汪 洋, 薛永端, 徐丙垠, 李天友

(1. 中國石油大學(華東)信息與控制工程學院, 山東省青島市 266580; 2. 山東理工大學智能電網(wǎng)研究中心, 山東省淄博市 255049; 3. 國網(wǎng)福建省電力有限公司, 福建省福州市 350003)

0 引言

小電阻接地系統(tǒng)具有可快速切斷接地故障,過電壓水平低,能消除諧振過電壓,可采用絕緣水平較低的電纜和電氣設備及自動清除故障,運行維護方便等優(yōu)點[1-2],是較為常用的中性點接地方式之一。

據(jù)不完全統(tǒng)計,在小電阻接地配電網(wǎng)中,70%以上的短路故障是單相接地故障[3]。而高阻接地故障約占到接地故障總數(shù)的5%至10%[4]。國外研究數(shù)據(jù)表明,高阻接地故障時的過渡電阻一般在100 Ω以上[3],而最常采用的定時限零序過電流保護電流定值的整定原則為躲開本線路的對地電容電流,以防止其他線路發(fā)生接地故障時誤動,故其動作電流的定值比較大[2,5-8]。中國10 kV小電阻接地配電網(wǎng)零序過電流保護的電流定值一般為40 A,最大只能檢測130 Ω左右的接地電阻[9]。因此,小電阻接地配電網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時保護容易拒動,故障不易被切除,從而可能引發(fā)發(fā)展性短路故障,造成火災、設備損壞及人畜傷亡等[6-8]?？梢娦‰娮杞拥嘏潆娋W(wǎng)的接地保護難題主要是高阻接地故障的保護問題。

近年來,業(yè)內(nèi)學者已經(jīng)研究出多種配電網(wǎng)高阻接地故障保護新方法,卓有成效地提高了高阻接地故障的保護能力,但也存在一些問題。利用零序功率方向的保護方法靈敏性較好,但零序電流、電壓的極性校驗比較困難,高阻接地故障時用于判斷功率方向的零序電壓幅值較小,計算得到的零序功率方向會有較大的偏差[10];利用零序電壓比率制動的接地保護方法不受系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡零序電壓、零序電流影響,可靠性較高,但其不僅需要采集故障電流信號,還需要采集電壓信號,工程應用有一定難度[11]。利用零序電流波形畸變凹凸性接地故障檢測方法的靈敏度和可靠性很高,不過在故障零序電流很小而各種噪聲很大的情況下可能會失效[12]?；诜蔡匦曰兊母咦杞拥毓收蠙z測方法抗噪能力良好,但對于故障點電阻非線性特性不明顯的高阻接地情況可能會失效[13]。上述方法對小電阻接地系統(tǒng)高阻接地故障的保護都做出了較大貢獻,為高阻接地故障保護提供了新的思路。

反時限過電流保護的特性與很多負載的故障特性相似,因此在許多場合下比定時限過電流保護的性能更為優(yōu)越[14-17]。不過,傳統(tǒng)的反時限保護多用于相間短路故障時同一出線不同級保護(如出線保護、分支線保護與配變保護)之間的配合,而鮮少用于接地故障保護[15-17]。

本文在分析小電阻接地配電網(wǎng)單相接地故障零序電流分布特征的基礎上,結合傳統(tǒng)反時限過電流保護的特點,提出一種利用接地故障零序電流的反時限過電流保護,各出線保護之間橫向配合切除故障線路,顯著降低了保護的啟動門檻值,可有效解決小電阻接地系統(tǒng)高阻接地故障難以保護的問題。

1 接地故障電流分布特征

圖1 小電阻接地系統(tǒng)接地故障零序網(wǎng)絡圖Fig.1 Zero-sequence network of grounding fault for low resistance grounding system

根據(jù)圖1及分壓原理,得出線單相接地故障時母線零序電壓為:

(1)

(2)

(3)

由式(1)至式(3)可以看出,故障線路零序電流略大于中性點接地零序電流,且接地過渡電阻越大,中性點與故障線路的零序電流就越小。

對于健全線路而言,其零序電流為本線路對地零序電容電流為:

(4)

(5)

