具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置项目可行性分析报告

具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司1 具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置项目可行性分析项目内容本项目拟采用在变电站母线电压互感器开口三角侧注入信号的方法来实现接地电容电流测量和接地选线定位。在系统未发生接地时，根据中性点电压等参数的变化情况，随时或定时地由电压互感器的二次侧向电网注入检测信号，通过计算相关数据，计算出对地电容的大小，进一步对消弧线圈进行调整使其与对地电容处于调谐状态； 针 对目 前 小电流 单 相接地 故障 选线 成功率低 和 自动化 程度不高 的现状， 提 出 了以 注入法 原理 ， 零序 电流 有功功率（ 或 有功分 量 ）增 量法， 基 于 暂 态 零序 电流 极 大 值原理 三 种 选线 判 据 组成 的 综合 选线方 案并利用 模糊理论把 三 种原理结合起 来， 有效 的 克服了各自 的 不足 。在 硬件 方 面 ， 利用 c8051F020 强 大的系统 功能 和接口 能力 ， TMS320VC33强 大的数据处 理能力 ，组成了双 CPU系统。实现 了基 于 模糊理论 的 综合 选线方 案 ， 以友好 的 人机交 互界面 和 组 网 功能 ， 较好 的 满足了配 网 自动 化的 要求 。 当 系统发生接地 后 ， 可利用信号 探 测器对注入信号进行 寻踪 ， 确 定 故障 点的位 置 。项目意义消弧线圈的 自动跟踪补偿技术 ， 又称为 谐 振 接地 技术 ， 是近年 来出现的一项新兴技术 。 它应 用于 6-66kV 供配 电系统中， 利 用电感量 可 调的消弧线圈对系统接地电容电流进行 跟踪补偿 ， 使接地电流的量 值 大大 减 小， 甚至可以减 小 到 零 ，从而 可 使接地点的 绝缘 自 行 恢复 ，接地 故障 次数和 经济损失 的 重 要 手段 ， 它 一具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司2 经 提 出 就受到 了有 关 部门 的 高度 重视 ， 目 前 正 在 积 极 发 展 。 接地选线定位 技术 ，是 在系统出现 不能自动 消 除 的 永久 性 故障 时， 自动 找 出接地的线 路 ， 自动 或 手动 地 找到 接地点的位 置 ， 以 便及 时 修复 和处 理 ， 它 也 是提高供 电 可 靠 性 、 减 少接地 故障 经济损失 的 重 要技术 手段 。目 前 这两 项 技术 均已经 在一定 范围内得到应 用， 但 应 用的 效 果 并不 十 分理 想 ， 跟踪补偿技术 中的 主 要 问题 是 无 法 精 确 地估 算 、 测量出接地电流， 从而难 以 得到 理 想 的 补偿效 果 。选线定位的 主 要 问题是 选线 准 确率不高 、多 数 装 置 尚 不 具备 接地定位 功能 。 因而 进一步对 这两 项 技术 进行 研究 和开发，发 展 新 的检测 原理 和算法， 研制 性 能 优良、准 确度高 、 能够将上述两 项 功能 集 为 一 体 的 综合 型 检测 装 置 ， 将 对 这 项 技术 的发 展 和 完善 起到重 要 的 推 动 作 用， 既 有了 一定的 理论 创 新 ， 又有 很 大的 应 用 价 值 。国内外研究综述由于电网采用谐 振 接地方 式具 有 一系 列独特 的 优 点， 所 以 这 一 技术自 20 世纪 90 年 代 后 期 出现 以 来， 就得到 了 广泛 的 重视 和 较 快 的发 展 ， 已经 有 部 分 产品投放 市专场 。