3~66kV电力系统主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统的原理及应用

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摘要：本文介绍了一种新型的主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统，通过分析其选相原理、选线原理及结构组成，了解其动作机理。无论单相接地还是铁磁谐振等，都可实现故障类型的精准判断及快速处理，保证配电网安全可靠运行。

关键词：3～66kV电力系统  主动干预  消弧装置  接地故障管理系统 铁磁谐振

前言

我国3～66kV中压电网大多采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，又称小电流接地方式，单相接地故障是中压电网中最常见的故障类型，约占全网故障的80%。单相接地故障产生的弧光接地过电压、铁磁谐振、小电流选线准确率低等问题，一直是行业内面临的技术难题，经过长时间的攻坚克难，一种新型的融合多判据的接地选线装置投入到实际应用中，即为主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统。其通过采用脉冲电流选线、主动干预消弧、全电压监测录波、过电压抑制等多种核心技术实现快速选相、选线、熄弧，准确率100%。

1 工作原理

主动干预型消弧装置的分类为：①采用快速开关直接接地型，②采用限流电阻接地型，③采用电抗器/低励磁阻抗变压器接地型。

以SUN-IGuard系列主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统为例进行分析。

主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统是将单相接地故障相母线经小电抗接地，限压转移故障相电流灭弧，并完成选线。

1.1单相接地选相原理

在中性点非有效接地系统中，单相接地故障发生时，故障相电压降低，其它两相非故障相电压升高，线电压保持对称关系。根据实时采集的母线三相电压、零序电压，当母线零序电压瞬时值或瞬时突变值达到启动电压设定值时启动判据，判别是否发生单相接地故障，并识别出接地故障相。

1.2单相接地选线原理

在中性点非有效接地系统中，接地选线一直是一个难题，早期的单一判据原理已无法满足现场实际要求。新型选线单元通过高频采样、全同步的实时录波，采用暂态选线、连续选线、中电阻选线、变频选线、PT断线及铁磁谐振判断相结合的方法进行同步判断，快速、准确识别故障线路。

暂态选线通过比较各支路暂态零序电流幅值、方向以及零序能量绝对值、吸收、释放状态进行判断。接地故障发生时，故障线路的零序电流为系统各支路电容电流减去故障线路电容电流，非故障相的零序电流即为本线路的电容电流，故障线路的零序电流I 0滞后于零序电压U0约90o，非故障相零序电流I 0超前于零序电压U0约90o，暂态零序电流幅值最大、方向与其他支路相反的支路，即为接地支路。暂态零序能量绝对值最大、吸收或释放状态与其他支路相反的支路，即为接地支路。

连续选线在电网中已经发生单相接地、且接地故障没有恢复时，利用零序增量法，判断各支路再次发生同相接地后零序信号的变化，从而找到新的接地支路；利用短路特征法，快速找到发生短路的支路。

中电阻选线在采用消弧线圈并联中电阻的接地系统中，通过控制中电阻的瞬间投切，向接地点注入特定幅值的阻性电流，使接地点的电流幅值和相位有明显变化，通过监测中电阻投切前后各支路的电流变化识别接地支路。

变频选线通过实时监测电网的频率，并以此频率为基准，动态调整接地诊断算法的暂态特征频率、稳态特征频率。当电网发生单相接地时，以与变频电网当前频率相匹配的暂态与稳态特征频率比较，分别进行暂态、稳态选线，从而识别出接地支路。

PT断线及铁磁谐振判断，实时监测系统零序电压，当3U0大于18V，且两个相间电压的模值之差也大于18V，判定为PT断线，延时1s后发信。根据零序电压的幅值和频率可以判断出谐振类型，工频、分频和倍频谐振。由于单相接地故障下的能量比要远小于工频铁磁谐振下的能量比，几乎为０。故取一个接近于０的阈值δ5，将２种情况下得到的小波能量比值Ｋ与δ5进行比较，Ｋ＞δ5的为工频铁磁振，Ｋ＜δ5的为单相接地故障。

2 构成

主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统由前置断路器、电流互感器、分相断路器、电抗器、零序电流互感器、过电压保护器、高压熔断器、电压互感器、一次消谐器、微机保护装置、主动干预型消弧控制器、电网动态录波及精准选线装置、工控机等组成。

