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        小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)特征研究

        2021-08-21 09:48:14張聞一
        電子制作 2021年14期
        關鍵詞:故障

        張聞一

        (國網(wǎng)吉林供電公司,吉林吉林,132011)

        0 引言

        小電流接地系統(tǒng)中最常發(fā)生單相接地故障現(xiàn)象,當不可避免發(fā)生接地故障時,該系統(tǒng)中的非故障相電壓會升高,瞬時弧光過電壓的可能性非常大,極易形成更大的相間短路故障現(xiàn)象,甚至燒毀設備引起火災。小電流接地系統(tǒng)危險性很高,但發(fā)生單相接地故障后不會立馬斷電,還可維持幾個小時的送電運行,所以,這一優(yōu)點使得小電流接地系統(tǒng)在我國配電網(wǎng)中仍被廣泛采用。吉林電網(wǎng)50余座66kV變電站,主要采用主變壓器中性點不接電或經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng),小電流接地系統(tǒng)的故障研究對于吉林電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起著關鍵作用。多年數(shù)據(jù)顯示,在吉林電網(wǎng)系統(tǒng)中4/5的配網(wǎng)故障都是小電流系統(tǒng)單相接地故障,故小電流接地系統(tǒng)的單相接地故障的預測、定位等故障排查和維修處理的研究具備很高的現(xiàn)實意義[1]。

        1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)電路原理

        根據(jù)電路原理圖,經(jīng)拉氏變換等一系列運算后可計算出暫態(tài)電容電流數(shù)值:

        暫態(tài)電感電流:

        暫態(tài)接地電流:

        在配電網(wǎng)中發(fā)生小電流單相接地故障時,暫態(tài)特征和穩(wěn)態(tài)特征在數(shù)值上和傳播規(guī)律上區(qū)別很大。在系統(tǒng)不同頻率電路中,電感與電容所作用的阻值不同,由于非故障相電壓升高,瞬時弧光過電壓,這時產(chǎn)生的暫態(tài)值大概是穩(wěn)態(tài)值的幾十倍,因此在暫態(tài)過程中消弧線圈無法準確實現(xiàn)完全補償作用;在單相接地故障點暫態(tài)狀態(tài)下電路中電容電流衰減較快,暫態(tài)電感中電流衰減較慢[2]。暫態(tài)接地電流的大小和頻率隨暫態(tài)電容電流的變化而變化,且故障合閘角和接地電阻的故障位置會影響電流的變化。一般暫態(tài)接地電流的特點是持續(xù)時間短但是電流幅值大。

        圖1 單相接地故障暫態(tài)電流等效電流

        2 故障點上游與下游暫態(tài)電流分析

        ■2.1 適用于定位的小電流接地故障暫態(tài)等值電路

        現(xiàn)有的小電流接地故障暫態(tài)研究方法適用于計算故障點暫態(tài)電壓電流的大小,但是不適合故障檢測定位,因為系統(tǒng)無法檢測到故障點上游和下游間的數(shù)據(jù)異常。利用小電流發(fā)生單相接地故障時處于故障點的暫態(tài)邊界條件,結(jié)合著名的卡倫鮑厄變換構(gòu)建小電流接地故障復合網(wǎng)絡模型,可得到適用于定位故障位置的暫態(tài)等值電路,如圖2所示。將復雜的電路結(jié)構(gòu)用一簡單的電路代替,但保持相同的作用效果。i0b和i0l分別為故障點上、下游暫態(tài)零模電流;L0b、L0l和R0b、R0l分別代表故障點到母線間線路和到線路末端的等效總電感和總電阻;C0b處于上游,為對地總電容,C0l為故障點下游總電容,一般總系統(tǒng)的總對地電容數(shù)值與C0b大小相差無幾。Lp為電路中消弧線圈的等效電感;開關Kp是中性不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式的轉(zhuǎn)換關鍵。

        ■2.2 故障點上游與下游的暫態(tài)電流計算

        根據(jù)圖2所示小電流接地故障暫態(tài)等值電路,為方便計算上下游暫態(tài)相關數(shù)據(jù),做了進一步簡化。實際情況下過渡電阻較小,可近似認為Rf=O,Lx和Lp線對實驗結(jié)果和計算過程的影響極小,在電路中便去掉這兩個元件,簡化為圖3,這是只含零模的簡單等值電路。由此可見,低阻抗接地時,故障點上游與下游兩側(cè)暫態(tài)過程互不影響。設Um為系統(tǒng)相電壓最大值,故障點虛擬電源為:

        圖2 定位用小電流接地故障暫態(tài)過程等值電路

        圖3 單相接地簡化暫態(tài)等值電路

        3 綜合暫態(tài)電流相似性與極性的區(qū)段定位算法

        ■3.1 單獨使用相似性進行定位分析

        我們使用ρbl來表示故障點上游與下游暫態(tài)電流i0b與i0l間的相似度,計算方式如下:

        blρ的絕對值在0到1之間,且值越大,說明上游與下游暫態(tài)電流間的相似度越高。利用上下游零模暫態(tài)電流間相似性的計算得出定位原理,通過計算相鄰檢測點p和q間暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq,如果ρpq的絕對值小于ρT的值。則認為p和q檢測點暫態(tài)電流不相似,判斷其為故障區(qū)段;否則為正常區(qū)段。其中ρT預設值的大小范圍在0.5到0.8之間。