目 前 国 内 外 对 该 项 技术 的 研究 ， 主 要 集 中在消弧线圈的调感方 式方 面 ， 已经 发 展 出 了 抽头 调 节 式、 气隙 调 节 式、 助磁 调 节 式、 并 联 电容调 节 式和 利 用电 力 电 子 技术 调 节 等 几 种 调感方 式 。 而 在电容电流的 跟踪 测量方 式 方 面 ，虽然 有 一 些 研究 ， 提 出 了 节 点方 程 法 、 状态 比 较 法 、 相角 控 制 法 、 零序 方向法 、暂 态 分 量法和 有功分 量法等， 它 们 的 共同 特 点 是 全都直 接 利 用接地 故障 所 引 起的电 气 量的变化来实现接地选线。 但 是 在小电流接地系统中， 特 别 是 采用消弧线圈 跟踪补偿以后 ，系统 单 相接地时 并 没 有 十 分 明显 的 故障 特 征 ， 可 用的信 息量 非常 少 ，用 上述 方法 构 成 的选线 保护 难 以 保证 有较高 的 正 确 选线 率 ， 也无 法具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司3 实现接地点的测 距 、 定位。可 见 ， 跟踪补偿 和接地选线定位 这两 项 技术 虽然 得到广泛 的关注， 不 少科 技 工 作 者 也 为 之 进行 了可 贵 的 研究 和 探 讨 ， 取 得 了 一 些 重 要成 果 ， 但 存 在 很多问题 ， 仍需 要 进一步进行 深 入 研究 。主要内容中压 供 电系统 普遍 采用中性点 不 接地 运 行方 式 ， 当 发生 单 相接地 故障后 ，由于线电压 仍然 对 称 ， 各 相电流与 故障前 相 比 变化 不 大， 零序 电流 较 小， 为 线路 对地的 分 布 电容电流， 故障 特 征微弱 ， 给 故障 检测 带 来 了 很 大 困 难 。与一 般的 配 电系统 不 同 ，在 配 电系统中，发生接地 故障后 系统 可以 带 故障 继续运 行 1到 2 个 小时， 以 此 提高供 电 可 靠 性。 但 在系统中发生 单 相接地 故障后 产 生的电弧或 释 放 的 火花会给煤矿安全 生 产 带 来 极 大的 隐患 ， 必须立即 选出 故障 线 路 并尽 快找到 故障 位 置 ，通过 跳闸切 除 故障 ， 确 保 生 产 和 供 电 安全 。当前供 电线 路 普遍 采用地 下 电 缆 出线，与 输 电线 路 相 比 ，电 缆 线 路 对地 分布 电容 较 大，发生 单 相接地 故障后 产 生的 零序 电流 也 较 大， 为 此 很多 系统 安 装了 消弧线圈， 补偿较 大的 单 相接地 零序 电容电流， 这就 使 得 传 统的 基 于 零序 电流的 单 相接地选线 判 据的 应 用 受到很 大 限 制 ，由于 补偿后 的 零序 电流 较 微弱 ，故障 选线 错误 和 漏 选的 概 率增 大。对于 传 统的选线 装 置 而 言 ， 只 能 在变电站处选出 故障 出线， 无 法 判 断 出接地 故障 点 具体 位于 哪 段 线 路上 ， 这 样 的选线 结 果无 法 满足 现 场 快 速 、 有 选 择 的 隔离 故障 的 要求 。本项目拟采用在变电站母线电压互感器开口三角侧注入信号的方法来实现接地电容电流测量和接地选线定位。在系统未发生接地时，根据中性点电压等具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司4 参数的变化情况，随时或定时地由电压互感器的二次侧向电网注入检测信号，通过计算相关数据，计算出对地电容的大小，进一步对消弧线圈进行调整使其与对地电容处于调谐状态； 并 开 展 基 于信号注入的 单 相接地 故障 选线与定位方案 研究 。 