石 勇，任百群，王 耀，李宇琦，劉倪宣，姜 磊

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

小電流接地系統(tǒng)接地選線一般使用有功分量法、諧波法、注入信號(hào)法、殘流增量法、中電阻法、暫態(tài)無(wú)功功率法等選線方法[1-4]。以上方法均需使用到線路的零序電流，但是在架空線、GIS開(kāi)關(guān)柜等場(chǎng)合傳統(tǒng)的穿心式零序互感器無(wú)法安裝，只能使用三相電流互感器自產(chǎn)零序電流進(jìn)行選線。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障殘流一般在10 A以?xún)?nèi)，相電流互感器一次額定值在600 A以上，變比太大導(dǎo)致二次側(cè)傳變到選線裝置的零序電流只有毫安級(jí)，小于裝置的靈敏測(cè)量范圍。自產(chǎn)零序電流由于三相變比不一致導(dǎo)致不平衡電流過(guò)大也會(huì)影響選線精度及靈敏度。此外現(xiàn)有常規(guī)零序互感器在現(xiàn)場(chǎng)二次電纜較長(zhǎng)的情況下，由于帶負(fù)載不足導(dǎo)致幅值誤差及角度誤差大于允許范圍，影響選線靈敏度導(dǎo)致高阻接地時(shí)拒動(dòng)。

1 柔性全光纖電流互感器

全光纖電流互感器(fiber optical current transducer,FOCT)[5]是采用光纖作為電流傳感材料的光學(xué)CT。柔性全光纖電流互感器[6]是FOCT發(fā)展的方向，它可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)導(dǎo)體形狀不同繞制成所需形狀的光纖傳感環(huán)，比傳統(tǒng)互感器更靈活，安裝和維護(hù)更加方便，重量更輕，無(wú)絕緣要求。

對(duì)于GIS開(kāi)關(guān)柜體形狀不規(guī)則、架空線三相距離較遠(yuǎn)等場(chǎng)合，將三相電流從常規(guī)零序電流互感器穿過(guò)需要孔徑很大，且形狀特殊。由于鐵芯材料及重量限制無(wú)法制造出適合現(xiàn)場(chǎng)安裝孔徑的常規(guī)互感器，柔性光互感器可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要繞制成各種形狀且重量很輕。將三相導(dǎo)線從零序光互感器的光纖環(huán)中穿過(guò)，全光纖式電流互感器采集單元利用傳感光纖的法拉弟磁光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)三相導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)即零序電流磁場(chǎng)，計(jì)算出被測(cè)零序電流并輸出，具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、諧波特性好等特點(diǎn)。

2 選線系統(tǒng)方案

基于光學(xué)電流互感器的選線系統(tǒng)由接地選線裝置、多個(gè)零序光學(xué)互感器及采集單元組成。每個(gè)間隔配置一臺(tái)零序光學(xué)電流互感器，每套光學(xué)互感器含一個(gè)光纖環(huán)及一臺(tái)采集單元，每個(gè)采集單元配置一個(gè)光路模塊，三相電流都從光纖環(huán)的保偏光纜中穿過(guò)，這樣在光纖環(huán)采集的就是零序電流。采集單元置于柜中，采集保偏光纖中的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊光纖將采集的電流數(shù)據(jù)輸出至接地選線裝置，無(wú)需經(jīng)交換機(jī)中轉(zhuǎn)。選線裝置的電壓由常規(guī)電壓互感器接入。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)部分支路使用傳統(tǒng)電磁式電流互感器、部分支路使用光學(xué)電流互感器的場(chǎng)合，選線裝置支持常規(guī)電流互感器與光學(xué)電流互感器混合采樣。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

