NES电网单相接地暂态电流分析及其在中铝山西企业的应用

（中国科技博览） NES电网单相接地暂态电流分析及其在接地选线领域的应用单位 中国铝业股份有限公司山西分公司水电分厂 姓名郭晓晖 邮编 043300 摘要 本文简要分析了小电流接地系统单相接地故障的暂态电流特征， 并对实际试验测试结果进行了扼要分析，指出了暂态电流在小电流接地选线领域的应用价值，介绍了在此基础上研制的 SD 2B 小电流接地故障选线系统在中铝山西企业电网的应用效果。关键词 小电流接地；故障选线；故障监测；暂态信息引言对于小电流接地系统（简称 NES 电网）的单相接地故障，由于故障电流微弱、电弧不稳定、谐波干扰、系统滤波等原因，基于稳态信息的故障检测 主要是选线 方法效果不够理想。而小电流接地故障产生的暂态电流比稳态电流大很多倍， 基于暂态信号的选线方法灵敏度较高且不受消弧线圈和系统谐波的影响。利用暂态电流的选线思路早在 20世纪 50 年代就已提出，但是由于暂态过程持续时间非常短 毫秒级 ，检测可靠性不高， 加上当时信号捕获和处理技术不能满足要求， 基于暂态信号的故障选线方法一直没有得到很好的应用。 近年来， 随着微电子技术和信号处理技术的发展， 利用暂态信号的检测方法重新成为人们研究的热点。但由于受传统选线理论的影响，很多人将一些稳态检测方法 主要是幅值比较、谐波分量比较 应用到暂态检测方法中，从而降低了暂态信息选线的适用性能和准确性。因此，对于暂态信号特性和信号利用的方式仍然需要进 - 步深入研究。文章介绍了关于小电流接地故障暂态电流特征及选线方法的一些研究结果， 以及在此基础上研制的 SD 2B型小电流接地选线装置的应用情况。1 小电流接地故障暂态电流特征的定性分析NES电网系统接地时暂态电流分布，如右图所示由于故障相电压突然降为零而引起的放电电流。在图中以“ ”表示，它为母线所短路，不经过电源回路。由于线路的电感和电阻都较小，放电电流衰减较快，频率较高。由于非故障相电压突然升高√ 3 倍而引起的充电电流，在图中以“→”表示，它要经过电源而成回路。由于整个流通回路的电感和电阻都较大，充电电流衰减较慢，频率较低。在故障时，对暂态接地电容电流的估算，可根据下图的等值电路来分析。图中， R、 L 和 C为系统的分布参数， Lk 为消弧线圈的集中电感。由于 Lk L，它不会影响分布电容电流的计算。 决定回路自由振荡衰减的电阻 R应为接地电流沿途的总电阻值，它包括导线的电阻，大地的电阻和故障点的过渡电阻。忽略了 Lk 的影响后，对暂态电容电流的分析，实质上就是对一个具有 R、 L、 C串联回路突然接通零序电压 utU mcosω t 时的过渡过程的分析。当 R2√ L∕ C时， 电流经非周期衰减而趋于稳态值。当开关合闸后，电路中的电压方程式为utu LuRuCLdi/dtiRu CLCd2uC/dt 2RC duC/dtu C 解微分方程可以得出过渡过程中，暂态量的最大电流值为i maxI C ω 0/ ω e- δ t - sin ω t 即最大暂态电流与稳态电流幅值之比， 近似地等于谐振频率与工频频率之比。 所以， 它比稳态值大几倍到几十倍。 若故障发生在相电压瞬时值为零的附近， 则暂态电容电流值很小。 因此， 在过渡过程中， 电容电流的最大值与发生接地故障瞬间故障相电压的瞬时值的大小有关。综上所述， NES系统接地过程具有如下的特点⑴ . 暂态电容电流幅值与接地故障相电压的幅角有关。⑵ . 流过系统各点的暂态零序电流的最大值比流过同一点电容性零序电流稳态值大几倍到几十倍。2、试验验证2001 年元月 10 日，在山西铝厂电网参数测试试验中，我们采用高频示波器对于其电网暂态、稳态电流波形进行了实际测试。测试波形及分析如下a、架空线路回路接地测试数据测得接地回路暂态波形如下分析由图中可以看出，该线路在接地时的电流波形呈余弦波形。 在图中可以看出电流波形的前期震荡幅度较大， 次数较多，随后迅速衰减。原因是架空线路的L 较大、 C 较小、因此故障点的电流具有较快衰减的形式，自由振荡频率平均为172.4Hz。本次试验中其第一峰值电流为860A，交流有效值为 608A；第二峰值电流为 258A，有效值为 182.4A；第三峰值电流为 482A， 有效值为 340.8A。 其中第一峰值持续时间为 3.13ms， 总的振荡时间为 17.8ms。体现了架空线路的接地暂态特征。b、电缆线路回路测试数据测得接地回路暂态波形如下分析 从图中可以看出电缆回路与架空线回路在接地瞬间的电流波形基本类似， 但也有一定区别。 电缆接地电流波形与架空线线回路接地电流波形相比，前期震荡幅度较大，但次数较少， 随后就迅速衰减。 原因是电缆回路 L 很小、 而 C很大， 因此其过渡过程与架空线路相比所经历的时间极短，且具有较大的自由振荡频率，约为 222.2Hz。本次试验中该回路的第一峰值电流为 657.5A， 交流有效值为 465A； 第二峰值电流为 29A， 有效值为 20.5A；第三峰值电流为 196.7A，有效值为 139.1A。其中第一峰值持续时间为 3.6ms，总的振荡时间为 6.9ms。体现了纯电缆线路的接地暂态特征。c、接地回路与非接地回路的对比数据测得两个回路的接地暂态波形如下图 分析 从上图中我们可以看到由于电缆的放电， 非故障回路在接地瞬间也会出现一定幅值的暂态电流， 它的方向与故障回路中的暂态电流方向相反 ，且暂 态强 度 也要小 得多（ 30A）。其电容电流也较残余电流低。综上所述，可以得出以下结论a、接地回路和非接地回路在暂态电流幅值上存在较大差异，其电流幅值具备作为选线判断依据的条件。b、 现有技术手段可以有效测得接地接地回路的暂态电流， 在采样反映灵敏度上，接地暂态电流具有作为选线判据的条件。3、 SD 2B 型小电流接地故障选线装置在上述分析、试验的基础上，根据小电流接地故障的暂态电流特征和选线原理，并在解决了若干关键技术的基础上， 水电分厂于 2003 年研制了 SD 2B型小电流接地故障选线装置，并已经应用在山西企业主 6KV配电室、 80 万吨 4PD和厂用电配电室、水电分厂水泥变和各一、二级配电室。截至目前，该选线装置运行稳定，动作可靠，不受系统和谐波干扰的影响，充分体现了采用暂态电流幅值进行选线的优越性。4、结论小电流接地故障检测的主要困难在于故障电流微弱、 电弧不稳定、 系统情况千差万别， 但系统接地瞬间的电流远大于稳态分量， 因此基于暂态信号的检测方法可靠性、灵敏度均较高。 但对文中所提的选线方法， 暂态信号中只是采用电流信息的幅值来进行选线，不排除其它的利用方式，这需要我们进一步的进行探讨。简介郭晓晖（ 1975-） ，男，山西霍州市人，职称工程师，学历专科，主要研究方向工业企业供电用稿通知和刊物邮递地址 山西省河津市中国铝业股份有限公司山西分公司水电分厂 邮编043300 手机 13363599819