莫仕勛,沈耿宇,莫小鋒,葉欽濤

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

1 引言

我國配電網(wǎng)主要采用小電流接地方式[1]。單相接地故障占所有故障的80%[2],其中大部分為瞬時性故障,若能及時熄弧,故障即可消除。一般配電網(wǎng)為確保熄弧,往往需要暫時切除故障線,影響供電。文獻[3-8]提出在變電站內(nèi)安裝智能接地裝置,將配電網(wǎng)升級為智能接地配電系統(tǒng),以實現(xiàn)單相接地故障的自動處理。智能接地裝置中含有故障相接地型(又稱主動轉(zhuǎn)移型)熄弧裝置[9]及中性點中電阻投切裝置,可以實現(xiàn)瞬時接地故障帶電熄弧、永久接地故障自動選段隔離,具有廣闊的應(yīng)用前景。

配電網(wǎng)中樹閃、人體接觸等高阻接地故障,過渡電阻均在1 000 Ω以上[10],電壓電流故障特征不明顯。目前智能接地配電系統(tǒng)所用選線判據(jù)在應(yīng)對高阻接地故障時難以正常選線隔離,易使事故擴大。因此,需要一種能反映高阻接地故障的新選線判據(jù)。

智能接地配電系統(tǒng)主要沿用小電阻接地配電網(wǎng)的選線方法,可分為智能算法、暫態(tài)法、穩(wěn)態(tài)法。利用變分模態(tài)分解的智能算法[11,12]需要采集大量訓(xùn)練樣本,工程中難以應(yīng)用。暫態(tài)法如運用小波分析法[13,14]、暫態(tài)能量法[15,16]、暫態(tài)高頻電流波形差異選線法[17]在高阻接地故障時故障特征小,暫態(tài)特征難以提取。穩(wěn)態(tài)法具有故障特征明顯、穩(wěn)定等優(yōu)點,具有較好的應(yīng)用前景。文獻[18]在靈活接地系統(tǒng)中應(yīng)用了零序電流與電壓相位差變化的選線判據(jù),對電壓互感器的測量精度要求較高;文獻[19]引入零序電壓構(gòu)造浮動門檻,選線判據(jù)構(gòu)造較為復(fù)雜,工程上不易推廣;文獻[20]通過引入零序電壓幅值信息對零序電流測量值進行修正,但每條線路動作門檻仍需單獨整定,較為繁瑣;文獻[21]提出利用中值電阻投入前后工頻增量系數(shù)的選線方法,耐高阻能力有限。

本文為解決智能接地配電系統(tǒng)高阻接地故障時靈敏性不足的問題,引入文獻[20]的電流修正方法,與原判據(jù)[5]結(jié)合,得到了一種新選線判據(jù)。該判據(jù)兼具耐過渡電阻能力強及所有線路動作門檻統(tǒng)一的優(yōu)點,整定方便,在工程上易于推廣。Matlab仿真驗證了其在高阻接地條件下的有效性。

2 智能接地配電系統(tǒng)的組成及基本原理

2.1 智能接地配電系統(tǒng)組成

智能接地配電系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)包含2種裝置,如圖1所示,分別為:①可分相接地的母線接地開關(guān)Kb(故障轉(zhuǎn)移裝置),用以帶電熄弧;②中性點中電阻Rg投切裝置,用以增大故障特征,方便選線。另外在各饋線開關(guān)處,還配置有相應(yīng)的選線保護裝置,與智能接地裝置配合啟動,當判定本段線路發(fā)生永久性單相接地故障時,立即切除。圖1中,Z型變壓器提供了中性點,Rg為中性點中電阻(20～30 Ω);Kg為中電阻投切開關(guān);L為消弧線圈電感;Rf為故障點過渡電阻。

圖1 智能接地配電系統(tǒng)單相接地故障示意圖

2.2 智能接地配電系統(tǒng)動作邏輯

系統(tǒng)正常運行時,母線接地開關(guān)與中電阻投切開關(guān)均處于分閘狀態(tài),當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,零序電壓將越限,檢測到故障特征后,智能接地配電系統(tǒng)按如下順序動作:

(1)帶電熄弧。母線接地開關(guān)Kb立即將相應(yīng)故障相接地,故障引至母線,故障點熄弧。

(2)中性點中電阻投切裝置動作,投入中電阻Rg,增大故障特征,方便后續(xù)選線。

(3)Kb故障相接地斷開,故障恢復(fù)至故障點。

(4)若零序電壓故障特征消失,則熄弧成功,系統(tǒng)恢復(fù)正常,退出中電阻;否則說明系統(tǒng)發(fā)生永久性故障,各饋線開關(guān)處的選線保護裝置立即投入,進行選線、跳閘操作,操作完成后退出中電阻Rg。故障處理流程圖如圖2所示。

圖2 智能接地配電系統(tǒng)動作邏輯

3 智能接地配電系統(tǒng)單相接地故障分析

3.1 單相接地零序等效電路

智能接地配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時的零序等效電路如圖3所示。圖3中,Cf為故障線路對地零序電容;Z+、Z-分別為故障點所對應(yīng)的系統(tǒng)正、負序阻抗;UFa為故障前故障相的對地電壓;Zl為故障點與母線間線路零序阻抗;Rb為母線接地開關(guān)Kb的接地電阻(0.7 Ω以下);jXΣ為所有正常線路對地零序電容與消弧線圈電感并聯(lián)的等效阻抗;U前.0、U后.0分別為母線接地開關(guān)斷開前、后的母線零序電壓。

圖3 智能接地配電系統(tǒng)單相接地故障零序等效電路

Kb故障相接地時故障被引至Kb處,故障點熄弧,Kb斷開后故障點故障電流回歸。

3.2 母線接地開關(guān)斷開前

由圖3(a)可知,母線接地開關(guān)閉合時,故障點視為開路,此時母線零序電壓有效值U前.0為:

(1)

正常線路零序電流I前.i為:

I前.i=U前.0jωCi≈UFajωCi

(2)

式中,Ci為線路i對地零序電容。

故障線路流過的零序電流I前.f為:

I前.f=U前.0jωCf≈UFajωCf

(3)

由于故障點被熄弧開路,故障線與正常線路情況相似,因此表達式相同,另外由式(2)、式(3)可知,各線路I前.i為一常數(shù)。

3.3 母線接地開關(guān)斷開后

由圖3(b)可知,Kb斷開后的母線零序電壓U后.0如式(4)所示,由于Z+、Z-遠遠小于Rf[20],故可忽略不計。

(4)

對比式(1),母線接地斷開后,母線零序電壓將有明顯下降,如圖4所示。圖4中U0為零序電壓。

圖4 仿真算例中Kb斷開前后零序電壓變化

正常線路零序電流I后.i為:

(5)

故障線路零序電流I后.f為:

(6)

4 新選線判據(jù)

本節(jié)介紹原選線判據(jù)及修正電流選線方法的優(yōu)缺點,二者相結(jié)合即得兼具二者優(yōu)點的新判據(jù)。

4.1 原選線判據(jù)

文獻[5]所采用的原選線判據(jù)如式(7)所示,其本質(zhì)上是標幺化的過流保護。

(7)

式中,I前.i與I后.i分別為母線接地斷開前后出線i的零序電流值;Ki為選線判斷因子。

將式(2)、式(5)代入式(7),得正常線Ki為:

(8)

觀察到Ki的分母I前.i起到類似標幺值基底的作用,消去了分子中每條線路各異的線路對地電容Ci,賦予了Ki標幺化線路零序電流的物理內(nèi)涵。用Ki做選線判據(jù),可使所有線路的動作門檻得到統(tǒng)一。由于實際故障中Rf>20 Ω,Rg最大采用30 Ω,故正常線Ki<0.8,可以此作為所有線路的通用動作門檻,若測量計算出某條線路的選線判斷因子K值大于0.8,則說明此線路為故障線。

