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        10 kV配電網(wǎng)單相接地故障定位的研究

        2013-09-01 02:12:00王繼星
        黑龍江電力 2013年4期
        關(guān)鍵詞:關(guān)聯(lián)矩陣選線暫態(tài)

        王繼星,任 波,宋 娜

        (1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林吉林132012;2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽電廠,湖北宜昌443002;3.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司葛洲壩電廠,湖北 宜昌 443002)

        中國(guó)10 kV配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式常采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地兩種方式,統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)。該類接地系統(tǒng)中單相接地故障定位一直是研究的難點(diǎn)。單相接地故障約占全部電網(wǎng)故障的80%,所以深入研究配電網(wǎng)單相接地故障定位對(duì)提高供電可靠性具有重大意義。

        小電流接地故障檢測(cè)主要分為故障選線和故障定位。目前,對(duì)于故障選線的研究成果已經(jīng)很多,主要有零序電流法、功率方向法、比幅比相法、負(fù)序電流法、注入信號(hào)法等[1-5]。而小電流接地故障定位研究領(lǐng)域卻沒有取得很大進(jìn)展,雖有行波法、小波分析法、故障定位的矩陣算法和注入信號(hào)法等研究成果[6-10],但是由于信號(hào)微弱,受到干擾后不易檢測(cè)和消弧線圈的補(bǔ)償作用,使得以上方法實(shí)際應(yīng)用效果不理想。

        近幾年,基于暫態(tài)零序電流進(jìn)行故障選線的方法已經(jīng)取得一定突破[11-13],但是,基于暫態(tài)零序電流進(jìn)行故障分支定位的方法則很少涉及。因此,本文提出了暫態(tài)零序電流向量的概念,并通過矩陣算法來實(shí)現(xiàn)故障分支定位。

        1 小電流接地系統(tǒng)故障區(qū)間定位原理

        1.1 輻射型接線方式

        中國(guó)10 kV配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的方式,配電網(wǎng)不同線路通過雙電源連接開關(guān)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí),雙電源連接開關(guān)斷開,從變電站引出的配電線路開環(huán)運(yùn)行,形成了單電源輻射狀的樹狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。

        圖1 10 kV配電網(wǎng)示意圖

        1.2 故障選線和故障定位

        在小電流接地系統(tǒng)中,一旦出現(xiàn)小電流接地故障,非故障相對(duì)地電壓升為線電壓,特別是出現(xiàn)間歇性弧光接地時(shí),中性點(diǎn)缺少電荷釋放的通路,引起弧光接地過電壓,從而威脅線路絕緣,容易擴(kuò)大為相間短路故障。

        本文規(guī)定:從變電站同一條母線上引出的多條線路中識(shí)別出發(fā)生小電流接地故障的線路,并給出判斷結(jié)果的過程稱為故障選線;在選出的故障線路中,根據(jù)故障信息找到發(fā)生單相接地故障的支路,并確定故障支路相關(guān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)的過程稱為故障定位。

        1.3 小電流接地故障信息的獲取

        由于線路不對(duì)稱,可能導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)零序電壓,在變電站出口母線處設(shè)置一個(gè)零序電壓測(cè)點(diǎn),并且設(shè)定線路零序電壓故障閥值uf,若零序電壓超過閥值uf,則系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障,啟動(dòng)故障定位功能。在變電所母線上裝設(shè)三相五柱式電壓互感器,將其二次成開口三角形的一側(cè)接于過電壓繼電器上,通過一定延時(shí)啟動(dòng)故障定位程序。加入延時(shí)主要是為了躲過瞬時(shí)接地故障的情況。

        在每條線路的出口處和分支線路的出口處均布置零序電流測(cè)點(diǎn),對(duì)于線路較長(zhǎng)的無分支線路,則布置2-3個(gè)測(cè)點(diǎn),以便縮短查找故障點(diǎn)的范圍,如圖1所示。各個(gè)測(cè)點(diǎn)均安裝基于GPS的零序電流測(cè)量裝置和相對(duì)應(yīng)的負(fù)荷開關(guān),通過GPS秒脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流數(shù)據(jù)的同步采樣,然后,將采集的數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)。

        1.4 故障支路定位

        小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障線路上流過的零序電流等于其他非故障線路對(duì)地電容電流之和,幅值較大。為此,通過比較變電站各出線出口處測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流幅值的大小來選出故障線路[14]。

        將一個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流的所有采樣值的集合作為一個(gè)向量,稱為該測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量。暫態(tài)零序電流幅值I0的計(jì)算公式為

        式中:N為暫態(tài)零序電流向量中元素個(gè)數(shù),i0j表示暫態(tài)零序電流向量中第j個(gè)元素。

        以圖1線路a為例,將線路a的所有零序電流測(cè)點(diǎn)按從電源側(cè)指向負(fù)荷側(cè)的方向依次編號(hào),形成線路a的起點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量為

        采用測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣來描述線路各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系。測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣S的元素sij定義為:從電源側(cè)指向負(fù)荷側(cè)的方向,當(dāng)測(cè)點(diǎn)i位于測(cè)點(diǎn)j的上游,且測(cè)點(diǎn) i和測(cè)點(diǎn) j相鄰時(shí),則 sij=1;否則,sij=0。從而可以得到以線路a的測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為

