王俊杰, 江智軍, 周江源

(1. 南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330031; 2. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

?

中電阻法小電流選線的RTDS測(cè)試可行性分析

王俊杰1, 江智軍1, 周江源2

(1. 南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330031; 2. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

建立了基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital Simulator, RTDS)的中電阻法小電流接地系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)置了不同類型的單相接地故障。利用中電阻法原理分析了仿真結(jié)果。分析表明，利用中電阻法可以克服消弧線圈等因素的影響，短暫增大故障電流，有利于選線裝置正確選出故障線路，分析得出的結(jié)論與仿真情況一致，證明了該仿真平臺(tái)對(duì)于中電阻法選線裝置的檢驗(yàn)有一定的適用性和可信度，從而證明了將RTDS用于對(duì)中電阻法選線裝置的性能檢驗(yàn)是可行的。

小電流接地系統(tǒng); 中電阻法; 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀; 裝置檢驗(yàn); 單相接地故障

0 引 言

我國(guó)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)系統(tǒng)電容電流超過10A時(shí)，中性點(diǎn)需經(jīng)消弧線圈接地[1]，這種中性點(diǎn)接地方式可以有效補(bǔ)償故障電流，提高供電可靠性，但同時(shí)也使得故障特征更為不明顯，導(dǎo)致許多選線方法失效，因此，主動(dòng)增大選線信號(hào)便成了選線裝置克服諧振系統(tǒng)選線困難的一種重要方法[2]。

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital Simulator, RTDS)能夠通過高速計(jì)算電力系統(tǒng)運(yùn)算法則，因而能持續(xù)不斷地輸出，可以如實(shí)反映實(shí)際電力系統(tǒng)的情形，因此，RTDS可廣泛運(yùn)用于電力行業(yè)。文獻(xiàn)[3-4]介紹了RTDS對(duì)直流輸電系統(tǒng)的仿真，文獻(xiàn)[5-6]將其應(yīng)用在光伏領(lǐng)域。文獻(xiàn)[7]將其應(yīng)用于對(duì)消弧線圈調(diào)節(jié)器的分析。文獻(xiàn)[8]將RTDS用于對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)方案的測(cè)試。文獻(xiàn)[9]將其應(yīng)用于對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的分析。從以上文獻(xiàn)可以看出，RTDS在多種領(lǐng)域都有良好的表現(xiàn)。本文考慮將其用來(lái)測(cè)試基于中電阻法的小電流接地選線裝置的測(cè)試。

文獻(xiàn)[10]對(duì)接地選線裝置的性能評(píng)價(jià)方法做出了研究。文獻(xiàn)[11]對(duì)中電阻選線方法做出了優(yōu)化，并給出了工程實(shí)例。文獻(xiàn)[12]搭建了RTDS仿真平臺(tái)，文獻(xiàn)[13-16]利用RTDS仿真平臺(tái)對(duì)采用各種選線方法的裝置進(jìn)行了性能測(cè)試，但暫時(shí)還沒有文獻(xiàn)將RTDS應(yīng)用于中電阻法選線裝置的測(cè)試，因而有必要研究其可行性。

本文分析了并聯(lián)中值電阻的選線方法的工作原理，基于RTDS搭建了諧振接地系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，用中電阻法來(lái)分析仿真結(jié)果，選出故障線路，并和仿真時(shí)的故障設(shè)置進(jìn)行比較，證明了可用RTDS來(lái)檢驗(yàn)中電阻法選線裝置的性能。

1 中電阻法小電流選線原理

1.1 理論分析

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的三條饋線分別為L(zhǎng)1，L2，L3，假設(shè)線路L3的C相單相接地，則C相的對(duì)地電容被短路，圖1中的箭頭即表示系統(tǒng)的零序電流的分布。L即為消弧線圈的電感，RN即為選線時(shí)投切的中電阻，利用開關(guān)K控制RN的投切，UA,UB,UC表示系統(tǒng)三相電壓，C01,C02,C03分別為饋線L1，L2和L3的等效對(duì)地電容，Ijd為接地點(diǎn)電流，Rd為接地電阻。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)電阻接地示意圖

圖2 單相接地故障等效電路圖

RN投入后，健全線路L1的零序電流不變，依然等于其電容電流，可以表示為：

(1)

(2)

可以看出，并聯(lián)電阻前，因?yàn)橄【€圈具有補(bǔ)償作用，故障線路的零序電流很小，并聯(lián)電阻之后，流過并聯(lián)電阻的阻性電流主要流經(jīng)故障線路，且并沒有被補(bǔ)償，因此故障線路零序電流就明顯增大，健全線路零序電流基本不受影響，利用這一點(diǎn)可以輕松選出故障線路。

