張春秋，楊洪耕

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都　610065)

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考慮三相不平衡電流影響的改進(jìn)導(dǎo)納法故障選線

張春秋，楊洪耕

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

在分析諧振接地電網(wǎng)三相不平衡電流產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，提出了一種新的諧振接地電網(wǎng)單相接地故障選線方法——考慮三相不平衡電流影響的改進(jìn)導(dǎo)納法故障選線。該方法消除了電網(wǎng)三相不平衡電流對導(dǎo)納法故障選線的影響，同時只需要比較故障前后以及消弧線圈調(diào)整前后各出線零序?qū)Ъ{變化量，即可選出故障線路。該方法拉大了故障饋線與非故障饋線故障特征量的差距。

諧振接地電網(wǎng)；三相不平衡；改進(jìn)導(dǎo)納法；故障選線

0　引　言

中國多數(shù)中低壓配電系統(tǒng)都采用輻射狀的諧振接地系統(tǒng)[1]。諧振接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，可以繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，如果在此期間排除故障，將可以實現(xiàn)配電網(wǎng)的持續(xù)性安全供電。在諧振接地系統(tǒng)中，由于消弧線圈補(bǔ)償電流的作用，故障電流為系統(tǒng)電容電流與消弧線圈補(bǔ)償電流的疊加，限制了接地故障電流的大小，使得殘余電流易于熄弧。但是由于消弧線圈的電感電流對接地故障電流的補(bǔ)償作用，導(dǎo)致接地電流、接地電流方向等故障特征不明顯，增大了諧振接地系統(tǒng)故障選線的難度。目前已提出多種諧振接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法，主要有零序電流幅值比較法、零序電流方向法、五次諧波法、有功分量法、能量函數(shù)法、零序?qū)Ъ{法、電流增量法、注入信號法等。其中，零序?qū)Ъ{法不受接地點(diǎn)過渡電阻的影響[2]，理論上優(yōu)于其他方法，應(yīng)用前景廣闊。但是，電網(wǎng)不平衡電流的出現(xiàn)使得正常運(yùn)行情況下也會產(chǎn)生零序電流，而不平衡零序電流的大小有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振接地系統(tǒng)故障時的零序電流，且其方向不確定，同時電網(wǎng)三相不平衡電流的出現(xiàn)可能會影響零序電流、零序電壓的準(zhǔn)確測量，進(jìn)而影響零序?qū)Ъ{的計算，最終將影響選擇結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，提出了一種考慮三相不平衡電流影響的改進(jìn)導(dǎo)納法選線技術(shù)來解決上述問題。

1　不平衡電流分析

電網(wǎng)不平衡電流主要來源于系統(tǒng)對地電容不對稱、負(fù)荷不對稱以及電流互感器參數(shù)不對稱。圖1展示了系統(tǒng)對地電容不對稱引起各電壓量的變化。

圖1　三相系統(tǒng)對地電壓、對中性點(diǎn)電壓和中性點(diǎn)位移電壓

由圖1可知，系統(tǒng)三相對地不對稱會產(chǎn)生零序電壓U0，從而在各條線路上形成零序電流，這個零序電流的大小與系統(tǒng)對地電容不對稱度、各條線路的對地電容成正比。

(1)

同時，三相對地電壓分別等于三相對中性點(diǎn)電壓與中性點(diǎn)對地電壓的向量和[3]，見式(2)。

(2)

并且有三相對中性點(diǎn)電壓和為0。

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)，可得

(4)

將式(4)的零序電流分成兩部分：

1)三相對地平衡零序電流，如式(5)；

(5)

2)三相對地不平衡電流，如式(6)。

(6)

電力系統(tǒng)的負(fù)荷一般是三相負(fù)荷，可能不對稱，負(fù)荷的接線方式為三角形接線或星形接線[4]，負(fù)荷中性點(diǎn)不接地，不會形成單相回路，因此三相負(fù)荷不存在零序回路，也就不會產(chǎn)生零序電流，三相負(fù)荷的不對稱不會影響基于零序分量選線的故障選線準(zhǔn)確度。

如果三相電流互感器參數(shù)不對稱，將引起零序不平衡電流，監(jiān)測裝置測得的零序電流與各相之間電流互感器的不平衡度及負(fù)荷電流有關(guān)。假設(shè)單相接地故障瞬間，故障前后短時間內(nèi)負(fù)荷電流沒有變化，可以得到故障后電流互感器輸出的零序電流等于故障前不平衡電流分量與因故障而產(chǎn)生的零序電流之和[5]。這樣，考慮通過故障前后零序電流對應(yīng)相減消除不平衡電流分量的影響。

