厂站交流系统环网故障分析及应用

杨文芳 肖梓康

广东电网有限责任公司惠州供电局

【摘要】 本文根据不同的环网故障类型建立不同的等效模型，研究厂站交流电源环网故障发生时的特征量。依据分析结果进设计查找装置。通过在运行的交流系统内加载小负载，加载负载方式是规律变化方式进行；使得故障回路产生特征电流，跟踪测试特征电流确认环网故障位置。

【关键词】 环网故障； 加载负载；

1.研究内容

1.1建立站用交流电系统电路模型：研究站用交流电源系统等效参数，如分布电容、电缆电阻、变压器感抗、地网电势差等正常运行参数；以及环网故障时的故障等效参数，如等效负载、短路负载等，并根据需要，建立各种环网故障的简化电路模型，为理论分析和仿真做准备。

1.2研究交流环网故障类型及其等效电路：总结现场出现的环网故障类型，分析各自的影响和检测难度；在等效电路模型下作检测原理分析，并在实际电路中进行验证。

1.3研究解决现场问题的检测手段：根据现场案例，为检测原理确认实验边界条件和测试重点，总结出适用于现场人工判断环网故障的简易方法及其试验步骤，总结出适用于装置检测环网故障的方法。

2.技术原理

根据交流环网故障产生原因和电气回路拓扑结构进行分析，在电路模型中出现的环网故障可分零线环网故障和相线环网故障。

2.1 I、II段电源零线同相环网

零线环网故障点可以等效为连接两段电源零线支路的阻抗ZR0，如下图所示。

图2 零线同相环网

根据回路，ZR0并不会对两段电源的用电负载造成影响，也没有对变压器造成影响，故去除不受影响的部分电路简化系统模型，如下图所示。

图3 零线同相环网简化图

地网两接地点之间也存在阻抗，用R地表示。如上图，I、II段电源的零线由于ZR0的连接与地网形成了闭合回路。

影响分析：

1. 如果系统中只存在零线同相环网，当两个接地点之间的地网电势不相等，将会在图3回路中产生环流，电流大小由I、II段电源接地点之间的电势差和回路总阻抗决定。该地网电势差可能由现场电磁干扰引起，或者是两段电源中性点偏移引起。

由于地网电势差和电磁干扰强度有限，这种单由零线同相环网引起的零线对地环流幅值一般不会太大；但是不排除一些极端条件，使得该环流幅值很大，此时可能触发回路内的其他保护动作，比如中性点偏移保护。由于该环流同时存在于I、II段电源接地线中，这种保护动作将可能使I、II段电源同时掉电，此时ATSE（自动切换电源装置，下同）不能使线路恢复供电。

• 这种情况发生时，系统保护已迅速作出反应。

2. 如果回路的环流很小，对系统保护装置没有影响，那么该环网故障将很难在正常运行时被发现。

• 这种情况系统不作反应，但存在潜在风险，需要进一步分析检测方法。

• 当与其他环网故障基本类型组合时，会使其他环网类型的环流不经过接地线，让部分保护装置没办法发现故障，比如，有些馈线空开具有差流保护，原先环流经过接地线，空开就会动作，如果因为零线环网将环流引到零线上而不经过接地线，那么空开将不会动作，这样就增加环网检测的难度。

2.2 I、II段电源相线同相环网

相线同相环网故障点可以等效为连接两段电源同相相线支路的阻抗ZRx，如下图所示，以A相为例。

图4 相线同相环网

根据回路，ZRx不会对另外两相用电负载造成影响，也不会对变压器另外两相造成影响，故去除不受影响的部分电路简化系统模型，如下图所示。

图5 相线同相环网简化图

地网两接地点之间阻抗用R地表示。

根据设计要求，两套电源除了一点接地外不应有任何电气回路连接。而ZRx连通了I、II段电源的A相，不符合“变低不并联”的设计要求。

影响分析：

1. 如果系统中只存在一组相线同相环网，譬如A相，当两路A相线的电压或相位不完全相等，将会经过接地线在回路中产生环流，电流大小由I、II段同相电源之间的电势差和回路总阻抗决定。

如果产生的环流幅值超过了相线空开负载电流（或者具有差流保护功能的空开，超过了差流阀值），将引起空开动作，由于该环流同时存在于I、II段电源相线中，可能使I、II段电源至少一边的空开掉电，此时ATSE不能使线路恢复供电。