比較式(3)和式(5)易知,當接地過渡電阻Rf大于某一臨界值Rc時滿足:

(6)

由式(2)、式(3)和式(6)可知,金屬性接地故障時,健全線路零序電流可能會大于高阻接地故障時的故障線路和中性點零序電流。各出線及中性點零序電流大小隨接地過渡電阻Rf變化如圖2所示。

圖2 出線及中性點零序電流隨接地 過渡電阻變化示意圖Fig.2 Diagram of changes for zero-sequence currents in outlets and neutral point with grounding fault resistance

中國10 kV系統(tǒng)中一般Rn=10 Ω,假設單出線對地電容電流最大為40 A、系統(tǒng)出線數(shù)最小為n=2條,則此時圖2中Rc一般大于133 Ω。

比較式(2)和式(4),在上述條件下(n≥2),中性點零序電流和健全線路零序電流滿足:

(7)

由式(2)、式(3)及式(7)可得,無論故障點過渡電阻多大,中性點和故障線路零序電流均遠高于健全線路零序電流(一般在10倍以上),且母線出線數(shù)越多,相差越大。同理由圖1(b)易知,母線接地故障時,中性點零序電流一般比出線零序電流大10倍以上。

2 反時限零序過電流保護應用于接地保護的基本原理

2.1 傳統(tǒng)反時限過流保護基本原理

IEC 60255-151標準規(guī)定的反時限過電流保護的動作特性t(I)表達式為[2]:

(8)

式中:t(I)為輸入電流為I時保護的動作時限;k,c,α為決定曲線特性的常數(shù),不同的α值,代表不同的應用場合,與不同被保護設備的特性相對應;KTMS為保護動作時間系數(shù)定值,用來調(diào)整保護的動作時限;IS為保護的啟動電流定值;I為保護的輸入電流大小。

反時限過電流保護的動作特性曲線及IEC 60255-151給出的幾種曲線類型見附錄A圖A1和表A1。反時限過電流保護的動作時限與輸入電流大小有關,電流越大,動作時限越短;電流越小,動作時限越長,是一種具有自適應能力的保護方式,在英國、美國等國被大量用作配電線路的主保護。但由于其整定配置比較復雜等原因,在中國配電網(wǎng)中應用較少。

2.2 反時限過電流保護用于接地故障的問題及解決思路

傳統(tǒng)反時限過電流保護多用于保護相間短路故障。由于其啟動電流定值IS需要躲過出線最大負荷電流,故障時僅有故障線路保護啟動(通過同一線路不同保護間參數(shù)整定的不同實現(xiàn)選擇性),因此,在設計時無須考慮各出線同級保護之間的配合。對于小電阻接地系統(tǒng)接地故障,可采用反時限零序過電流保護。但若啟動電流定值IS整定原則與現(xiàn)有定時限零序過電流保護一致(即躲過本線路的對地電容電流),則仍然不能解決高阻接地故障的保護問題。

若想提高接地保護的耐受電阻能力,則必須設法降低其啟動電流定值IS且不會造成誤動。而根據(jù)第1節(jié)分析,降低IS后,低阻或金屬性接地時,健全線路零序電流可能也會使零序電流高于保護的啟動電流定值而導致線路接地保護誤啟動。

一個有利的條件是,根據(jù)第1節(jié)的分析,小電阻接地系統(tǒng)單相接地時,無論故障點過渡電阻多大,故障線路零序電流始終是健全線路零序電流的10倍以上。因此,即使故障線路與健全線路同時啟動,如果它們的整定參數(shù)一致,故障線路的動作時間也將明顯快于健全線路,在故障線路保護動作切除故障后,系統(tǒng)恢復正常運行,健全線路保護可通過復歸免于誤動。

