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摘要：电力系统小接地电流长时间带单相接地点运行给供电安全带来了隐患，本文通过对这种现象进行深入细致的研究，提出了采用接地转移的灭弧方法进行接地保护的方法。这种小电流接地系统消弧、过压、感电保护装置为人身感电事故实现有效保护，还可以对供电设备起到保护作用。
关键词：小电流灭弧保护
中图分类号：S477+.3 文献标识码：A 文章编号：
Research and improvement on device of power system
single-phase grounding protection
Yinxianglei
（Kailuan Linnancang Mining Company in Hebei Tangshan 064106）
Abstract: power system small grounding current long time with single-phase grounding operation brings hidden trouble to the safety of power supply, this paper conducts the thorough careful research to this phenomenon, the grounding transfer arc methods grounding protection. This kind of small current grounding system, over-voltage, electric arc protection device for personal electric shock accidents to achieve effective protection, but also can protect the power supply equipment.
Keywords: low current arc protection
1背景
目前，电力系统的中性点运行方式有两大类型，一为直接接地的大接地电流系统，另外一种为不接地或经消弧线圈接地或经电阻接地的小接地电流系统。
以上两种系统由于接地方式不同，運行特征也随之不同：前者在系统发生单相接地时，会产生很大的短路电流，而不允许单相故障点在系统中长期运行；后者在系统发生单相接地时，产生的接地电流不是很大，为系统的对地电容电流，同时系统线电压保持对称性，不影响用户的正常用电，所以允许单相接地点在系统中长时间运行，可减少系统停电次数，提高了供电可靠性。
但是由于小接地电流系统缺乏对单相接地故障的保护能力，系统的运行性能存在许多不足之处，如系统熄灭接地电弧能力低；受消弧线圈全补偿谐振过电压的限制，接地点仍有残流，并使接地电弧依然存在；发生人身单相感电时人员不能快速脱离电源，对地电容电流的长时间作用下，会引发人身伤害事故；如果接地是间歇性的，会引发系统过电压，发生烧毁电气设备的事故；GIS组合电器内部发生单相接地时，如果发现不及时，电弧在内部长时间燃烧，箱体会产生很大压力，其后果非常可怕；中性点经电阻接地的系统，在系统发生单相接地时，使线路的跳闸次数大大增加，使供电的可靠性下降；故障点的查寻比较困难，故障排除不能及时准确的查找到故障点。
为了解决小接地电流系统存在的以上难点问题，进一步提高系统安全运行的水平，特别是扼制人身感电伤害，同时考虑又不影响小接地电流系统的运行特性，需要一种小接地电流系统消弧、过压、感电保护装置。
2 总体方案
通过研究改变系统接地方式，由以往消弧线圈补偿电流消弧法变为转移电流消弧法为出发点，采用强迫故障相与大地等电位技术解决对人身感电无保护问题；采用稳态接地技术解决间歇性接地过电压无保护问题；采用零序电压与线电压模角比较技术解决了接地选相问题；采用零序电流特征方程方法解决接地选线精度问题；采用电抗式变压器信号注入技术解决了在对故障相实行有效保护情况下，对故障点无法定位的问题；采用对故障相高频接地阻抗测量技术，解决故障消失装置自动复归的问题。为电力系统创出了一种全新小电流接地系统消弧、过压、感电保护装置
3 系统组成
按照上述确定的总体思路，如图1所示，它由单相接地保护控制单元、单相真空断路器、电抗式变压器、高频信号电源、手持巡视器、零序电流互感器等组成。
接地保护控制单元实时采集变电所母线相、线电压、零序电压，根据零序电压与线电压的模角变化判断系统有无单相接地故障以及接地相别，当发生单相接地故障时，控制相应相别断路器（K1、K2、K3）在50ms内快速合闸，在相应相别断路器合闸后，强迫故障相对地等电位，实现人身感电保护，实现熄灭接地电弧，同时对人身感电提供有效保护，避免人身伤害事故发生。当接地性质为间歇性接地时，本装置可将不稳态接地转变为稳态金属接地，避免间歇性过电压的产生。