        確定故障支路的算法以變電站各條出線的起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量和測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為輸入量,具體描述如下:

        1)獲取變電站各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量,比較各條線路出線處測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流幅值的大小,幅值較大的為故障線路。

        2)在故障線路上,非故障路徑測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流的方向相同,而故障路徑測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流的方向相反。因此,提出將故障線路各個(gè)測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量與下一條非故障線路出線處測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量做內(nèi)積運(yùn)算,得到故障路徑標(biāo)識(shí)向量e。定義故障路徑標(biāo)識(shí)向量e的長(zhǎng)度與起始節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量r一致,其元素與向量r元素存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)故障線路測(cè)點(diǎn)i的暫態(tài)零序電流向量與非故障線路出線處測(cè)點(diǎn)的暫態(tài)零序電流向量?jī)?nèi)積為負(fù)時(shí),則ei=1;否則,ei=0。

        3)從向量e的第一個(gè)元素開始查找,找到e中值為1的最后一個(gè)元素,設(shè)為ek,則測(cè)點(diǎn)k為故障支路的起始測(cè)點(diǎn)。

        4)將故障線路的測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣中的元素skk置1,然后,查找skk所在行的元素,若存在skj=1,則說明故障支路在測(cè)點(diǎn)k和j之間;若其他元素均為0,則說明故障支路在測(cè)點(diǎn)k的下游。

        2 仿真實(shí)例

        以圖1所示系統(tǒng)為例,利用Matlab進(jìn)行仿真。為了使仿真更接近實(shí)際電力系統(tǒng),采用電纜—架空線混合線路。架空線路參數(shù)為

        電纜線路參數(shù)為

        變壓器35/10 kV,采用Δ/Y接線;在消弧線圈接地系統(tǒng)仿真時(shí),系統(tǒng)設(shè)為8%過補(bǔ)償。采樣頻率為105Hz,采集故障發(fā)生后5 ms的數(shù)據(jù)。

        2.1 仿真算例1

        如圖1所示,當(dāng)f1點(diǎn)在0.005 s發(fā)生單相接地故障時(shí),過渡電阻R=100 Ω,補(bǔ)償度為8%時(shí),各線路出口處暫態(tài)零序電流如圖2所示。

        圖2 各線路出口處暫態(tài)零序電流波形圖

        從圖2波形可以看到,線路a、b、c出口處零序電流幅值分別為8.676 6、5.741 3、3.175 6 A。由此可見,線路a為故障線路,線路b、c為非故障線路。測(cè)點(diǎn)4a、5a和測(cè)點(diǎn)1b的暫態(tài)零序電流如圖3所示。

        圖3 測(cè)點(diǎn)4a、5a和測(cè)點(diǎn)1b的暫態(tài)零序電流波形

        從圖3可以看到,在故障線路上,非故障路徑測(cè)點(diǎn)(5a)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測(cè)點(diǎn)(1b)的暫態(tài)零序電流的方向相同,而故障路徑測(cè)點(diǎn)(4a)的暫態(tài)零序電流與非故障線路測(cè)點(diǎn)(1b)的暫態(tài)零序電流的方向相反。

        線路a的測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣和起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量如前所述,線路a各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與下一條線路出口處(測(cè)點(diǎn)1b)暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積如表1所示。

        表1 線路a各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與測(cè)點(diǎn)1b暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積 ×104

        則線路a的故障路徑標(biāo)識(shí)向量為e=[1 1 0 1 0 0 0 0],修改后的線路a的測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為

        由此可以判斷出測(cè)點(diǎn)4a和測(cè)點(diǎn)5a(6a)之間的支路發(fā)生單相接地故障。

        2.2 仿真算例2

        如圖1所示,當(dāng)f2點(diǎn)在0.01 s發(fā)生單相接地故障,過渡電阻R=1 000 Ω,補(bǔ)償度為7%時(shí),線路a、b、c出口處暫態(tài)零序電流幅值分別為 0.710 9、0.953 9、0.367 6 A。由此可見,線路b為故障線路,線路a、c為非故障線路。

        線路b的測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣Sb和起始測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)向量rb為

        線路b各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與下一條線路出口處(測(cè)點(diǎn)1c)暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積如表2所示。

        表2 線路a各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流向量與測(cè)點(diǎn)1b暫態(tài)零序電流向量的內(nèi)積

        線路b的故障路徑標(biāo)識(shí)向量為 e=[1 0 1 0 0 0],則修改后的線路b的測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣為

        由此可以判斷,測(cè)點(diǎn)3b和測(cè)點(diǎn)4b之間的支路發(fā)生單相接地故障。

        3 結(jié)語

        本文研究10 kV配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位的問題。首先,通過裝有GPS模塊的零序電流測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流的同步采樣,以獲取故障特征信息。然后,提出了確定故障支路相關(guān)測(cè)點(diǎn)的算法。最后,通過仿真算例表明本文提出的確定故障支路相關(guān)測(cè)點(diǎn)算法的定位準(zhǔn)確性。

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