據(jù)此可得一個可行的思路:降低IS以提高反時限零序過電流保護的耐受電阻能力,同時,通過各出線保護之間的橫向配合實現(xiàn)各保護的可靠性和選擇性。

2.3 反時限零序過電流保護基本原理

同一母線上所有線路的出線口,均配置反時限零序過電流保護,且各出線口的保護特性完全相同。

允許IS低于各條出線的對地電容電流,利用接地故障時，各出線零序電流大小不同引起的跳閘時限不同，保證保護的可靠性和選擇性。如線路上發(fā)生低阻接地或金屬性接地故障時,故障線路和部分健全線路的接地保護會因各自線路上零序電流高于IS而同時啟動。由于故障線路零序電流遠大于健全線路,其接地保護會先于(一般需0.3 s以上)健全線路接地保護動作于跳閘,健全線路的接地保護來不及動作而返回,不會出現(xiàn)誤動。而高阻接地故障時,僅有故障線路接地保護因線路零序電流大于IS而啟動,經(jīng)過較長一段時間的延時后,故障線路保護動作于跳閘,這個過程中,健全線路保護不會誤啟動,更不會誤動作。

10 kV系統(tǒng)一般不設母差保護,而由接地變保護切除母線接地故障,同時作為出線保護的后備保護[2]。因此,還需考慮故障線路保護、健全線路保護與接地變保護三者之間的配合?？紤]到線路接地與母線接地故障時三者之間的零序電流幅值關系,可通過擴大故障線路與健全線路保護間的動作時限差(0.6 s以上)、流過相同零序電流時接地變保護動作時限大于出線保護(0.3 s以上)來解決。

3 反時限零序過電流保護的整定

3.1 基本要求

根據(jù)2.3節(jié)提出的橫向配合方法,綜合考慮保護裝置的測量誤差及接地保護裝置的返回時間,反時限零序過電流保護須滿足以下要求。

1)啟動電流及最小動作電流的整定值應盡可能小,以提高高阻接地故障的保護能力,但需考慮系統(tǒng)不對稱運行工況的影響,定值要躲過線路正常運行時的最大不平衡零序電流,以防誤動。

2)接地變保護同出線保護一致采用反時限零序過電流保護,且各參數(shù)整定值與出線保護一致,時間定值較后者延長一個時間階梯(0.3 s)。

3)所整定保護的動作曲線上,電流相差10倍及以上的任意兩點所對應的動作時限須相差0.6 s以上,以確保出線保護與接地變保護的選擇性。

4)限時電流下限值ID定值應適中,在線路出口處發(fā)生低電阻或金屬性接地時,保護應限時速斷。

5)為更好地與下游分支線接地保護及配電變壓器接地保護配合,保證線路出口接地保護的選擇性,最小動作時限tD應不小于1 s[18]。

6)為解決輸入電流較小時,測量精度等因素的影響導致動作延遲較大的問題,根據(jù)需要可在IS處引入一段最大定時限的水平線將保護的動作特性曲線截斷,以縮短動作時限。

3.2 啟動電流及最小動作電流的整定

啟動電流定值IS的整定須考慮的因素為:①定值應躲過線路的最大不平衡零序電流,以防止系統(tǒng)正常運行時接地保護誤動, 文獻[11]分析了10 kV小電阻接地系統(tǒng)架空線路和電纜線路的最大不平衡零序電流分別在0.37 A和0.26 A左右,故IS>1.11 A;②考慮零序電流互感器的線性范圍與測量誤差,起動電流應至少達到零序互感器滿量程的0.5%,即定值應不小于3 A;③啟動電流定值大小又直接影響接地保護反映接地過渡電阻的能力,當10 kV小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生經(jīng)1.5 kΩ電阻接地故障時,不計線路阻抗,故障線路的零序電流約為3I0f≈3EA/(3Rn+3Rf)≈3.8 A。為使算法能夠保護接近1.5 kΩ過渡電阻的高阻接地故障并躲過線路上的最大不平衡零序電流,且考慮到零序互感器的線性范圍與測量誤差,綜上分析,反時限零序過電流保護的啟動電流可整定為3 A,即IS=3 A。

在采用零序電流互感器時,最小動作電流Iop應設定在3～3.8 A之間,可統(tǒng)一選為3.4 A。由于接地故障時零序電流在Iop附近的情況下,對設備的危害不是太大,對應保護的最小電流動作時限top可允許設定比較長,再者啟動電流定值低,top較長可以避開冷起動電流的影響,top一般不低于3.5 s。

3.3 限時電流下限值的整定

一方面,限時電流下限值ID的定值不宜過高,10 kV小電阻接地配電網(wǎng)中,線路出口處發(fā)生金屬性接地故障時,接地電流約為3I0f≈3EA/3Rn≈577 A。