接地保护选线单元在单相真空断路器动作前后进行录波，根据各线路零序电流在单相真空断路器合闸前后的变化，采用接地转移特征方程，确定接地故障线路。单相真空断路器合闸后，启动高频信号电源，通过与信号电源相连的电抗式变压器主二次线圈W3向系统注入特殊频率高频电压，产生高频接地电流，单相接地保护控制单元采集电抗式变压器副二次线圈W2反馈的电压与电流信号，分离出其中注入的特殊频率高频信号，计算系统接地阻抗变化，如接地阻抗恢复至系统正常状态，判别接地故障消失，单相接地保护控制单元控制单相真空断路器（K1、K2、K3）分闸，实现单相接地故障自动复归。
如接地故障长时间未能恢复，操作者持手持式巡视器沿接地选线单元选择的故障回路进行巡视，查找故障点，手持巡视器显示接收信号由强变弱时，即为故障点，完成单相接地故障定位。
①接地保护控制单元 ②单相真空断路器 ③电抗式变压器 ④电流互感器
⑤零序电流互感器⑥地网 ⑦系统接地阻抗⑧手持巡视器
图1系统原理图
3.1 接地保护控制单元
接地选相单元实时监测变电所运行工况，采集计算零序电压、母线电压。根据计算值进行判断是否有单相接地故障。如果满足接地故障条件开出相应相别单相真空开关合闸指令，并进行录波。另外接地保护装置对PT断线、铁磁谐振、系统一相或两相断线等非接地故障具有闭锁功能。
#1、#2主变二次开关及母联开关位置
图2功能框图
3.2 单相永磁真空断路器
接地保护成套装置要求开关具有单相操作以及快速动作能力，为此我们选用德国特瑞德公司生产的单相永磁真空断路器。该开关为10kV单相真空开关，工作电压为交流220V，也可采用直流工作电源。当系统发生单相接地故障时，由小接地电流系统接地保护装置开出合闸信号，由驱动闭锁单元使真空开关合闸。
3.3 驱动闭锁单元
驱动闭锁单元为真空开关驱动部件，同时采用硬件相互闭锁设计，保证任何两相不能同时合闸。
图3驱动闭锁原理图
3.4 变压器式电抗器
变压器式电抗，由三个线圈组成。系统原理图中所示W1为一次线圈，一次线圈一端与单相真空断路器连接，另一端与地网相连；W2为电抗式变压器副二次线圈，与单相接地保护控制单元连接，用于信号测量；W3为电抗式变压器主二次线圈，通过单相开关K4与高频信号电源连接，用于耦合高频信号。
3.5 信号发生器
系统原理图中4为高频信号电源，通过单相开关K4与电抗式变压器二次线圈W3连接，根据单相接地控制单元指令，向系统注入特殊频率信号，用于故障定位以及故障自动复归。
4 技术特点
4.1具有良好熄灭接地电弧的功能与消弧线圈相比，该装置可以完全熄灭接地故障电弧，又能减少接地故障电弧引发相间故障的几率，提高了供电的可靠性。
4.2对人身感电有良好的保护功能，本系统的保护动作时间小于50毫秒，而低压了漏电保安器的动作时间为100毫秒。
4.3具有对间歇性接地过电压的保护功能。本装置可把它变成一种稳态接地，不再产生接地、消失、再接地的变化，从而遏制间歇性接地和过电压的产生。
4.4 准确、快速判断接地故障相别、选择接地回路
4.5 可实现单向接地故障保护自动复归。
五、结论
该装置实现了准确选择接地相别，对单相接地实现无流、无弧、无跨步电压保护，同时能准确地将故障线路选出，对接地回路的信号检测，为一线工作人员准确查找定位故障点提供有力帮助。
电力系统的中性点接地方式是一个综合技术技术问题，它与系统的可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰（电磁环境）及接地装置等问题有着密切关系。该方式下运行,对造成的人身感电实现有效保护，还可以对供电设备起到保护作用，并能提高供电可靠性，减少事故发生率，并有投资少原理简单等优点，对保证电力企业安全生产、可靠供电及社会群众的生命安全有着重要意义。
作者简介：尹向磊，男，30岁（1983.10.7-），河北石家庄人，毕业于中国矿业大学，现任开滦（集团）林南仓矿业分公司机电管理， 工程师
关键词：小电流灭弧保护
中图分类号：S477+.3 文献标识码：A 文章编号：
Research and improvement on device of power system
single-phase grounding protection
Yinxianglei
（Kailuan Linnancang Mining Company in Hebei Tangshan 064106）
Abstract: power system small grounding current long time with single-phase grounding operation brings hidden trouble to the safety of power supply, this paper conducts the thorough careful research to this phenomenon, the grounding transfer arc methods grounding protection. This kind of small current grounding system, over-voltage, electric arc protection device for personal electric shock accidents to achieve effective protection, but also can protect the power supply equipment.