1.2 中電阻法小電流選線的工作原理

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，圖1中開關(guān)K打開，中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)消弧線圈接地。當(dāng)單相接地故障發(fā)生的時(shí)候，系統(tǒng)將產(chǎn)生零序電壓并超過整定值。在故障初期不投入并聯(lián)中電阻，依靠消弧線圈的電感電流來(lái)補(bǔ)償故障電流，并消除瞬時(shí)故障，提高系統(tǒng)自動(dòng)消除瞬時(shí)故障的幾率。一段時(shí)間以后，若零序電壓仍然存在，判斷是否為虛幻接地所產(chǎn)生，若不是，則將故障判定永久性接地故障，計(jì)算機(jī)便控制K閉合，將RN投入開始故障選線，采樣各線路的零序電流，幾個(gè)周期以后再將RN切除，選線裝置根據(jù)采樣得到的信息選出故障線路。在投入RN的這幾個(gè)周期(小于1 s)內(nèi)，對(duì)于故障線路，其零序電流有很大的增量，而健全線路零序電流基本不變，兩者零序電流就有非常明顯的區(qū)別。若單相接地發(fā)生在母線，則所有饋線的零序電流在RN投入前后基本沒有變化。這就解決了小電流接地系統(tǒng)故障選線中遇到的故障信號(hào)微弱的問題，且對(duì)于高阻、低阻、金屬性接地及間歇性弧光接地都能很好地識(shí)別。

2 諧振接地系統(tǒng)的RTDS仿真平臺(tái)

2.1 確定線路參數(shù)

搭建仿真模型時(shí)，輸電線路采用架空線模型，考慮到在實(shí)際電網(wǎng)中，線路參數(shù)存在不平衡的情況，因此會(huì)產(chǎn)生零序電壓，為了仿真這一情況，架空線模型選擇分布參數(shù)模型。小電流接地系統(tǒng)線路較為復(fù)雜，線路長(zhǎng)度不僅要參考其在實(shí)際電網(wǎng)中的長(zhǎng)度，還要考慮仿真步長(zhǎng)的影響，經(jīng)過對(duì)實(shí)際配網(wǎng)的多方面考察，搭建出如圖3所示的10 kV的諧振接地系統(tǒng)，能夠較為真實(shí)地模擬實(shí)際故障。圖3所示系統(tǒng)經(jīng)6條架空線路向用戶供電，線路的主要參數(shù)為：正序阻抗為0.132 Ω/km，正序感抗為0.357 Ω/km，正序容抗為0.5 MΩ·km，零序阻抗為0.396 Ω/km，零序感抗為1.071 Ω/km，零序容抗為1.5 MΩ·km。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地仿真系統(tǒng)

2.2 確定并聯(lián)中電阻阻值

投入并聯(lián)電阻是為了提供足夠豐富的故障信息，方便選線，但是不合適的阻值可能會(huì)產(chǎn)生較大的故障電流，對(duì)系統(tǒng)不利，因此選擇并聯(lián)中電阻阻值的原則為：為故障選線提供豐富的故障信息，在不同過渡電阻下正確選出故障線路，同時(shí)產(chǎn)生的故障電流不超過10 A。表1和表2分別為電網(wǎng)在金屬性接地和100 Ω過渡電阻接地時(shí)的故障電流，可以看出，消弧線圈并聯(lián)電阻取值720 Ω是符合要求的，產(chǎn)生的故障電流不大。

表1 金屬性接地時(shí)的單相接地故障電流

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)圖3搭建了基于RTDS的仿真平臺(tái)，針對(duì)不同饋線和母線進(jìn)行了單相接地故障仿真，以故障發(fā)生在線路L1的C相為例進(jìn)行說(shuō)明。仿真時(shí)過渡電阻取0 Ω和100 Ω兩種情況，脫諧度ν設(shè)定為10%，并聯(lián)中電阻取720 Ω。表3和表4分別記錄了各饋線在中電阻投入前后的零序電流值，表5記錄了中電阻投入所引起的各饋線零序電流的增量。

表2 過渡電阻為100 Ω時(shí)的單相接地故障電流

從表3可以看出，在并聯(lián)電阻RN投入之前，消弧線圈的電感電流大大地補(bǔ)償了故障電流，所以各饋線的零序電流大小差別不大，且饋線L1和L5的零序電流均大于1 A，并不能從中判斷出是故障線路；在投入并聯(lián)電阻后，從表4、表5不難看出線路L1的零序電流明顯增加，其余的5條線路則零序電流大小變化甚微，根據(jù)中電阻選線原理，可以判斷是線路L1發(fā)生故障，此判斷與仿真時(shí)設(shè)置的故障吻合。

表3 并聯(lián)電阻前的各饋線零序電流

表4 并聯(lián)電阻后的各饋線零序電流

表5 并聯(lián)電阻前后的各饋線零序電流增量

4 結(jié) 語(yǔ)