3 接地故障檢測(cè)選線對(duì)光學(xué)電流互感器的要求

目前保護(hù)用光學(xué)電流互感器采樣率按數(shù)字化站標(biāo)準(zhǔn)為4000 Hz。單相接地故障的暫態(tài)電流主要為暫態(tài)電容電流，對(duì)于架空線自由振蕩頻率一般為300～1500 Hz，電纜線路的電感遠(yuǎn)小于架空線路，對(duì)地電容卻比架空線大很多倍，因此暫態(tài)過(guò)程振蕩頻率很高，一般為1500～3000 Hz[4]，根據(jù)奈奎斯特定理采樣率fs.max需要大于2倍信號(hào)的最高頻率fmax，即fs.max≥2fmax=6000 Hz采樣率。因此光CT采集單元的采樣率不能低于6000 Hz，所提系統(tǒng)中光學(xué)電流互感器采集單元的采樣率與接地選線裝置采樣率一致，設(shè)置為10 kHz，保證接地故障時(shí)刻暫態(tài)特征數(shù)據(jù)能可靠采集。

為保證采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及可靠性，采集單元數(shù)字信號(hào)光纖與接地選線裝置通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，不經(jīng)過(guò)交換機(jī)，保證各支路零序電流采樣延時(shí)都是固定的。接地選線裝置根據(jù)額定時(shí)延調(diào)整光CT信號(hào)與電磁型零序電流互感器及電壓互感器信號(hào)時(shí)差，保證各信號(hào)時(shí)間的一致性。

保護(hù)用光學(xué)電流互感器的測(cè)量范圍考慮到三相短路等情況，一般為額定電流的30～40倍，達(dá)到上千安培，遠(yuǎn)大于負(fù)荷電流。但小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)零序電流很小，特別是架空線路在經(jīng)高阻單相接地時(shí)，一次側(cè)只有幾安培電流。如果使用常規(guī)保護(hù)用光學(xué)電流互感器在小電流情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，選線裝置用零序互感器一次額定電流宜按照系統(tǒng)電容電流值的2倍選取[7]。因此測(cè)量小電流能力要求比常規(guī)保護(hù)用光學(xué)互感器要求高很多，需要光學(xué)互感器最小能監(jiān)測(cè)的一次電流為0.2 A，最高測(cè)量電流為250 A，滿(mǎn)足如下精度要求：1)0.2～0.5 A，比值誤差≤10%；2)0.5～250 A，比值誤差≤1%。

4 零序光學(xué)互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

光學(xué)電流互感器可采用如圖2所示的AIS支柱式(包括與斷路器集成方式)、套管式、GIS集成式、柔性等方式安裝。

圖2 光學(xué)電流互感器安裝方式

以上方式前兩種適用于相電流互感器的安裝，后兩種適合于零序電流互感器的安裝。柔性安裝方式可在不改動(dòng)原有系統(tǒng)情況下進(jìn)行，避免三相電纜的拆解，減小施工難度和周期。為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)，光CT采用柔性結(jié)構(gòu)，傳感光纖制成光纜型式，支持現(xiàn)場(chǎng)纏繞，因此安裝及維護(hù)時(shí)無(wú)需拆解三相電纜，在傳感光纖外圍以?xún)砂晔綒んw進(jìn)行保護(hù)和固定，如圖3所示殼體可為圓形或跑道型等任意適合安裝的形狀?，F(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4所示，可在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝，也可以在電纜室安裝。因光CT重量很輕，在電纜室安裝時(shí)不會(huì)因?yàn)榛ジ衅骱苤囟鴫簤碾娎|。

圖3 零序光學(xué)電流互感器殼體

圖4 零序光學(xué)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

5 試驗(yàn)及運(yùn)行

為驗(yàn)證柔光學(xué)電流互感器在接地選線應(yīng)用的可行性，對(duì)基于柔性光學(xué)CT的接地選線裝置分別進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)與真型動(dòng)模接地試驗(yàn)驗(yàn)證。

圓形殼體在現(xiàn)場(chǎng)已有大量應(yīng)用，靜態(tài)模擬測(cè)試僅驗(yàn)證跑道型殼體。搭建靜態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，將圖3下面的“跑道型”柔性光學(xué)CT傳感環(huán)繞制在三相電纜外，三相電纜排布方式為分散與集中兩種。分散時(shí)三相電纜間距為20 cm，集中時(shí)三相電纜間距均為5 cm。采用博電測(cè)試儀加入由10 A的正常負(fù)荷電流及不同數(shù)值的零序電流合成的電流，其中正常運(yùn)行負(fù)荷電流相位相差120°，調(diào)整電流中零序分量，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)試驗(yàn)記錄