Keywords: low current arc protection
1背景
目前，电力系统的中性点运行方式有两大类型，一为直接接地的大接地电流系统，另外一种为不接地或经消弧线圈接地或经电阻接地的小接地电流系统。
以上两种系统由于接地方式不同，運行特征也随之不同：前者在系统发生单相接地时，会产生很大的短路电流，而不允许单相故障点在系统中长期运行；后者在系统发生单相接地时，产生的接地电流不是很大，为系统的对地电容电流，同时系统线电压保持对称性，不影响用户的正常用电，所以允许单相接地点在系统中长时间运行，可减少系统停电次数，提高了供电可靠性。
但是由于小接地电流系统缺乏对单相接地故障的保护能力，系统的运行性能存在许多不足之处，如系统熄灭接地电弧能力低；受消弧线圈全补偿谐振过电压的限制，接地点仍有残流，并使接地电弧依然存在；发生人身单相感电时人员不能快速脱离电源，对地电容电流的长时间作用下，会引发人身伤害事故；如果接地是间歇性的，会引发系统过电压，发生烧毁电气设备的事故；GIS组合电器内部发生单相接地时，如果发现不及时，电弧在内部长时间燃烧，箱体会产生很大压力，其后果非常可怕；中性点经电阻接地的系统，在系统发生单相接地时，使线路的跳闸次数大大增加，使供电的可靠性下降；故障点的查寻比较困难，故障排除不能及时准确的查找到故障点。
为了解决小接地电流系统存在的以上难点问题，进一步提高系统安全运行的水平，特别是扼制人身感电伤害，同时考虑又不影响小接地电流系统的运行特性，需要一种小接地电流系统消弧、过压、感电保护装置。
2 总体方案
通过研究改变系统接地方式，由以往消弧线圈补偿电流消弧法变为转移电流消弧法为出发点，采用强迫故障相与大地等电位技术解决对人身感电无保护问题；采用稳态接地技术解决间歇性接地过电压无保护问题；采用零序电压与线电压模角比较技术解决了接地选相问题；采用零序电流特征方程方法解决接地选线精度问题；采用电抗式变压器信号注入技术解决了在对故障相实行有效保护情况下，对故障点无法定位的问题；采用对故障相高频接地阻抗测量技术，解决故障消失装置自动复归的问题。为电力系统创出了一种全新小电流接地系统消弧、过压、感电保护装置
3 系统组成
按照上述确定的总体思路，如图1所示，它由单相接地保护控制单元、单相真空断路器、电抗式变压器、高频信号电源、手持巡视器、零序电流互感器等组成。
接地保护控制单元实时采集变电所母线相、线电压、零序电压，根据零序电压与线电压的模角变化判断系统有无单相接地故障以及接地相别，当发生单相接地故障时，控制相应相别断路器（K1、K2、K3）在50ms内快速合闸，在相应相别断路器合闸后，强迫故障相对地等电位，实现人身感电保护，实现熄灭接地电弧，同时对人身感电提供有效保护，避免人身伤害事故发生。当接地性质为间歇性接地时，本装置可将不稳态接地转变为稳态金属接地，避免间歇性过电压的产生。
接地保护选线单元在单相真空断路器动作前后进行录波，根据各线路零序电流在单相真空断路器合闸前后的变化，采用接地转移特征方程，确定接地故障线路。单相真空断路器合闸后，启动高频信号电源，通过与信号电源相连的电抗式变压器主二次线圈W3向系统注入特殊频率高频电压，产生高频接地电流，单相接地保护控制单元采集电抗式变压器副二次线圈W2反馈的电压与电流信号，分离出其中注入的特殊频率高频信号，计算系统接地阻抗变化，如接地阻抗恢复至系统正常状态，判别接地故障消失，单相接地保护控制单元控制单相真空断路器（K1、K2、K3）分闸，实现单相接地故障自动复归。
