張起殿

(中鐵第一勘察設計院 電氣化處 地鐵所,陜西西安710043)

鐵路10 kV配電系統(tǒng)屬中性點不接地系統(tǒng),由10 kV配電所和自閉、貫通電力線路組成,其中自閉、貫通電力線路通過配電所內(nèi)的調(diào)壓隔離變壓器與地方供電系統(tǒng)隔離。當自閉、貫通線路發(fā)生單相接地故障后,配電所內(nèi)發(fā)出接地報警信號,在安裝了小電流選線裝置的配電所可區(qū)分接地線路,但無法準確定位接地故障點。當線路發(fā)生單相接地故障后,接地點容性電流較小,線間電壓不變,不會影響向負荷供電,運行規(guī)程規(guī)定可繼續(xù)運行2 h。但是在此期間非故障相電壓會升高 3倍,間隙性單相接地故障引起的暫態(tài)過電壓有可能達3.5倍,長時間帶故障運行會使設備絕緣受損,嚴重危及整個線路及線路上所有運行設備的安全和人身安全,影響鐵路運輸。因此,接地故障的標定,對鐵路運輸安全至關重要。

1 10 kV不接地系統(tǒng)單相接地故障理論分析

為了能對單相接地故障更好地分析和判斷,我們對小電流系統(tǒng)的單相接地故障后的電壓、電流情況進行理論分析。

1.1 電壓計算

中性點不接地系統(tǒng)中,如果不考慮線路的分布電容(例如線路很短時)及電氣設備對地電容,則在發(fā)生單相接地后,僅引起系統(tǒng)各點對地電位的變化,對線路電流沒有影響。當考慮線路電容作用存在時,才產(chǎn)生很小的電容電流變化,此電流在電力線路及所帶設備上產(chǎn)生的阻抗壓降一般很小,因此不影響系統(tǒng)各點對地電位的變化。圖1為鐵路10kV配電系統(tǒng)具有2路饋出的簡化系統(tǒng),A相D點金屬性接地,接地點=0,則中性點電位。根據(jù)中性點電位可計算非故障相電壓為(以 èA為參考向量):

即B、C相電壓均升高為相電壓的 3倍。

圖1 簡化系統(tǒng)接線中A相接地

故障點各相序電壓為:

上面計算表明,中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地后,系統(tǒng)中無負序電壓,其零序電壓即為單相接地后,電源中性點與大地間的電壓,其矢量關系見圖2。10 kV變壓器(負載)的一次電壓全部取自線電壓,由于各線電壓的相位和幅值保持不變,故變壓器二次側的電壓相位和幅值也不會改變,故不會影響用戶的正常用電。

圖2 單相接地電壓相量圖

1.2 電流計算

鑒于線路分布電容(圖中以集中電容表示)所構成的容抗(10 kV架空線路每公里約400 kΩ)遠大于線路阻抗(10 kV架空線路每公里約26 Ω)。故計算中可忽略線路阻抗;鑒于線路架設方式考慮了換位(以保證正常運行中三相電壓平衡),三相對地電容近似相等,即CA=CB=CC=C,故各線路電容電流為:

線路XL1

線路XL2

因 ùdA=0(故障相電壓為零),故A相集中電容C1、C2中無電流。對于D點有如下關系:

式中CΣ為所計算電壓級全部線路每相對地總電容。從以上計算可知故障相流過的電容電流為所有非故障相電容電流之和并且滯后零序電壓90°。

2 現(xiàn)有接地檢測技術比較

常用的單相接地檢測技術有零序功率方向原理、諧波電流方向原理、電抗法原理、首半波原理等,由于這些檢測方法受線路參數(shù)影響較大,都無法準確定位接地故障點。

零序功率方向原理在實際應用中,受零序電流互感器(或三相電流互感器構成零序電流過濾器)二次側波形畸變、電流互感器測量誤差、信號干擾、線路長短差別、接地電阻的影響以及電壓互感器的非線性特性等影響,零序方向繼電器存在死區(qū),造成發(fā)生誤判;并且只能判斷出接地線路,不能標定出故障點。

諧波電流方向原理的產(chǎn)品受電流互感器變比、特性及精度影響較大,并且只能判斷出接地線路,不能標定出故障點。電抗法原理對輸入的線路參數(shù)依賴性強,若輸入?yún)?shù)不準確,則造成誤判斷。