在模擬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，RTDS具有實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，因此RTDS廣泛應(yīng)用于對(duì)各種小電流選線裝置進(jìn)行測(cè)試。本文在分析中電阻法小電流選線基本理論的基礎(chǔ)上，搭建了基于RTDS的小電流接地系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，設(shè)置了不同類型的單相接地故障，提取了投入并聯(lián)電阻前后各饋線的零序電流，并根據(jù)中電阻法選線原理對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，判斷出的故障線路與仿真時(shí)的故障設(shè)置保持一致，證明了將RTDS用于中電阻法選線裝置的性能測(cè)試是可行的，為后續(xù)的選線裝置的性能檢驗(yàn)提供了依據(jù)。

[1] 朱以屏. 消弧線圈接地系統(tǒng)采用中電阻選線的原理及應(yīng)用[J]. 華東電力, 2004, 32(11): 20-22.

[2] 周志成,付 慧,凌 建,等.消弧線圈并聯(lián)中阻選線的單相接地試驗(yàn)及分析[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(5): 1054-1058.

[3] 朱韜析, 寧武軍, 歐開健. 直流輸電系統(tǒng)換相失敗探討[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(23): 116-120.

[4] 董云龍, 包海龍, 田 杰, 等. 柔性直流輸電控制及保護(hù)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(19): 89-92.

[5] 蘇麗萍, 陳 侃, 李國(guó)杰, 等. 基于 RTDS 的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(15): 110-115.

[6] 陳 侃, 馮 琳, 賈林壯, 等.基于 RTDS 的光伏并網(wǎng)數(shù)字物理混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(3): 42-48.

[8] Lee H, Jung C, Song C S,etal. Novel Protection Scheme With the Superconducting Power Cables and Fault Current Limiters Through RTDS Test in Icheon Substation[J]. Applied SuperconductivityIEEE Transactions on, 2012, 22(3):4705304-4705304.

[9] Al-Ismail F S, Hassan M A, Abido M A. RTDS Implementation of STATCOM-Based Power System Stabilizers[J]. Canadian Journal of Electrical & Computer Engineering, 2014, 37(1):48-56.

[10] 俞小勇, 高立克, 高艷亮, 等.小電流接地選線裝置性能評(píng)價(jià)方法研究[J]. 廣西電力, 2012, 35(1): 1-4.

[11] 紀(jì)鴻彬. 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障并聯(lián)電阻選線的優(yōu)化[J]. 高電壓技術(shù), 2006, 32(8): 124-126.

[12] 高立克, 丁 濤, 俞小勇, 等.小電流接地系統(tǒng)行波法選線的RTDS測(cè)試可行性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(17): 113-118.

[13] 徐靖東, 張保會(huì), 尤 敏,等．基于暫態(tài)零序電流特征的小電流接地選線裝置[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2009, 29(4): 101-105.

[14] 張承學(xué), 丁 濤, 黃 濤,等. 基于RTDS仿真測(cè)試的配網(wǎng)單相接地故障選線系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 低壓電器, 2009(11): 40-43.

[15] 郉亞輝, 呂艷萍, 張承學(xué),等. 基于暫態(tài)電流極性的小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 39(5): 105-109.

[16] 熊 睿, 張宏艷, 張承學(xué),等. 小電流接地故障智能綜合裝置的研究[J]. 繼電器, 2006, 34(6): 6-10.

Feasibility Analysis Using RTDS for Small Current Line Selection Based on Medium Resistance Method

WANGJun-jie1,JIANGZhi-jun1,ZHOUJiang-yuan2

(1. Information Engineering School， Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2. School of Electrical and Engineering， Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The correctness of single-phase grounded fault line selection device is very low because of the complex distribution network structure. The apparatus for fault line selecting based on medium resistance method is one of the types of facilities used for practical applications in the neutral un-effectual grounded system (NUS). In order to achieve continuous improvement and development of NUS, it is necessary to conduct a comprehensive testing on its line-selecting performance. This paper introduces the basic principle of the line selecting method based on medium resistance method, establishes a NUS simulation platform for medium resistance method based on RTDS, and different types of single-phase grounding fault are set up. Simulation results are analyzed by medium resistance method. The analysis shows that the influence of Peterson coil can be overcame by medium resistance method, this method can increase the fault current for a short time, and is good for the fault line selection. This conclusion is in agreement with the simulation. This demonstrates that the simulation platform has certain applicability and credibility for testing such apparatus, and proves that RTDS is feasible for the performance testing of such apparatus.

neutral un-effectual grounded system； medium resistance method； real time digital simulator； single-phase grounding fault

2015-11-26

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52182014001A)

王俊杰(1990-)，男，江西高安人，碩士生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

Tel.:13687006103; E-mail:wjjkobe @gmail.com

TM 732

A

1006-7167(2016)08-0135-03