如接地故障长时间未能恢复，操作者持手持式巡视器沿接地选线单元选择的故障回路进行巡视，查找故障点，手持巡视器显示接收信号由强变弱时，即为故障点，完成单相接地故障定位。
①接地保护控制单元 ②单相真空断路器 ③电抗式变压器 ④电流互感器
⑤零序电流互感器⑥地网 ⑦系统接地阻抗⑧手持巡视器
图1系统原理图
3.1 接地保护控制单元
接地选相单元实时监测变电所运行工况，采集计算零序电压、母线电压。根据计算值进行判断是否有单相接地故障。如果满足接地故障条件开出相应相别单相真空开关合闸指令，并进行录波。另外接地保护装置对PT断线、铁磁谐振、系统一相或两相断线等非接地故障具有闭锁功能。
#1、#2主变二次开关及母联开关位置
图2功能框图
3.2 单相永磁真空断路器
接地保护成套装置要求开关具有单相操作以及快速动作能力，为此我们选用德国特瑞德公司生产的单相永磁真空断路器。该开关为10kV单相真空开关，工作电压为交流220V，也可采用直流工作电源。当系统发生单相接地故障时，由小接地电流系统接地保护装置开出合闸信号，由驱动闭锁单元使真空开关合闸。
3.3 驱动闭锁单元
驱动闭锁单元为真空开关驱动部件，同时采用硬件相互闭锁设计，保证任何两相不能同时合闸。
图3驱动闭锁原理图
3.4 变压器式电抗器
变压器式电抗，由三个线圈组成。系统原理图中所示W1为一次线圈，一次线圈一端与单相真空断路器连接，另一端与地网相连；W2为电抗式变压器副二次线圈，与单相接地保护控制单元连接，用于信号测量；W3为电抗式变压器主二次线圈，通过单相开关K4与高频信号电源连接，用于耦合高频信号。
3.5 信号发生器
系统原理图中4为高频信号电源，通过单相开关K4与电抗式变压器二次线圈W3连接，根据单相接地控制单元指令，向系统注入特殊频率信号，用于故障定位以及故障自动复归。
4 技术特点
4.1具有良好熄灭接地电弧的功能与消弧线圈相比，该装置可以完全熄灭接地故障电弧，又能减少接地故障电弧引发相间故障的几率，提高了供电的可靠性。
4.2对人身感电有良好的保护功能，本系统的保护动作时间小于50毫秒，而低压了漏电保安器的动作时间为100毫秒。
4.3具有对间歇性接地过电压的保护功能。本装置可把它变成一种稳态接地，不再产生接地、消失、再接地的变化，从而遏制间歇性接地和过电压的产生。
4.4 准确、快速判断接地故障相别、选择接地回路
4.5 可实现单向接地故障保护自动复归。
五、结论
该装置实现了准确选择接地相别，对单相接地实现无流、无弧、无跨步电压保护，同时能准确地将故障线路选出，对接地回路的信号检测，为一线工作人员准确查找定位故障点提供有力帮助。
电力系统的中性点接地方式是一个综合技术技术问题，它与系统的可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰（电磁环境）及接地装置等问题有着密切关系。该方式下运行,对造成的人身感电实现有效保护，还可以对供电设备起到保护作用，并能提高供电可靠性，减少事故发生率，并有投资少原理简单等优点，对保证电力企业安全生产、可靠供电及社会群众的生命安全有着重要意义。
作者简介：尹向磊，男，30岁（1983.10.7-），河北石家庄人，毕业于中国矿业大学，现任开滦（集团）林南仓矿业分公司机电管理， 工程师