供 电线 路 发生 单 相接地 故障 时， 不 再 单 独 采用系统 自 身 产 生的 基 波 零序 电流进行选线， 而 是 另辟蹊径 ， 将 外 部 一 个 特 殊频 率 的信号注入 到 系统中，根据注入信号在系统中的 分 布 和流 动 情况进行选线 、 定位。 该 方 案 具 有 选线 准确率高 、 选线 速 度 快、 可 对 故障 区 段 进行定位 、 不 受 是 否 接入消弧线圈 影响 等优 点， 无 需 对 多 处电 气 量进行 集 中 比 较 ， 各 保护 单 元 可以分 散 判 断 ， 非常 适 合完 成供 电系统 单 相接地 故障 的选线和 故障 隔离任务 。为 此 ，本项目 需 要 进行 如 下 方 面 的 研究 （ 1） 建 立 中压 配 电系统的 分 析 模 型 ，通过 理论分 析 、 仿真 计算和 模 拟 试验 ， 探讨 新 的检测 原理 ， 建 立 相 应 的数 学 模 型 ， 推 导 具体 的实 施 算法；（ 2） 按照 检测 原理 的 需 要 ， 利 用现 代 化的 技术 手段 ， 设 计 制作 出 指标先 进 、 性能 优良、 功能 齐 全 、集 跟踪补偿 控 制 和接地选线定位于一 体 的检测 装 置 样 机 ；（ 3） 对 样 机 进行 模 拟 试验 、 性 能 测 试 和现 场 试验 ，对出现的 问题 进行 改 进，进一步 做 出 正式 样 机 ；（ 4） 投 入实 际 电 力 系统 运 行。主要创新点本项目 主 要有以 下几个 方 面 的 创 新 （ 1） 提 出 将 跟踪补偿 控 制 和接地选线定位一 体 化的 设 计 思 路 ， 将 原 来 两 套 装 置才 能 完 成 的 功能 由一 套 装 置 来 完 成 ， 从而 可以 简 化变电站的二次 设 计， 减 少 占具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司5 地 面 积 和 设 备投 资 ；（ 2） 首 次 提 出通过对 人为 注入的信号进行检测 、 计算来实现 跟踪补偿 控 制 和接地选线的 原理 和方法， 原理 先 进 、 实现方 便、 检测 精 度高 、 性 能不 受 系统 运 行状况的 影响 ；（ 3） 特 殊 信号 从 电压互感器的二次开口三角处注入， 无 需 增 加 专 用的 辅 助 设 备 ，对现 有 一二次电 气 设 备 的 运 行 也 不 会 产 生 影响 ；（ 4） 检测 装 置 采用 当前较为 先 进的 技术 手段 来实现， 具 有 比 较 完善 的 自 检 手段 ，自 身 工 作 的 可 靠 性 较高 。主要方法和技术路线本项目的 研究 工 作 包括 理论 研究、 装 置 试 制 和 试验 测 试 等 几个 部 分 。 对其进行定性的 论分 析 和定量的 仿真 计算， 找 出其 基 本 特 点，计算出 基 本的参数， 从而 进一步 研究 探 讨 基 于信号注入的 跟踪补偿 控 制及 接地选线定位的 新原理 、 新模 型 和 新 算法。 在 装 置 研制 方 面 ， 主 要 采用 当前较为 流行的 、 成 熟 的 技术 手段 ，尽 量采用 典 型、 规 范 的 设 计方法，根据检测的 原理 设 计出检测 装 置 的 硬件 电 路和 软 件程序 ， 软 硬件 设 计 均 采用 模 块 化 结 构 ， 便 于 修复 和 维 护 ， 有利 于 产品 的更 新 换 代 。 按照 电 力 产品 的 要求 ， 软 硬件 设 计中 要 充 分 考虑 装 置自 身 的 可 靠 性问题 ， 要 尽 量 做 到 安 装 接线方 便、 运 行 操 作 简 单 、 人机界面友好 、 外 观 整 洁美观 。 