出哪一段母线的哪一相发生了接地，然后打开功放向母线注入227Hz的信号电流，同时以广播方式通知各从机（探测器）开始检测此信号，从机检测到此信号后，将响应的接地标志位置位，作为接地标志，等待主机查询，主机查询到接地线路还应记录下当时的时间，并送显示和存储。以下是主机（图6）和从机的主流程（图7）：置相应标志广播方式通知各从机已接地，送命令使此从机＝1开延时1开功放广播方式通知各从机已接地，送命令使此从机＝1延时1多机通信巡测，找到接地线路编号改变画面参数读出系统时间和接地线路号一同存入键盘处理程序调显示子程序有键按下？复位初始化检查接地标志置位了吗？A/D转换调有接地吗？图6：主机流程图NJD-FLAG=0AFH?初始化上电复位GB1=1?Y延时100ms读A/D转换结果数字滤波存入变量DPX数字滤波存入变量DPY读A/D转换结果延时100msYGB2=1?NDPY-DPX大于定值？YNJD-FLAG=0AFHYNN图7：从机流程图由于电网中冲击信号可能存在227Hz的成分，对这种偶然的瞬变干扰，将采样信号数字滤波，剔除坏值后，再取平均，通过多取采样值这样可大大降低这种干扰的影响。四、结论：“S注入法”选线、测距和定位原理的提出，圆满解决了两相CT出线的小电流接地系统单相接地选线、测距和定位这一困惑电力系统几十年的重大技术难题。“S注入法”的成功应用，为电力系统的带电绝缘监视、参数测试等，提供了一条全新的途径，相信会对这些技术的发展，起到一定的推动作用。参考文献：（1）桑在中“S注入法”选线定位原理及应用中国电力1997.10（2）霍启福通用智能小电流单相接地选线装置山东科技大学电子仪器及测量技术专业2000届学士学位论文2000.6（3）贺家李电力系统继电保护原理（第三版）水利电力出版社1994（4）何立民MCS-51系列单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社1990（5）公茂法等单片机人机接口实例集北京航空航天大学出版社1998（6）武汉力源单片机技术研究所CMOS串行E2PROM原理及应用1995（7）孙德和等常用集成电路芯片参考大全1992（8）四川大学发电厂电气部分中国电力出版社1990张永山东省邹城市北宿镇兖矿华聚能源公司南屯分公司273515