2　故障選線

2.1零序?qū)Ъ{法基本原理

以圖2為例，對諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的導(dǎo)納法選線方法進(jìn)行分析。該系統(tǒng)采用消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式，有n條出線，假設(shè)在第k條出線上發(fā)生接地電阻為Rf的單相接地故障，gn與Cn分別代表各條線路電導(dǎo)與電容。取母線流向線路為零序電流正方向。

圖2　諧振接地系統(tǒng)單相接地零序電路圖

由圖2可知，非故障出線的零序電流為

(7)

非故障出線的零序?qū)Ъ{為

(8)

故障出線的零序電流為

(9)

故障出線的零序?qū)Ъ{為

(10)

則式(10)可以簡化為

(11)

由式(8)、式(11)可知，單相接地故障期間測得的非故障線路零序?qū)Ъ{為該線路本身導(dǎo)納；測得的故障線路的零序?qū)Ъ{則與其自身導(dǎo)納不同，其大小和相位因消弧線圈并聯(lián)電阻R、電感L的投入而發(fā)生改變[6]?；谶@個原理，可以事先將各條線路實際零序?qū)Ъ{的大小和相位記憶下來，當(dāng)檢測到單相接地故障發(fā)生時，根據(jù)各測量裝置測得的零序電壓、零序電流參數(shù)計算出各出線的零序?qū)Ъ{[7]。然后與之前記憶的零序?qū)Ъ{大小和相位進(jìn)行對比，導(dǎo)納大小或相位發(fā)生變化的線路即為故障線路。

前面所述的零序?qū)Ъ{法是基于完全理想化的諧振接地電網(wǎng)推導(dǎo)出來的，并沒有考慮實際配電網(wǎng)中不平衡電流的影響。同時，零序?qū)Ъ{法是基于故障前導(dǎo)納與故障時導(dǎo)納的比較，需要事先獲取各線路的實際導(dǎo)納，現(xiàn)如今配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，線路規(guī)模不斷發(fā)生變化。事先精確測量各條線路零序?qū)Ъ{難度越來越大。

以圖2的諧振接地系統(tǒng)為例?？紤]系統(tǒng)對地電容不對稱時，非故障線路的零序電流中存在三相不平衡電流，結(jié)合式(4)、式(6)和式(7)可得非故障線路零序電流可表示為

(12)

非故障出線的零序?qū)Ъ{可表示為

(13)

2.2改進(jìn)導(dǎo)納法

現(xiàn)提出一種改進(jìn)導(dǎo)納法可以解決上述問題。首先定義零序?qū)Ъ{變化量為兩次測量的零序電流差與對應(yīng)時間的零序電壓差的比值。

改進(jìn)導(dǎo)納法：調(diào)整消弧線圈的電抗值，用調(diào)整前后測得的導(dǎo)納變化量與故障前后測得導(dǎo)納變化量進(jìn)行比較。非故障線路導(dǎo)納變化量保持不變，故障線路導(dǎo)納變化量的大小和方向均發(fā)生改變。

在單相接地故障發(fā)生后，調(diào)整消弧線圈的電抗值，從而引起各條線路上監(jiān)測點(diǎn)的零序電壓、零序電流發(fā)生變化，用調(diào)整消弧線圈參數(shù)后的零序電流與調(diào)整前的零序電流之差，除以改變消弧線圈參數(shù)前后的零序電壓之差，求得調(diào)整消弧線圈參數(shù)后零序?qū)Ъ{變化量。同理，用故障時測得的零序電流與故障前的零序電流之差，除以故障前后的零序電壓之差，求得故障時零序?qū)Ъ{變化量。將調(diào)整消弧線圈參數(shù)后零序?qū)Ъ{變化量與故障時零序?qū)Ъ{變化量進(jìn)行比較。非故障線路的導(dǎo)納變化量一直不變，故障線路導(dǎo)納變化量會隨著消弧線圈參數(shù)的調(diào)整而不斷變化，且其大小和方向均與非故障線路有較大差別。據(jù)此，可以選出故障線路。同時通過對消弧線圈調(diào)整前后測得零序電流對應(yīng)相減可以消除三相不平衡電流的影響。