為使在線路出口處發(fā)生低電阻接地故障或金屬性接地故障時,保護能夠限時速斷,考慮保護動作的可靠系數(shù)Krel=1.3,限時電流下限值應滿足ID≤577 A/1.3=444 A。

另一方面,限時電流下限值ID的定值亦不宜過低,根據(jù)3.1節(jié)要求,且考慮到保護在輸入電流大于ID時均以固定時限啟動,有

(9)

由式(9)中第2個不等式可以看出,ID越大,KTMS越大；又由式(8)可知，top將會越大。在高阻接地故障時,動作時限將隨KTMS成正比增大,于保護性能不利。故而在保證線路出口處發(fā)生低電阻接地故障或金屬性接地故障時,保護能夠限時速斷的前提下ID應越大越好,即ID取444 A。

3.4 動作特性曲線及時間系數(shù)KTMS的整定

一方面,非常反時限和極端反時限曲線易于在微機保護中實現(xiàn);另一方面,中國反時限過電流保護多用于短路保護,被保護線路首末端短路故障電流變化較大,因此兩者在中國應用得比較多。但這兩種曲線凹凸性遠大于一般反時限特性,是否適合用于配電網(wǎng)接地保護,分析如下。

由式(9)可得,一般反時限、非常反時限和極端反時限曲線對應時間系數(shù)KTMS的取值范圍應分別滿足式(10)至式(12)，即

(10)

(11)

(12)

將式(10)至式(12)中第1個不等式右邊的多項式分別記為f1(I),f2(I),f3(I)。則三種曲線對應的KTMS取值須分別大于f1(I),f2(I)和f3(I)的最大值。易知f1(I),f2(I)和f3(I)在I的區(qū)間[1,+∞)A上均單調(diào)遞增,則f1(I),f2(I)和f3(I)在10I=577 A時取得最大值。綜上分析,三種曲線對應時間系數(shù)KTMS的取值范圍應見表1。取KTMS的最小值,由式(8)可得三種曲線在輸入電流為Iop和ID時的動作時限top和tD。由表1可以看出,即使KTMS取最小值,在高阻接地故障時,若采用非常反時限特性,動作時限也在1.5 min以上,動作時限過長,其間可能導致相間短路故障,擴大故障范圍,故不宜采用。極端反時限對應的動作時限則更長,亦不宜采用。一般反時限對應的top最小,不過tD小于1 s,這里可以通過增加一段延時來解決。

表1 KTMS取值范圍及對應動作時限Table 1 Ranges of KTMS and corresponding action time

就表1呈現(xiàn)的三種曲線特性而言,一般反時限特性在動作時限上性能最優(yōu)。但由于一般反時限存在小數(shù)指數(shù)運算問題,單片機無法直接運算,直接數(shù)據(jù)存儲法和曲線擬合法誤差又較大。而文獻[19]提出的泰勒展開和數(shù)據(jù)存儲相結合的方法可以很好地解決這一問題。故選擇一般反時限特性可以滿足工程應用的要求。

基于上述分析,為方便管理,對于單向供電放射式配電線路而言,各出線接地保護可采用統(tǒng)一的動作時間系數(shù)定值。在啟動電流IS、限時電流下限值ID、最小動作時限tD及曲線類型確定的基礎上,可確定時間系數(shù)KTMS的最小值為0.620 9。為保證各出線保護之間的橫向配合,即金屬性接地故障時,健全線路接地保護能成功返回,不出現(xiàn)誤動,確定KTMS時考慮可靠系數(shù)Krel=1.25,得時間系數(shù)KTMS=0.77。

KTMS=0.77時對應tD=1.0 s,這里無須引入延時,初步整定的反時限零序過電流保護曲線為:

(13)

初步整定的保護電流—時間特性為圖3中的曲線a。

圖3 反時限零序過電流保護電流-時間特性曲線Fig.3 Current-time characteristic curve of zero-sequence inverse-time overcurrent protections