3 故障处理

电网正常运行时，前置断路器（QF）处于合闸状态，分相断路器（K1、K2、K3）处于分闸状态；一次回路主要有前置断路器（QF）串联三个分相断路器K1、K2、K3，三个分相断路器是星型连接、公共端串联电抗器接地。系统通过选相单元（主动干预型消弧装置）对电压互感器的电压采集，监视系统运行状态，并将母线电压数据实时报送至测量、保护系统；选线单元（单相接地故障管理系统）实时采集各回路零序电流数据，判断是否有异常接地状态，装置处于运行监测控制，同时保护待命。

3.1铁磁谐振

正常运行状态下，电压互感器一次中性点通过选相单元内置微机消谐单元并联一次消谐器接地。当电网发生铁磁谐振故障时，一次消谐器和选相单元内置微机消谐单元启动保护，内置消谐单元断开，在电压互感器的一次中性点与地之间串联非线性电阻，隔断谐振回路消除谐振，同时闭锁选线。

3.2电压越限

当系统发生电压越限（高于额定电压的130%，或低于额定电压的70%），装置立即发出报警信号并输出开关量接点，人机画面显示故障时间、类型和各相电压。

3.3单相接地故障

当电网发生单相接地故障时，主动干预型消弧控制器通过三相电压和开口三角电压的判据判断出接地故障，在10ms内发出快速干预指令，快速分相断路器在接受指令后10ms内完成故障相合闸接地，在20ms将故障相强制可靠接地，使其他形式的单相接地故障转化为稳态的单相金属性接地故障，从而并联分流故障点电流，将故障点电流转移到本装置分相开关处，同时钳位故障相电压与大地等电位、非故障相电压在线电压，进而有效熄灭故障点电弧，避免接地电弧造成的线路绝缘热烧损、非故障相过电压击穿、相间短路、电缆放炮等问题，以及导线坠地造成跨步电压或人体触电等人身伤害事故的发生。装置动作后，会立即发出告警，同时启动录波，记录故障时刻的电压、电流和选相、选线信息。分相断路器合闸后经一定延时（5s）自动分闸，若接地故障消失可判断为瞬时性接地故障，系统电压将恢复正常，装置进入待机状态；若接地故障仍存在可判断为永久性接地，则装置将控制故障相断路器再一次合闸，且保持合闸状态直至系统接地故障隔离或消除后由远方监控人员操作断路器复位，此后装置自动进入待机状态；期间选线装置一直处于工作状态，根据电弧熄灭前后只有故障线路零序电流变化最大，而非故障线路零序电流基本不变（即最大增量原理），快速准确地选出故障线路，并及时将选线结果远传至监控人员通过试拉馈线开关进行验证。

4 技术特点

主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统具有以下特点：

（1）灭弧时间短

主动干预型消弧装置采用快速分相断路器，其合闸时间远小于其他形式的断路器及接触器。快速分相断路器的动作时间≤10ms，真空接触器的动作时间≥80ms，可以在20ms内的转移故障接地点电流，熄灭电弧。

（2）准确率高

装置通过暂态选线、连续选线、中电阻选线、变频选线、PT断线及铁磁谐振判断等多级算法相互验证，适应不同类型的接地故障，准确率可达100%。

（3）安全可靠

前置断路器可快速切除柜内发生短路故障。单相断路器具备合闸闭锁功能，当一相断路器合闸后，其他相断路器相互闭锁不能合闸，任意两相或三相断路器不能同时合闸。当选相错误后，装置合闸的分相断路器可以迅速自动断开，同时装置闭锁。此类功能可以杜绝事故扩大的风险，提高了供电系统的安全性。

（4）事件记忆功能强

装置采用ARM+DSP双核核心控制器，计算速度快、数据处理能力强，能够完整的记录不少于500条接地故障从发生到结束全过程装置识别的各类故障事件，实时记录接地故障的故障发生前、故障发生过程中、故障结束后等故障全过程波形，包括故障母线的三相电压、零序电压、备用零序电压、各支路的零序电流、故障母线上各支路TWJ的位置等信号。

（5）适应性强

根据系统接线方式，可以对接地元件进行选择，包括导线、限流电阻、电抗器、低励磁阻抗变压器等。

结语与展望

本文介绍了主动干预型消弧装置及单相接地故障管理系统的工作原理、结构组成，并针对中压配电网中特有的故障类型进行了装置动作分析。当发生铁磁谐振时，装置可以快速识别故障并发信，闭锁选线；当发生电压越限时，装置可快速判断故障类型，并作出相应处理；当发生单相接地故障时，装置可以快速转移故障，并选出故障线路。该装置准确率高适用范围广，可实现故障的精准判断，对确保中压配电网安全运行具有实际意义。

参考文献

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