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如何彻底解决配电网小电流接地故障的问题  

2016-08-18 16:24:48|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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关于配电网中性点接地方式的选择,业界争论多年,尚未完全达成共识。在我国,小电流接地故障的检测与隔离问题一直没有得到根本性的解决,制约了配电网安全运行水平与供电可靠性的提高。近年来,电网公司十分重视解决小电流接地故障处理问题,以中电阻法、暂态法为代表的小电流接地故障检测与隔离技术获得了成功应用。国家电网公司新修订的《配电网技术导则》对配电网中性点的接地方式、小电流接地故障选线、定位与隔离技术的应用提出了明确的要求,为解决这一长期困扰电力部门的技术难题指明了方向。

访谈嘉宾:徐丙垠

山东理工大学电气与电子工程学院智能电网研究中心主任、山东科汇电力自动化股份有限公司董事长。国际供电会议(CIRED)中国国家委员会技术委员。

  徐丙垠:贯彻《配电网技术导则》,彻底解决小电流接地故障处理问题

  Q:目前国际上配电网中性点主流的接地方式是什么?

  徐丙垠:国际上配电网中性点的接地方式主要有直接接地、小电阻接地、中性点不接地以及谐振接地(消弧线圈接地)四类,直接接地与小电阻接地属于大电流接地方式,另外两种属于小电流接地方式。

  美国配电网采用三相四线制,中性点多点直接接地,之所以这样做,主要是考虑到能够为单相负荷供电。

  英国、韩国、新加坡以小电阻接地为主。

  日本3~6kV配电网采用中性点不接地方式,其他电压等级的配电网采用谐振接地方式与电阻接地方式并存。

  德国、奥地利、瑞典等欧洲大陆国家以及俄罗斯、捷克、哈萨克斯坦等东欧与中亚国家主要采用谐振接地。意大利以前主要采用不接地方式,现在全部改为谐振接地方式。法国配电网接地方式上经历了两次变化,最早采用不接地方式,后来改为小电阻接地;20世纪90年代,为解决故障跳闸率高、短路电流超标等问题,又改为谐振接地。

 Q:这几种接地方式有什么优缺点?

  徐丙垠:总体来说,大电流接地方式易于实现故障检测与继电保护,发生单相接地故障时不存在由于非故障相电压升高造成的过电压危害;但缺点是不利于提高供电可靠性,发生瞬时性故障时也会跳闸。国内外统计数据均表明,架空网络采用大电流接地方式跳闸率比小电流接地方式增加约50%。

  小电流接地方式的优点是发生瞬时性接地故障时能够自动熄弧,缺点则是接地故障检测与继电保护技术较复杂,在发生间歇性燃弧故障时非故障相电压可达正常运行电压的3倍以上。

  Q:近年来,因配电网导线坠地导致的触电事故在社会上引起了很大反响,采用小电阻接地方式是否可以迅速切除发生接地故障的线路,从而避免发生这种事故?

  徐丙垠:不完全是这样。对于10kV小电阻接地配电网来说,导线坠地故障的接地电阻比较大,产生的故障电流一般不会超过60A,在导线坠落到干燥的沥青或沙地上时,接地电流几乎为零。我国小电阻接地系统线路零序电流保护的电流定值一般选为40~60A,显然无法在发生导线坠地故障时可靠切除故障线路。

  我国南方某沿海城市的10kV配电网在1993~2000年间共发生了11起触电死亡事故,而当时变电站的保护并没有动作,说明在人身安全方面小电阻接地方式并没有明显的优势。事实上,在接地电阻比较大时,中性点接地方式对故障电流的影响并不大。不论采用何种接地方式,导线坠地故障的检测都是一个有待进一步研究解决的技术难题。

  Q:对于我国配电网中性点的接地方式,请谈谈您的看法?