各條非故障出線的零序電流為

(14)

故障時故障出線k的零序電流為

(15)

調(diào)整消弧線圈參數(shù)，使其接入電感為L2，此時零序電壓為Ub。重新測量各出線零序電流，調(diào)整后各條非故障出線的零序電流為

(16)

調(diào)整后故障出線k的零序電流為

(17)

用調(diào)整后的非故障線路零序電流減去調(diào)整前的非故障線路零序電流，可得調(diào)整L前后非故障線路零序電流差值為

(18)

進(jìn)一步求得調(diào)整L前后非故障線路零序?qū)Ъ{變化量為

(19)

由式(19)可以得出，非故障線路的導(dǎo)納變化量僅與線路自身的電導(dǎo)與電容有關(guān)，與消弧線圈參數(shù)以及投入與否無關(guān)。同理，在故障發(fā)生時，消弧線圈接入系統(tǒng)，但是并不影響故障前后的零序?qū)Ъ{變化量。由式(14)、式(18)和式(19)容易推出故障前后非故障線路零序?qū)Ъ{變化量為

(20)

對于故障線路，故障前消弧線圈電感L及消弧線圈并聯(lián)電阻R并未投入；當(dāng)故障發(fā)生時，消弧線圈L與消弧線圈并聯(lián)電阻R接入故障線路回路，導(dǎo)致該線路導(dǎo)納發(fā)生明顯變化，因此故障發(fā)生前后導(dǎo)納變化量將發(fā)生明顯變化。此時，調(diào)整消弧線圈參數(shù)，故障線路的零序?qū)Ъ{變化量計算與非故障線路類似，將式(15)和式(17)的故障線路零序電流代入式(18)和式(19)，可得調(diào)整L前后故障線路零序變化量為

(21)

式中，g∑、C∑與第二節(jié)的定義一致。

圖3形象地展示了單相接地故障時各線路零序?qū)Ъ{變化量。

圖3　導(dǎo)納變化量矢量圖

由圖3可知，正常線路的零序?qū)Ъ{變化量始終為g+jωCi，并且始終位于矢量圖的第一象限；而當(dāng)故障發(fā)生時，調(diào)整消弧線圈參數(shù)，故障線路的導(dǎo)納變化量位于矢量圖的第二象限，且其大小隨著消弧線圈電感L的變化而變化，據(jù)此，可以找出故障線路。

3　結(jié)　論

諧振接地電網(wǎng)中，由于系統(tǒng)三相對地電容不對稱、三相電流互感器參數(shù)不對稱等影響，可能存在三相不平衡電流，三相不平衡電流是影響諧振接地電網(wǎng)選線成功率的重要因素。因此提出了一種考慮三相不平衡影響的改進(jìn)導(dǎo)納法選線方法，通過零序電流對應(yīng)相減法消除了三相不平衡電流對選線的影響。同時，提出導(dǎo)納變化量的觀點(diǎn)，在故障選線中，不再需要事先測量各條線路的導(dǎo)納，只需要比較故障前后的導(dǎo)納變化量與故障發(fā)生時調(diào)整消弧線圈參數(shù)前后的導(dǎo)納變化量，導(dǎo)納變化量保持不變?yōu)榉枪收暇€路，導(dǎo)納變化量大小或方向發(fā)生變化的即為故障線路。該方法較一般的導(dǎo)納法方便可靠。

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張春秋(1991)，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量分析與控制、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；

楊洪耕(1949)，教授、博士生導(dǎo)師，從事電能質(zhì)量分析與控制、區(qū)域電壓無功控制等方面的研究與教學(xué)工作。

Based on the analysis of occurrence reason of three-phase unbalance current in resonance grounding system, a new single-phase earth fault line selection method in resonance grounding grid is proposed, that is, fault line selection with improved admittance considering the impact of three-phase unbalance current. This method eliminates the influence of three-phase unbalance current on fault line selection with improved admittance, and it only needs to compare the variation of zero-sequence admittance before and after the fault as well as the adjustment of arc-suppression coil so as to select the fault line. The proposed method has pulled away from the characteristic quantity between fault feeder and non-fault feeder.

resonance grounding system; three-phase unbalance; improved admittance；fault line selection

TM862

A

1003-6954(2016)03-0063-04

2016-03-15)