按首半波原理生產(chǎn)的接地選線裝置是不能反映相電壓較低時的接地故障,易受系統(tǒng)運行方式和接地電阻影響,存在工作死區(qū)。并且只能判斷出接地線路,不能標定出故障點。

3 基于特殊信號注入原理的接地定位系統(tǒng)原理與組成

從以上分析可以看出,發(fā)生單相接地故障后,系統(tǒng)的特征為:

(1)故障相接地點至電源間的電容電流為所有非故障相電容電流之和,但無論該電流量值及測試方法均不能利用這一特征實現(xiàn)故障點定位。

(2)系統(tǒng)的零序電壓為故障相的相電壓,這一特征同樣不能實現(xiàn)故障點定位;如果此時將電源中性點人為接地,由于前述零序電壓的存在,將在故障相接地點至電源間形成滿足測試要求的零序電流,但實際運行中不允許采用這種方法。

特殊信號注入原理就是在單相接地故障后形成的零序回路內(nèi),按規(guī)定時間間隔注入不同于工頻的特殊電流信號,其包絡線為一脈沖群,根據(jù)接地點不斷變化的接地電阻值,自動調(diào)整特殊電流的幅值,在特殊電流值滿足測試要求的同時,仍保持電源中性點與大地間的高阻狀態(tài)。

基于特殊信號注入原理的接地定位系統(tǒng),是一種采用信號尋蹤的檢測方法。當線路發(fā)生單相接地故障時,通過控制接地電流的變化,形成特殊信號向線路耦合,這一信號沿故障線路、接地點、大地、調(diào)壓變壓器中性點構成回路,只能被安裝在線路上的檢測裝置識別,用以判斷故障線路并標定故障點。這種方法不受線路參數(shù)和運行條件的影響,因是有功信號其抗干擾能力強。采用信號尋蹤的方法,可以較準確地標定出故障位置,是目前單相接地故障探測方法的發(fā)展趨勢。利用電力遠動系統(tǒng)通道和平臺,通過編寫自動判斷程序可以自動將接地故障區(qū)段標定出來。

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由4部分組成:中性點信號注入裝置、單相接地故障指示器、FTU(Feeder Termital Unit饋線終端單元)及通信線路、調(diào)度主站自動判斷軟件。

3.1.1 中性點信號注入裝置

中性點信號注入裝置安裝于配電所自閉調(diào)壓變壓器室內(nèi),接于調(diào)壓變壓器中性點處,通過控制真空接觸器分、合,使中性點經(jīng)過電阻短時接地,將一組特殊信號耦合到線路上,并由故障線路和故障點形成通路,作為區(qū)分故障區(qū)段與非故障區(qū)段的信號。

3.1.2 單相接地故障指示器

單相接地故障指示器分為信號傳輸型和非信號傳輸型兩種。信號傳輸型單相接地故障指示器安裝于高壓遠動負荷開關的引線上,通過光纖與遠程控制終端FTU相聯(lián),非信號傳輸型接地故障指示器在區(qū)間每隔一公里安裝一處,與信號傳輸型故障指示器配合使用,實現(xiàn)接地故障點的標定。

3.1.3 FT U及通信線路

傳輸型接地故障指示器安裝于高壓遠動負荷開關處,它的接點信號與其他開關的狀態(tài)量一樣,通過FT U的遙信端子和傳輸通道,傳給調(diào)度主站。

3.1.4 調(diào)度主站自動判斷軟件

由于調(diào)度主站系統(tǒng)與各 RT U(Remote Termital Unit遠動終端單元)及FTU采用的是點對點的通信方式,101規(guī)約規(guī)定遙信數(shù)據(jù)為一級數(shù)據(jù),優(yōu)先傳送,因此,在各RTU及FT U處產(chǎn)生的變位等遙信數(shù)據(jù)將立即傳至調(diào)度主站,只有通道傳輸?shù)难訒r時間。調(diào)度主站接到各FTU上傳的接地信號后,啟動主站判斷及自動隔離軟件,判斷出接地故障的區(qū)段,并彈出提示信息,提示調(diào)度值班員接地故障區(qū)段,值班員按接地故障處理程序執(zhí)行。接地點自動判斷軟件由C++語言編寫。

3.2 特殊信號注入原理(圖3)