  徐丙垠:我国业界对于配电网采用什么接地方式一直有争论,不同的观点一度激烈碰撞、争执不下。2010年颁布的国家标准《城市配电网规划设计规范》(GB50613-2010)规定:对于中压配电网,当电容电流小于10A时采用不接地方式,10~150A时采用消弧线圈接地,电容电流大于150A且全是电缆网络时,采用小电阻接地。目前,我国各地基本上是遵循上述原则选择配电网接地方式的。但是,也有供电企业在架空网络以及架空与电缆混合网络中采用小电阻接地方式;个别已经采用了小电流接地方式的,也在考虑改为小电阻接地方式。说明大家在这个问题上仍然没有完全形成共识。

  应该说,国家标准是经过行业专家充分的讨论形成的,是总结了国内外的经验,综合考虑了对供电可靠性的影响、过电压危害、设备投资、运行经验与管理维护工作量等因素得出的结论,应该作为我国选择配电网接地方式的依据。最近,国家电网公司新修订的《配电网技术导则》对配电网接地方式的规定,也基本上遵循了国家标准。

  Q:为什么电缆网络在电容电流大于150A时采用小电阻接地方式呢?

  徐丙垠:主要因为电缆网络里瞬时性故障的比例较低(在20%左右),消弧线圈清除电缆网络瞬时性接地故障的效果没有在架空网络里明显;此外,当电缆网络的电容电流比较大时,消弧线圈补偿后的残余电流也比较大(大于10A),即便是瞬时性故障,电弧也难以自行熄灭;再就是所需的消弧线圈的容量也比较大,设备投资大而且占用的安装空间也比较大。

  不过,考虑到电缆网络里还是有一定比例的瞬时性接地故障,而且在电流小于30A时接地电弧都有可能自行熄灭,因此从提高供电可靠性的角度出发,电容电流大于150A的电缆网络也可考虑采用谐振接地方式,特别需要指出的是不宜将已经是谐振接地方式的配电网改为小电阻接地方式。事实上,德国的配电网全部采用谐振接地方式,单母线系统的最大电容电流达到300A。

 Q:在我国,小电流接地故障的选线是公认的老大难问题,大部分变电站选线装置动作的正确率不到50%,为什么会出现这种情况?

  徐丙垠:首先,小电流接地故障产生的故障电流比较小,故障量不突出,特别是经消弧线圈补偿后,故障线路的零序电流甚至比非故障线路还要小;再就是有15%左右的故障存在间歇性拉弧现象,故障电流很不稳定。

  我国早期生产的故障选线装置基本都是利用稳态信号的,因此从原理上就存在灵敏度与可靠性没有保证的问题。尽管这样,我国选线装置动作正确率低的主要原因是由于过去没有充分认识到短时停电的危害,人们习惯于使用人工拉路的方法选择故障线路,没有下功夫解决故障选线问题。

  事实上,对于中性点不接地系统来说,从原理上讲零序无功功率方向法是可靠的,日本的运行经验表明,其实际选线的正确动作率超过90%。而同样原理的选线装置在我国不接地系统中动作效果就差很多,主要是对产品的设计制造质量把关、装置的管理维护不到位,普遍存在装置接线不正确、整定值选择不合理、装置运行中出现的问题得不到及时处理的现象。

  Q:目前有没有成熟、实用的选线技术?

  徐丙垠:利用现有的选线技术,实际故障选线的正确率可以达到90%,甚至95%以上是没有问题的。前面说过,无功功率方向法用于不接地系统中,其正确动作率是有保证的。对于谐振接地系统,目前主要有两种比较实用的方法:

  一是中电阻法,其选线原理是在消弧线圈的辅助线圈上并联一个中等数值的电阻,产生附加的零序电流,利用故障线路零序电流增大、有功功率方向与非故障线路相反的特征选择故障线路。欧洲法国、意大利等国采用长期并联电阻的方法,产生约20A的附加零序电流;奥地利、德国部分供电企业采用在发生永久接地故障后短时投入并联电阻的方法。我国采用故障后(如10s后)短时(如持续0.6s)并联电阻的方法,产生约40A的附加零序电流。