將式(3)、式(6)代入式(7),得故障線路的Kf為:

(9)

當Rf較小時,Kf將大于動作門檻0.8,選線成功;但當Rf較大時,Kf將小于動作門檻0.8,此時無論是正常線還是故障線,保護裝置均不動作,選線失敗。搭建第5節(jié)所述系統(tǒng)模型,對原判據(jù)進行測試,結(jié)果如圖5所示。

圖5 原判據(jù)選線測試結(jié)果

算例中對Rf超過300 Ω的故障無能為力,耐過渡電阻能力較差。原判據(jù)的優(yōu)點在于其標幺值特性,3條正常線的選線判定因子K1、K2、K3完全重合,所有線路只需整定一個共同的動作門檻Kset,工程上易于推廣。

4.2 修正電流選線法

文獻[20]提出的電流修正選線法主要應(yīng)用于小電阻接地配電網(wǎng),智能接地配電網(wǎng)投入中電阻后即為小電阻接地,故可以應(yīng)用電流修正方法。

電流修正法可增強耐過渡電阻能力。將任意故障條件折算成故障線首端金屬性短路時的故障情況,增大故障線與正常線故障電流特征的區(qū)分度,使得高阻接地故障時依然可以正常選線。

根據(jù)圖3(b)拓撲關(guān)系,可得:

I后.f(Z++Z-+Z0+3Rf)=UFa

(10)

式中,Z0為故障點所對應(yīng)的系統(tǒng)零序阻抗,Z0約等于3Rg并聯(lián)上XΣ、Cf的等效阻抗。

式(10)等號左右兩邊同時除以故障線路首端金屬性接地短路時系統(tǒng)正負零序阻抗Zh+、Zh-、Zh0,可得:

(11)

(12)

將式(12)代入式(11)可得到用U后.0表示的電流修正方程為:

(13)

對式(13)進行化簡,得到工程上可用的故障線零序電流修正公式為:

(14)

式中,krel為可靠性系數(shù),取1.01～1.05[20]。修正系數(shù)α為:

(15)

正常線零序電流與故障線零序電流為線性分流關(guān)系,因此修正公式相同,如下所示:

(16)

式(14)、式(16)為電流修正公式,運用修正公式,將零序電流測量值折算成修正值后再進行選線,可以提升耐過渡電阻能力。

搭建第5節(jié)所述系統(tǒng)模型,對電流修正選線法進行測試,結(jié)果如圖6所示,圖6中,I0為零序電流。

圖6 電流修正選線法選線測試結(jié)果

圖6中,Ii為各線路零序測量電流;αIi為各線路修正電流;Iset.i為線路i的動作門檻。無論Rf為何值,各線路修正電流均等于故障線首端金屬性短路時線路流過的零序電流,故障線與非故障線修正電流區(qū)分度很大,若整定合適的動作門檻,不失為一種耐高阻接地的好判據(jù),但由于不同線路的修正電流不同,要為每條線路單獨整定一個動作門檻,較為繁瑣,不易推廣。

4.3 新選線判據(jù)

將4.1節(jié)、4.2節(jié)所述兩種方法結(jié)合,即得新判據(jù)。原選線判據(jù)乘以4.2節(jié)所述修正系數(shù)α即得新選線判據(jù):

(17)

式中,K′i為修正后的選線判斷因子;K′set為修正后的動作門檻。

現(xiàn)對正常線的選線判據(jù)進行分析,聯(lián)立式(4)、式(8)、式(15)、式(17)可得:

(18)

由式(18)可知,無論故障參數(shù)如何,所有正常線路K′i均為1左右,考慮一定裕度,可把Kset定為1.2,如此即可保證正常線不誤動。

對故障線的選線判據(jù)進行分析,聯(lián)立式(4)、式(9)、式(15)、式(17)可得:

(19)