3.5 反時限零序過電流保護的優(yōu)化

由圖3及式(13)可知,最小動作電流的動作時限top=43 s(對應的Iop=3.4 A),在將近1 min的動作時限里可能會發(fā)展成短路故障,擴大事故。

為優(yōu)化高阻接地故障時的保護性能,如圖3虛線框所示,可引入一段最大定時限為tM的水平線b將初步整定后的反時限曲線a截斷,兩者交點M處的電流記為拐點電流IM,當零序電流在IS至IM之間時,保護以最大定時限tM動作于跳閘。根據(jù)3.1節(jié)的基本條件易得,tM應該較10倍啟動電流(即30 A)對應的動作時限長0.6 s以上,即tM≥2.9 s,則IM須滿足IM≤18.6 A,考慮可靠性系數(shù)Krel=1.25,可將拐點電流定為IM=15 A,此時,最大定時限tM=3.3 s。最終優(yōu)化后反時限零序過電流保護表達式為:

(14)

延時0.3 s后,接地變保護的表達式為:

(15)

出線保護和接地變保護對應的電流—時間特性分別為圖3中藍色曲線(c1)和橙色曲線(c2)。

當輸入電流為3A時,接地過渡電阻高于1.5 kΩ,對應的動作時限為3.3 s,可見本文所提保護方法在處理高阻接地故障時有較好的速動性。為與線路上分支線接地保護配合,電流大于444 A時,保護以固定的動作時限(1.0 s)動作,在分支線上發(fā)生接地故障時,線路出口保護不會越級跳閘,確保其動作的選擇性。

4 性能分析

本文所提算法在整定各參數(shù)時均考慮了可靠性系數(shù),動作曲線上10倍電流差所對應的動作時限差將大于0.6 s,故即使實際系統(tǒng)中零序電流互感器及保護裝置存在測量誤差,也可以保證啟動但不應動作的接地保護有足夠時間返回,不會對本算法產(chǎn)生影響。

實際工程中,建議采用穿芯式零序電流互感器獲取零序電流[2],且鐵芯材料要具有較好的磁導率,以達到較高的零序電流測量精度并消除負荷三相不平衡對保護性能的影響。此外,架空線路換位欠佳、單芯電纜線路三相參數(shù)(包括長度)不相等、非全相供電等因素均會產(chǎn)生不平衡零序電流[20],本文所整定的啟動電流定值遠大于線路可能出現(xiàn)的最大不平衡零序電流,因此,本文所提保護方法不會受系統(tǒng)的最大不平衡零序電流影響而誤動。另外,接地故障時一些非線性負荷會產(chǎn)生3k次諧波(即零序諧波)導致零序電流波形畸變。利用傳統(tǒng)傅里葉級數(shù)的方法提取工頻量時就完全可以濾除3k次諧波。

小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生高阻接地故障時,只要線路上的零序電流高于保護的啟動電流定值,保護就會啟動,且發(fā)生1.5 kΩ過渡電阻的接地故障時,靈敏系數(shù)仍大于1.2。一般只有故障線路接地保護啟動并動作于跳閘,其余健全線路接地保護由于線路上零序電流低于啟動電流定值均不會啟動,更不會誤動。

母線接地時,若故障點過渡電阻較低,出線保護可能由于其零序電流高于IS而啟動,但中性點零序電流遠高于所有出線,此時接地變保護會先于各出線保護動作于跳閘,出線保護有足夠時間返回,不會造成誤動。出線接地時,雖然中性點與故障出線零序電流相近,但由于接地變保護時間定值較出線保護延長一個時間階梯,故其在故障出線保護動作于跳閘后有足夠時間返回不誤動,只有在故障出線保護拒動時才會動作,且此時健全線路保護也會在接地變保護動作后返回不誤動,造成的停電范圍與采用傳統(tǒng)定時限零序保護時一樣,并沒有使此類問題擴大化。

當線路上發(fā)生兩相接地短路故障時,也會產(chǎn)生較大的零序電流,此時,三段式電流保護由于動作時限小,會先于出線接地保護動作。即使三段式電流保護拒動,出線接地保護也會先跳開其中一條故障線路,此時變?yōu)閱蜗嘟拥毓收?出線接地保護會接著跳開另一條故障線路,不會擴大停電范圍。若母線上發(fā)生兩相接地短路故障,情況類似,不再贅述。