從測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，不管導(dǎo)體分布方式如何，對(duì)光學(xué)CT測(cè)量精度影響不大，一次電流在0.5 A以下幅值誤差小于等于1%，0.5 A以上幅值誤差小于1%，可以滿(mǎn)足接地選線裝置精度要求。

真型動(dòng)模試驗(yàn)：配電網(wǎng)戶(hù)外真型試驗(yàn)場(chǎng)包括10 kV開(kāi)關(guān)站1座和10 kV試驗(yàn)線路7條，測(cè)試時(shí)用到5條。試驗(yàn)1線、2線采用集中參數(shù)柜模擬真實(shí)線路的分布式參數(shù)，試驗(yàn)3線、4線和5線為實(shí)際電纜線路。試驗(yàn)場(chǎng)配置預(yù)調(diào)式消弧線圈，型號(hào)為XHDCZ-400/10.5，額定容量為400 kVA，電流調(diào)節(jié)范圍為20～66 A，共分為14擋，通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)等差調(diào)節(jié)。母線電容電流為25.2 A，各線路參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 各線路電容電流

在戶(hù)外試驗(yàn)場(chǎng)安裝錄波裝置，在表1所示5條饋線的A、B、C相電纜出線處安裝10/1零序電流互感器。母線處安裝電壓互感器接入錄波裝置。

在消弧線圈自動(dòng)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償方式下，分別進(jìn)行在試驗(yàn)1線A相經(jīng)不同過(guò)渡電阻接地的持續(xù)性電弧接地試驗(yàn)和間歇性電弧接地試驗(yàn)。自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)電容電流為25.2 A，消弧線圈補(bǔ)償電流為27.1 A;欠補(bǔ)償時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電容電流為31.0 A，消弧線圈補(bǔ)償電流為20.0 A;過(guò)補(bǔ)償時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電容電流為25.2 A，消弧線圈補(bǔ)償電流為34.2A。過(guò)渡電阻值分別為250 Ω、500 Ω、1000 Ω、2000 Ω、3000 Ω和4000 Ω。將錄波裝置錄取的接地波形經(jīng)測(cè)試儀回放，將其中電流數(shù)據(jù)放大10倍還原為一次值后接入即將在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的光學(xué)電流互感器，電壓信號(hào)直接接入接地選線裝置的電壓采集插件。選線啟動(dòng)零序電壓設(shè)置為10 V，以上各種接地測(cè)試均能正確選出故障線路。

圖5是消弧線圈過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)經(jīng)4000 Ω過(guò)渡電阻高阻接地時(shí)基于光CT接地選線裝置的波形。從波形中可以看出，單相高阻接地時(shí)零序電流及電壓信號(hào)都很微弱。經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后各支路穩(wěn)態(tài)電流方向一致，幅值基本差不多，僅靠接地瞬間故障線路與非故障線路相位及幅值特征可以判斷出線路1為故障線路。

圖5 過(guò)補(bǔ)償經(jīng)4000 Ω過(guò)渡電阻接地波形

基于光CT的接地選線裝置已在天生橋水電站、魯布革水電站投運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)一年，未發(fā)生拒動(dòng)及誤動(dòng)。

6 結(jié) 論

柔性光CT可以方便地在架空線及GIS等難以安裝常規(guī)零序互感器的場(chǎng)合進(jìn)行安裝，因輸出的為數(shù)字信號(hào)，不會(huì)因二次電纜過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致幅值誤差及角差過(guò)大。

基于光CT的接地選線裝置提高了現(xiàn)場(chǎng)單相接地故障處理效率，降低事故處理時(shí)間，避免接地故障引發(fā)的電纜火災(zāi)導(dǎo)致的重大設(shè)備損失和經(jīng)濟(jì)損失，避免了人身傷害，提高了供電可靠性。