由于Cf很小(μF級),因此故障線的K′f遠遠大于動作門檻1.2,選線成功。另外,K′f的表達式與過渡電阻Rf無關(guān),意味著本判據(jù)在原理上不受過渡電阻影響,只要互感器精度足夠,三相電網(wǎng)足夠平衡,理論上耐過渡電阻能力不存在上限。

綜上所述,新判據(jù)的動作門檻整定為K′set=1.2,使用新判據(jù),即可大幅提升系統(tǒng)耐過渡電阻能力。故障選線流程圖如圖7所示。

圖7 智能接地配電系統(tǒng)故障選線流程圖

圖7中,Uset取15%UN;Uunb為中電阻Rg投入時,系統(tǒng)最大不平衡電壓與零序電壓互感器最小精確測量電壓中的較小值,由于Rg的投入,不平衡電壓通常很小,因此Uunb一般取后者。

4.4 性能分析

對于10 kV系統(tǒng),根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》,采用消弧線圈后,應(yīng)把接地殘流補償?shù)?0 A以內(nèi),此時對應(yīng)的系統(tǒng)XΣ>1 732 Ω,若以零序電壓U0>15%UN作為智能接地配電系統(tǒng)啟動判據(jù),反映過渡電阻Rf的能力大于3 805 Ω。實際運行時消弧線圈往往將接地殘流補償?shù)酶?因此,智能接地配電裝置啟動前,反映過渡電阻能力可以達到5 000 Ω左右。

以“國家電網(wǎng)公司配電設(shè)備一二次融合技術(shù)方案”為參考,10 kV 配電系統(tǒng)零序電流互感器準確級為 5P10級,最小精確工作電流為1 A;零序電壓互感器準確級為3P級,最小精確工作電壓約為120 V[22]。

在額定溫度、頻率下,在測量區(qū)間內(nèi),U后.0最大測量誤差為6%,I后、I前的最大測量誤差為5%,選線判斷因子K′的誤差上限為:

(20)

式中,K′εmax為K′的誤差上限,為實際K′的115%。K′的誤差下限為:

(21)

式中,K′εmin為K′的誤差下限,為實際K′的85%。

由于動作門檻K′set設(shè)為1.2,測量誤差不足以導(dǎo)致選線錯誤。

零序電壓、電流互感器的最小精確工作電壓、電流主要影響選線過程,當測量零序電壓小于120 V或測量零序電流小于1 A時,由于低于最小精度要求,選線結(jié)果將不可靠。

當中電阻Rg設(shè)為30 Ω時,120 V測量電壓對應(yīng)的過渡電阻Rf為4 330 Ω,故障線1 A測量電流對應(yīng)的過渡電阻Rf為5 764 Ω,因此,本系統(tǒng)在現(xiàn)有互感器準確級標準下,理論上耐高阻上限為4 330 Ω。

根據(jù)圖7可知,當永久接地故障的過渡電阻Rf大于4 330 Ω且小于5 000 Ω時,智能接地裝置啟動前U0>Uset,判定系統(tǒng)發(fā)生故障,啟動后投入Rg,當U0

另外,實際系統(tǒng)中三相負載不平衡、線路參數(shù)不平衡,帶來的中性點電壓偏移,對新判據(jù)的修正過程有一定影響,但由于中電阻Rg的投入,中性點電壓偏移被限定在很小的范圍,不至影響選線的可靠性。

5 仿真驗證

用Matlab搭建10 kV配電系統(tǒng)仿真模型如圖8所示,其中消弧線圈電感設(shè)為L=0.258 8 H;負載均為1 MW恒定負荷,負載不接地;線路參數(shù)見表1。母線接地開關(guān)電阻Rb設(shè)為0.7 Ω;中性點中電阻Rg設(shè)為30 Ω。發(fā)生單相接地故障時,系統(tǒng)按照2.2節(jié)所述動作順序動作,選線判據(jù)設(shè)為式(17)所述新判據(jù),其中修正系數(shù)α見式(15),可靠性系數(shù)krel取1.02;若線路的K′值超過動作門檻K′set,則判定為故障線,立即切除。故障點設(shè)定在l4出口5 km處,設(shè)為A相接地故障,0.1 s時故障投入。經(jīng)不同過渡電阻的單相接地故障仿真結(jié)果如圖9所示。