• 这种情况发生时，系统保护已迅速作出反应。

2. 如果回路的环流很小，对系统保护装置没有影响，那么该环网故障将很难在正常运行时被发现。

• 这种情况系统不作反应，但存在潜在风险，需要进一步分析检测方法。

• 当与其他环网故障基本类型组合时，环流不一定经过接地线，会使部分保护装置没办法发现故障，增加环网检测的难度。

根据以上分析设计检测环网故障方法：通过在交流系统各相线对N线加载特征电流负荷，分别在I、II段检测特征电流，判断是否存在环网故障。

3. 产品设计

装置通过在交流系统内加载小负载，加载负载方式是规律变化方式进行；使得故障回路产生特征电流，跟踪测试特征电流确认环网故障位置。利用CBB电容当做负载，用可控硅进行时间间隔投切电容负载，然后利用钳子互感器检测交流系统上的电流变化情况，以此判断两段交流系统的环网情况。设备分为负载控制装置和探测器两部分，设计原理图如图6和图7所示。

图6 负载控制装置原理框图

图7 探测器原理框图

4.现场测试应用

4.1环网故障检测

在某110kV变电站2套交流电源系统进行环网故障查找。

如图8所示，依次在I段交流电源系统的A、B、C三相分别接取检测装置的主机，然后依次在II段电源系统的站用变2的进线端各相用检测装置的手持器和钳子进行检查特征信号。

图8 A相交流环网故障查找示意图

图9.无环网手持器界面	图10.有环网手持器界面

检测结果：

1）手持器显示如图9所示，无特征变化波形

2）判断站内运行交流电源系统无环网故障

4.2查找通过电阻模拟的环网故障

试验接线

如图6所示，利用两段电源系统的备用支路，在A相上用电阻R和空开K进行模拟环网，其中相关测量量为：

1. 两段交流电源系统A相电压差为：1.4V

2. 空开K+导线+电阻R的阻抗为：1.958Ω

③ 环网电流为：0.3A（钳表测量）

图12 模拟电阻性站用变进线查找示意图

交流进线电缆环网电流波形

如图12所示，将主机接入II段交流电源系统，在I段交流电源系统进线测量环网故障特征信号电流。

图13模拟电阻性环网-站用变进线端特征波形

检测结果：

1）手持器显示如图7所示，有特征变化电流波形；

2）判断运行交流电源系统存在A相环网故障。

环网故障支路电流波形

如图14所示，将主机接入II段交流电源系统，在I段交流电源系统环网支路测量环网故障特征信号电流。

图14模拟电阻性环网支路查找示意图

图15模拟电阻性环网-环网支路特征波形

检测结果：

1）手持器显示如图15所示，有特征变化电流波形；

2）通过测量支路环网故障特征电流，可以判断支路是否存在环网故障。

4.3查找通过导线模拟的环网故障

试验接线

如图16所示，利用两段电源系统的备用支路，在A相上用空开K进行直接性模拟环网，其中相关测量量为：

①两段交流电源系统A相电压差为：1.4V

② 空开K+导线：0.358Ω

③ 环网电流为：4.9A（钳表测量）

图 16 模拟直接性站用变进线查找示意图

交流进线电缆环网电流波形

如图16所示，将主机接入II段交流电源系统，在I段交流电源系统进线测量环网故障特征信号电流。

图17模拟直接性环网-站用变进线端特征波形

检测结果：

1）手持器显示如图17所示，有特征变化电流波形；

2）判断运行交流电源系统存在A相环网故障。

非环网故障支路与环网故障支路电流波形对比

如图14所示，将主机接入II段交流电源系统，在I段交流电源系统支路测量环网故障特征信号电流。

分别用手持器小钳子检测环网支路-备用I-1，负载I-1和负载I-2

图18环网支路和非环网支路检测示意图

图19（1）环网支路波形 图19（2）负载I-1支路波形 图19（3）负载I-2支路波形

测量结果：

（1）环网支路有明显特征变化波形；

（2）非环网支路无特征变化波形；

（3）通过测量支路电流波形，可以区分环网故障支路与非环网故障支路。

5.结论

设计的装置，可判断两套交流电源系统是否存在环网故障；当判断两套交流电源系统存在环网故障时，检测有无环网特征信号电流波形，可判断该支路是否存在环网故障；当判断某支路存在环网故障时，沿该支路往负荷侧检测环网特征信号电流波形，当支路由未接信号源的交流电源系统，变为接有信号源的交流电源系统时，可找到环网故障点，从而帮助解除交流环网故障。

参考文献：

1. 梅成林, 马明, 王玲,等. 变电站用低压交流环网故障的危害[J]. 广东电力, 2017, 030(003):64-67.

2. 梅成林, 马明, 王玲,等. 站用交流环网检测方法的研究[J]. 供用电，2018，35（3）：70-74.

[3] Q/CSG-2012, 南方电网公司变电站站用交流电源系统技术规范[S].