  二是暂态法,利用故障线路暂态零序电流比非故障线路电流大且方向相反的特征实现故障选线。由于暂态电流幅值比较大、不受消弧线圈的影响,因此,暂态法克服了传统稳态量方法因故障量不突出造成的灵敏度与可靠性问题。本世纪初,我国在暂态选线技术的研究与应用上取得了突破性进展,目前已有5000多套暂态选线装置投入运行。德国早期采用暂态首半波法,判据只在故障后的1~2ms内正确,近年来采用改进后的暂态法。此外,暂态选线方法在瑞典、爱尔兰等国也有较大数量的应用。广西电科院于2011年组织的人工接地测试结果表明,上述两种方法在接地电阻比较小(小于200Ω)时,选线正确率达100%。我国现场运行经验表明,在选线装置的管理维护有保障的情况下,中电阻法与暂态法的实际选线成功率都在90%以上。

  Q:这几种选线方法各有什么优缺点,都适用于什么场合?

  徐丙垠:零序无功功率法的原理与实现方式都比较简单,但只能用于不接地系统中。中电阻法能够克服消弧线圈的影响,原理比较简单,但需要在变电站安装中电阻及其投切设备,适合在变电站安装消弧线圈时一并选用。此外,中电阻法还存在电阻发热烧毁、接地电流增大带来的安全隐患;如采用短时投电阻的方法,还存在无法选择瞬时性故障线路的问题。暂态方法不需要安装专用的高压设备或改动一次高压系统,具有投资小、安全性好的优点,特别适用于已经安装了消弧线圈的变电站。暂态法的不足是原理较复杂,暂态信号在电压过零故障时幅值明显降低,影响保护动作灵敏度。不过,在实际配电网中,电压过零附近的接地故障不到1%,这个问题并不突出。

 Q:小电流接地故障的定位问题是一个长期困扰电力部门的难题,现在技术方面有何新的进展和突破?

  徐丙垠:故障定位通常指的是利用配电终端或故障指示器采集故障信号并上传至配电自动化主站,由其定位故障点所在的线路区段。

  长期以来,国内外对小电流接地故障的定位问题关注不够,其技术成熟度也不如故障选线技术。

  近年来,随着对供电可靠性问题的重视以及配电自动化技术的发展,我国在接地故障定位技术的研究与应用方面做了大量的工作,取得了突破性的进展。

  目前,我国应用的故障定位(指示)方法主要有两种:一种是中电阻法,通过检测投入中电阻产生的附加零序电流(约40A)检测接地故障,其判据为:故障点位于最后一个检测到附加电流的终端的下游相邻区段上。为提高检测的可靠性,一般是周期性(如时间间隔1s)地投切中电阻,产生一个交替变化的附加零序电流信号。另一种是暂态法,通过记录并比较线路上两个检测点的暂态零序电流波形检测故障区段,其判据为:故障点前非故障区段两侧的零序电流极性相同、幅值相近、波形相似,而故障区段两侧的暂态零序电流极性相反、幅值与波形都有很大的差异。人工接地试验与实际故障定位结果表明,上述两种方法故障定位的成功率都能够达到90%。

  Q:这些年,我国安装了大量的能够自动隔离用户侧故障的分界开关,这些分界开关隔离小电流接地故障的实际应用效果如何?

  徐丙垠:自动分界开关俗称为“看门狗”,用于小电流接地系统中,能够在用户侧发生永久接地故障时自动跳闸,避免系统带接地点长期运行。我国一些供电企业,如北京电力公司,使用自动分界开关隔离小电流接地故障,在防止用户侧故障影响系统正常运行上发挥了很大的作用。但就整体情况来说,分界开关隔离小电流接地故障的效果还不是很理想,拒动与误动现象还是比较严重的。

  Q:分界开关拒动与误动的原因是什么?