表1 線路參數(shù)

圖8 10 kV智能接地配電系統(tǒng)仿真模型

圖9 新判據(jù)選線測試結(jié)果

無論過渡電阻為何值,各線路K′值均為一定值,故障線與非故障線K′值區(qū)分度較大,且所有正常線K′都相同,因此只需要整定一個統(tǒng)一的動作門檻。新選線判據(jù)兼具原判據(jù)與修正電流法的優(yōu)點,不僅耐過渡電阻能力強,而且動作門檻統(tǒng)一,易于推廣,可以很好地解決智能接地配電系統(tǒng)高阻接地故障時的保護拒動問題。

不同過渡電阻接地的仿真數(shù)據(jù)見表2、表3。表2、表3中加粗數(shù)字表示測量電流、電壓未達互感器最小工作電流、電壓。測量零序電流低于最小工作電流時直接判定為正常線;測量零序電壓低于最小工作電壓將導(dǎo)致修正系數(shù)不可靠,不進行選線;斜體數(shù)字表示之前電流或電壓測量值未達最小精度要求,實際運行時不會進行計算,本文為展示修正理論的正確性,將理論計算結(jié)果列出。另外由于線路阻抗遠遠小于Rf,因此各線路故障電流與故障點在故障線路上的位置關(guān)系不大,將短路點設(shè)置在線路出口、5 km、10 km處進行仿真,所得數(shù)據(jù)大致相同,限于篇幅故只展示故障點位于5 km處的仿真結(jié)果。

表2 不同過渡電阻值時各線路的零序電流、零序電壓

表3 不同過渡電阻值時的選線結(jié)果

觀察表2、表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):①正常線K′≈1,故障線K′4值遠大于動作門檻1.2,符合4.3節(jié)分析;②I前大小與Rf無關(guān),這是由于故障轉(zhuǎn)移裝置工作,將所有故障情景轉(zhuǎn)變?yōu)槟妇€接地故障的緣故。I前可以起到一個標幺值基底的作用,統(tǒng)一所有線路動作判據(jù);③隨著Rf增加,各線路K′依舊保持穩(wěn)定,本選線判據(jù)耐過渡電阻能力理論上不存在上限,耐過渡電阻能力取決于測量設(shè)備精度。在目前精度標準下,耐過渡電阻能力能達到4 000 Ω;④金屬性接地條件下,故障線K′較小,這是由于金屬性接地時,熄弧裝置的熄弧能力受到影響,故障點依舊存在較大故障電流。實際故障中Rf往往在20 Ω以上[23],故不成問題,且即使新判據(jù)保護拒動,由于此時Rf很小,故障特征十分明顯,與零序過流保護配合動作即可解決該問題。

6 結(jié)論

本文針對智能接地配電系統(tǒng)高阻單相接地故障時保護容易拒動問題,提出了一種新選線判據(jù),該判據(jù)具有以下優(yōu)點:

(1)選線時利用的均是本線路電氣量,無須其他饋線的信息即可選線。

(2)由于無論故障條件如何,各線路零序測量電流在修正后均等于故障線首端單相金屬性接地時流過的零序電流,故本選線判據(jù)在原理上不受過渡電阻的影響,耐高阻能力在理論上沒有上限,只取決于測量設(shè)備精度,在現(xiàn)精度標準下,反映過渡電阻能力能到4 000 Ω。

(3)本判據(jù)有類似標幺值的特性,所有線路的動作門檻得到了統(tǒng)一,便于整定,工程上易于推廣。

綜上所述,本文基于電流修正理論,優(yōu)化了選線判據(jù),使得智能接地配電系統(tǒng)在高阻接地故障下依然可以正確選線,且各線路動作門檻一致,易于整定,具有良好的工程應(yīng)用前景。