        當故障點位于分界點的附近,或者上下游之間暫態(tài)電流有較強的耦合時,會有ρpq大于等于–1,小于等于–ρT結(jié)果,此區(qū)域的故障信息會被誤識別為正常信息。此時,會有兩種可能結(jié)果:如果整個故障線路上任意p、q兩點間檢測的暫態(tài)電流均是相似的,那么將默認線路末端檢測點為故障點;另一種情況是,計算的p、q兩監(jiān)測點間暫態(tài)電流本是相似的,只是相似性不高,那么此區(qū)間會被誤判為故障區(qū)間。因此,單獨利用暫態(tài)電流相似性關系來實現(xiàn)故障區(qū)域定位是達不到定位要求的。

        ■3.2 綜合暫態(tài)電流相似性和極性的故障定位

        故障區(qū)段判定流程如下:

        (1)首先,檢測到的第一組兩側(cè)暫態(tài)電流不相似的區(qū)段可直接判定為故障區(qū)段;

        (2)其次,兩側(cè)檢測點暫態(tài)電流已經(jīng)相似但第二步檢測顯示極性相反的區(qū)段依舊判定為故障區(qū)段;

        (3)最后,從母線開始檢測一直都是正常區(qū)段,則故障區(qū)段為最后一次檢測點的下游區(qū)段。

        前兩條判斷依據(jù)可以總結(jié)為:兩側(cè)暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq滿足ρpq<ρT的首個區(qū)間段。

        ■3.3 糾正電流互感器TA極性反接分析

        現(xiàn)實生活中,經(jīng)常使用TA作為量程擴大儀器,利用暫態(tài)零模電流極性進行定位的前提是三相電的TA極性一致[3]。當三相電中出現(xiàn)任意兩相TA極性反接時,就會造成測量失去準確度,造成最終的故障區(qū)段誤判。在故障點上游線路由故障點流向母線的電感電流,在等效電路中,也相當于由母線流向線路的電容電流,和在電路中故障點下游從母線流向線路的電容電流的電流方向相同,此段線路的對地電容也稱為工頻零序電流。上下游電路的電流方向相同時,通過計算相鄰檢測點p和q間暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq都是大于0的。以相鄰的p、q檢測點為例,當p和q間三相電的TA極性反接時,將剩下的所有的p和q之間的暫態(tài)零模電流系數(shù)ρpq和工頻零序電流相關系數(shù)ρpqS同時加上負號來對應電流方向改變以后的電路計算。因此,用為負值的工頻零序電流相關系數(shù)ρpqS乘于同為負值的暫態(tài)零模電流的相關系數(shù)ρpq,極性方面負負得正,那么計算結(jié)果就正好只有數(shù)值而沒有方向了,這樣就避免了TA量程擴大器反接的影響,補救后的暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpqF可表示為:

        ■3.4 綜合區(qū)段定位算法的實現(xiàn)流程

        按照上述算法建立小電流接地系統(tǒng)單相接地時暫態(tài)故障點定位的系統(tǒng),在硬件設施上主要由核心主站、中間通信系統(tǒng)和終端變電所組成。終端變電所要求具備故障線路判別功能,為加強此功能的判別效率,可以安裝自動化故障指示器,來檢測并記錄出線開關處饋線終端的情況,為p、q點之間零模電流計算提供條件。系統(tǒng)核心主站根據(jù)所有末端線路自動化器械顯示并提供的零模電流狀態(tài)完成故障點定位過程,故障點的定位流程如下:

        (1)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地情況時,電壓會發(fā)生很大的變化,系統(tǒng)末端變電所相關設備察覺到零模電壓變化后立即開始檢測,選擇出故障線路,并將線路結(jié)果和暫態(tài)零模電流向上一級傳遞給到主站。

        (2)除了電壓變化,電流情況也會突然改變,若檢測到零模電流突變,則會觸發(fā)各出線的饋線終端系統(tǒng),檢測并記錄故障零模電流,整理匯報到主站。

        (3)主站接收變電所終端數(shù)據(jù)和饋線終端設備的數(shù)據(jù),不需要所有的數(shù)據(jù)都進行處理,所以對除正常線路以外的異常線路各終端記錄的零模電流數(shù)據(jù)進行濾波處理,提取暫態(tài)分量和工頻分量數(shù)據(jù)以供后續(xù)使用。

        (4)從異常線路前端開始,逐一排查并計算各相鄰檢測點p和q間暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq和工頻零序電流相關系數(shù)ρpqS,和補救后的暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpqF。

        (5)因為多了一種極性判斷流程,所以檢測無論ρpqF系數(shù)正負,若監(jiān)測到某區(qū)段上下游兩側(cè)的暫態(tài)零模電流相關系數(shù)ρpq小于設定門檻值ρT的最小值,則我們選定該區(qū)段為故障區(qū)段。

        (6)若經(jīng)檢測并計算后,所有p、q兩點間暫態(tài)電流相關系數(shù)ρpq均大于門檻值ρT,則規(guī)定最后一組p、q兩點間的下游位置為故障區(qū)段。

        4 結(jié)語

        在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的故障暫態(tài)特征基礎上進一步研究實現(xiàn)故障區(qū)段定位模型,可解決消弧線圈過補償造成的問題。綜合利用故障點上游和下游暫態(tài)零模電流的似性和極性兩種判定關系,可避免單獨使用暫態(tài)電流相似性定位方法的盲區(qū)判斷,更為準確地確定故障區(qū)段[4]。對于過補償方式的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),可利用故障工頻零序電流的符號與系數(shù)的計算使其不受經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中TA接線極性反接的影響,糾正暫態(tài)零模電流的極性關系進行定位判斷。本文方法克服了單純利用暫態(tài)電流相似性定位算法的不足,去除了極性反接的影響,提高了小電流單相接地系統(tǒng)暫態(tài)定位技術的可靠性和適用性。

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