延時可通過裝設時間繼電器實現(xiàn),延時時間可視具體被保護設備及與其他保護配合而定。

本文所提保護方法適用于小電阻接地配電網(wǎng)變電所出線接地保護及其后備保護——接地變保護。借鑒傳統(tǒng)反時限過電流保護實現(xiàn)同一線路上不同級保護配合的思路[2],可分別或單獨配置接地故障的分段保護、分支線保護及配變保護,這些保護均配置為同一曲線類型的反時限零序過電流保護(具有相同的參數(shù)k,c,α),重新整定tD,KTMS及延時時間后,可實現(xiàn)各級保護的選擇性

5 仿真驗證

在MATLAB中搭建典型10 kV小電阻接地系統(tǒng)接地故障仿真模型(模型圖見附錄A圖A2),系統(tǒng)出線數(shù)n=5,線路長度分別為lF1=12 km,lF2=15 km,lF3=6 km,lF4=20 km,lF5=14 km。線路正/負序參數(shù)值R=0.27 Ω/km,L=2.5×10-2H/km,C=3.39×10-7F/km;零序參數(shù)值R0=2.7 Ω/km,L0=1.109×10-3H/km,C0=2.8×10-7F/km。設故障線路為F5,故障點距母線距離為7 km以及母線上發(fā)生單相接地故障。

不同過渡電阻下各出線口的零序電流及中性點零序電流的變化情況見附錄A圖A3和圖A4。由圖A3可以看出,當出線低阻接地時,如過渡電阻為10 Ω,故障線路的零序電流高達200 A以上,而健全線路的零序電流雖然不到15 A,卻也高于保護的啟動電流。根據(jù)圖3可知,線路F1至F5上的接地保護全部啟動,而線路F5的接地保護在1.2 s時就已經(jīng)跳閘,其他健全線路對應的動作時間最快也在3.3 s左右,來不及動作于跳閘就已經(jīng)返回,不會發(fā)生誤動。發(fā)生高阻接地故障時,如過渡電阻為500 Ω時,線路F5上的零序電流在11 A左右,而健全線路的零序電流只有不到1 A。故發(fā)生高阻故障時,只有線路F5的接地保護啟動,在3.3 s左右動作于跳閘,其他線路接地保護均不啟動。即使在過渡電阻高達1.5 kΩ時,線路F5的接地保護也將在3.3 s內(nèi)動作于跳閘。

由附錄A圖A4可以看出,當母線低阻接地時,如過渡電阻為10 Ω,中性點零序電流在300 A左右,各出線零序電流達11 A左右,雖然接地變保護動作時限整體比出線保護長0.3 s,但由于中性點零序電流遠大于各出線,仍先于出線保護動作于跳閘,出線保護返回沒有誤動。而當母線上發(fā)生高阻接地故障時,經(jīng)過一段延時后(3.6 s),接地變保護動作于跳閘,而各出線零序電流均小于保護啟動電流不會誤動。具體動作情況如表2所示。

可見,本文所提的反時限零序過電流保護理論上可以保護過渡電阻達1.5 kΩ以上的高阻接地故障,并有較好的速動性,且在低電阻接地故障及金屬性接地故障時有很好的選擇性與可靠性。

6 結語

本文通過對小電阻接地系統(tǒng)不同過渡電阻下單相接地故障零序電流分布特征的分析,提出一種高靈敏度的反時限零序過電流保護算法,并進行了仿真驗證,得到如下結論。

1)無論故障點過渡電阻多大,中性點零序電流和故障線路的零序電流均大于健全線路零序電流的10倍以上,而金屬性接地時健全線路零序電流可能會高于高阻接地時故障線路的零序電流。

2)利用各出線保護間的橫向配合理論上可將接地保護的耐受電阻能力提高至近1.5 kΩ,并有很好的速動性,同時保證了出線及母線接地故障時出線保護與接地變保護的可靠性和選擇性。

表2 單相接地故障時零序反時限過流保護的動作情況Table 2 Operation situations of zero-sequence inverse-time overcurrent protection when single-phase grounded

3)關于本文所提算法對于出線保護與分支線保護、配變保護等上下級保護之間的具體整定與配置還將做進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。