装 置 的 试验 测 试包括静 态测 试 、 动 态 模 拟测 试 和现 场 模 拟测 试 等， 要 按照有 关 技术 规 程 进行 全 面 测 试 ，发现 问题及 时处 理 。具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司6 主要经济、技术指标经济 指标中压 配 电网 络 采用 自动跟踪补偿技术以后 ， 可 使大 多 数的 瞬 时性接地故障自动 消 除 ， 从而 使接地 故障 的次数大 为减 少 （ 瞬 时性 故障 占 故障 总 数的 80以 上 ） ， 接地 故障 造 成 的 经济损失 大 幅 度 降 低 ， 采用 自动 选线和定位 技术后 ， 可使 永久 性接地 故障 的处 理 速 度 大大 加 快 ， 故障 停 电时 间缩短 ， 也 可较 大 幅 度 地降 低故障 损失 。中等 规 模 的 供 电 企业 采用 该 两 项 技术以后 ， 每 年可减 少 接地 损失 达 数 百万元 。技术 指标电容电流测量 误 差 小于 2； 补偿 残余 电流小于 2A；选线 正 确率 100；定位 误 差 小于 10 米 ；电 源 功 耗 小于 200W；电 源 电压 范围 180V-240V。已完成的工作和现有基础条件理论 研究 工 作已经完 成 ， 通过定性 分 析 和定量计算， 对中压 配 电系统接地电流的性 质 、特 点和参数变化情况 有了 比 较 清 晰 的 认识 ；对 基 于信号注入方 式 的跟踪补偿 控 制 和接地选线定位 原理 进行 了分 析 论 证 和 模 拟 试验 ， 初 步 证明 了 其正 确 性和 有效 性；对信号注入 、 检测方 式 以 及 信号的 波 形 、 强度 、 频 率 等进行了 筛 选和 确 定；对 装 置 的 样 机 进行 了 进一步的 设 计。本项目 组 主 要技术人 员 在电 力 系统 继 电 保护 和 自动 监 控 领域 从 事 科 研 开发工 作多 年 ， 曾 参与和 主 持 多 项 纵横 向 科 技 项目的 研究 与开发， 均 较好 地 完 成了任务 ， 多 次 获 得 国 家级 和 省 部 级 科 技 奖励 。 特 别 是 曾获 得 国 家 发 明 四 等 奖 ， 被国 家 科 技 部、 劳 动人 事 保 障 部 等 多 个 部门 评 为 国 家级 科 技新 产品 ， 列 入 全国 重具有自动消弧功能的小电流接地系统智能综合选线与定位保护装置 济南奥诺数控设备有限公司7 点 科 技 推广 计 划 的 “ TY系 列 接地选线定位 保护 ” 的 研制经 验 和 思 想 方法， 非常值 得 本项目 借鉴 ， 是 做 好 本项目的 研究 工 作 的 重 要基 础 。市场需求及产业化前景如 上所述 ， 跟踪补偿 和接地选线定位 都 是减 少 接地 故障 损失、 提高 系统 供 电可 靠 性的 重 要技术 措 施 ，消弧线圈 跟踪补偿 与接地选线定位一 体 化 装 置是 电 力部门 和大中 型 工矿 企业 急 需 的 新技术 产品 。 目 前 虽 有 一 些 类似 的 产品投放 市场 ，但 由于 都 不 同 程度 的 存 在 这 样 或 那 样 的 问题 ， 因而 没 有 在 较 大 范围内推广 应 用，市场 占 有 份额 不足 20， 所 以 该 技术 仍 有 很 大的 市场 空 间 ， 每 个 地方 尚 有近 百套 的 需 求 量， 加 上 一 些 大中 型 企业 ， 全 省 有近 两 千 套 的 需 求 量， 全国需 求 量 将达 到 数 万套 ， 按 十 年 内 市场 占 有率 10计算， 每 年可 创产 值 一 千 多 万 。 市场需求 量 是 非常 巨 大的， 前 景 良 好 。