3.2.1 基本原理

當圖3所示位置發(fā)生接地故障時,甲配電所接地信號源向線路發(fā)出特殊信號,這一特殊信號由中性點瞬時接地形成,沿故障線路由接地故障點流回系統(tǒng),則在這一回路上裝設的接地信號指示器發(fā)出信號,即A站、B站、C站的接地故障指示器發(fā)出信號,這些信號及其發(fā)生的時間通過FT U和遠動通道傳送到調(diào)度中心,調(diào)度中心根據(jù)這一供電臂接地故障指示器上傳的信號和時標及兩甲、乙配電所的開關位置,判斷故障區(qū)段為沿供電方向最后一個上傳信號的故障指示器(C站)和第一個沒有上傳信號的故障指示器(D站)之間。最后在調(diào)度CRT畫面上給出接地故障的提示信息。

圖3 接地故障點標定原理圖

當判斷出故障區(qū)間后,我們還可以利用安裝在區(qū)間的沒有傳輸功能的接地故障指示器的翻牌情況將故障點確定在1 km的范圍內(nèi)。

3.2.2 特殊信號

中性點信號注入裝置由單極真空接觸器、邏輯控制部分、限流電阻組成。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后,由母線電壓互感器開口三角形零序電壓啟動信號源,由邏輯控制部分控制真空接觸器分合,形成中性點對地的瞬時短路,產(chǎn)生特殊信號。

對中性點信號源所發(fā)信號的類型進行特殊設計,首先應短時投入,其次這一信號應不同于正常的負荷電流,并與負荷變化能明顯區(qū)分。綜合各種因素,將信號源的信號類型設計為如圖4形式:這一組特殊電流矩形包絡線有其特殊性,第一個脈寬350 ms,間隔650 ms,第二個脈寬250 ms,間隔1 000 ms?？梢钥闯鲞@一信號與正常負荷電流有明顯區(qū)別,任何干擾源都不易產(chǎn)生類似波形。

圖4 信號源的信號類型

當線路發(fā)生單相接地故障時,故障相流過所有非故障相的零序電流和正常負荷電流,當信號源內(nèi)的單極真空接觸器瞬時閉合時,故障相流過的電流除各非故障相的電容電流和正常負荷電流外,還有零序電壓在變壓器中性點、變壓器故障相、線路故障相、接地點、大地、限流電阻、變壓器中性點構成的單相短路電流,這一電流的大小由零序電壓的大小和回路的電阻決定。流過線路故障相電流互感器的電流由正常的負荷電流、所有非故障相電容電流、單相短路電流3個電流矢量疊加而成。這一電流不應超過饋出柜斷路器的保護整定值,或這一電流的持續(xù)時間小于保護的啟動時間,不能因為檢測接地故障,而造成斷路器保護跳閘,影響供電的可靠性。因此,對串入電阻進行了選擇,并調(diào)整了自閉饋出柜的保護定值,使各種情況下僅產(chǎn)生有效值約為5 A的特殊測試電流,確保不致引起保護動作。

3.2.3 有效接收可靠判斷

接地故障指示器安裝于運行線路上,為了提高抗干擾強度,接收裝置即故障指示器只有連續(xù)檢測到中性點注入裝置所發(fā)信號中的4個矩形波信號后,才確定接收到了中性點信號注入裝置所發(fā)的信號。在調(diào)度自動判斷接地故障程序的啟動條件中加入配電所中性點信號注入裝置動作信號。這種方法不受線路參數(shù)、負荷情況、運行狀態(tài)影響,并且判斷故障范圍清楚直觀、準確有效,利于現(xiàn)場巡視人員快速處理故障。

4 結束語

中性點非有效性接地的供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,由于接地點的類型不確定,存在接地電弧,查找起來相當困難。而鐵路自閉、貫通線路的供電臂較長,運行環(huán)境差,不僅發(fā)生單相接地故障的幾率高,而且查找和排除故障困難,使得人員出動多、故障處理時間長,嚴重影響了鐵路的正常運營和行車安全。利用基于特殊信號注入原理的接地故障定位系統(tǒng),將大大降低單相接地故障的查找時間及所耗費用,有效地確保了行車信號供電的可靠性,具有極高的安全效益和經(jīng)濟效益。

高速客運專線10 kV供電,目前較多采用中性點直接接地的單芯電纜供電方式,發(fā)生單相接地故障時,10 kV系統(tǒng)退出運行,基于特殊信號注入原理的接地故障定位系統(tǒng)應用于該供電方式,中性點信號注入裝置將更加簡化,僅需要考慮電纜外皮中的電流對接地故障指示器的測試影響。

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