  徐丙垠:相当一部分是产品质量、整定不合理以及管理维护不到位的问题。另外一个很重要的原因是产品选型不当,原理上有缺陷。

  目前,我国应用的分界开关绝大部分采用零序过电流原理,按躲过用户系统最大电容电流整定,其依据为:流过开关的零序电流在系统侧故障时等于下游用户系统的电容电流,而在用户侧故障时是上游整个系统的电容电流。显然,这种零序过电流原理仅适用于中性点不接地系统。对于谐振接地系统来说,受消弧线圈补偿电流的影响,流过分界开关的零序电流可能小于用户系统本身的电容电流,会导致开关拒动。

  至于分界开关误动在原理方面的原因,主要是在系统侧发生间歇性接地故障时,零序电流中存在幅值很大、不断出现的暂态电流,导致计算出的工频零序电流幅值远大于整定值,因此会出现误动。实际小电流接地故障中,有大约 15%的故障是间歇性的,如果不采取专门的防误动措施,由间歇性故障引起的误动比例是比较高的。

  Q:对于谐振接地系统来说,应该选用什么样的小电流接地故障分界原理?

  徐丙垠:与故障选线类似,有两种方法可选。一种方法是中电阻法,在中电阻投入期间,通过检测有功功率的方向实现故障分界,前提是分界开关要安装有测量零序电压的互感器或传感器。另一种方法是暂态法,通过检测暂态零序电流的幅值实现故障分界,整定值按躲过系统侧接地时用户系统暂态零序电流的最大值整定。

  Q:国家电网公司最近修订的《配电网技术导则》要求尽快、就近隔离小电流接地故障,请您对此谈谈自己的看法。

  徐丙垠:过去我国电网运行规程允许小电流接地系统带接地点运行2小时,尽管有利于提高供电可靠性,但也存在接地过电压引起事故扩大化的问题,特别是引起主变绝缘击穿,将造成其所带负荷全部停电的严重后果;此外,若接地故障是因导线坠地引起的,还存在引起触电事故的风险。如果能在发生永久接地故障后及时隔离故障,则既能保持其能够自行清除瞬时性接地故障的优点,又能避免配电网长期带接地点运行的安全隐患。

如今,接地故障的检测与定位技术已趋于成熟,而且配电网的网架也日趋合理,多数具备了负荷转供的能力,在此背景下,国家电网公司新修订的《配电技术导则》提出尽快、就近隔离故障是非常必要,也是很及时的。

  所谓“尽快”是指接地故障经过一段足够的熄弧时间后(10s)仍然没有消除的情况下,采取自动化措施迅速将其隔离。“就近”是指将故障隔离停电范围控制在一个尽可能的小区域内:用户系统的故障由自动分界开关隔离,分支线的故障由自动分支开关隔离,而主干线路的故障则由故障区段的两侧的分段开关隔离。对于一些人口密集区、对供电可靠性要求不高的线路来说,必要时可由选线装置直接跳闸切除故障线路。

  事实上,国际上只有奥地利、德国采取允许配电网带接地点运行的做法,意大利、法国、日本等国也是在发生永久性接地故障后直接跳闸切除故障的。

  Q:最后,对我国解决小电流接地故障的检测与隔离问题您有什么建议?

  徐丙垠:小电流接地故障问题已引起国家电网公司与南方电网公司高层领导的重视,各地供电企业都在着手解决小电流接地故障的检测与隔离问题,使我们看到了解决这个老大难问题的希望。对做好这项工作,有四点建议:

  首先,要充分认识在数字化时代短时停电的危害,并将其纳入供电可靠性管理考核指标中,从而推动供电企业采取技术措施,避免继续人工拉路选线。

  第二,按照国家电网公司新修订的《配电网技术导则》的技术原则与要求,制定配电网接地方式和接地故障处理的解决方案。新导则是在充分的调研、广泛征求意见、认真总结国内外经验的基础上,经过内业专家的充分讨论形成的,具有很强的针对性、先进性与实用性,为我国解决小电流接地故障处理问题指明了方向。

  第三,要做好产品选型工作,优先考虑采用中电阻法或暂态法的选线、定位与故障分界装置,此外,还可采用电压-时间法,实现接地故障区段的隔离。

  最后,要像对待变电站出线保护装置那样对待小电流接地故障检测与隔离装置,做好工程安装与管理维护工作,确保及时发现和处理装置在运行过程中出现的问题。

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