基于暫態(tài)信息的配電網(wǎng)故障分界技術(shù)應(yīng)用研究

史建海 王敬華 段沛 韓玘桓 陳恒

摘 要：文章分析了目前廣泛采用的基于穩(wěn)態(tài)零序電流的接地故障分界方法出現(xiàn)拒動的原因。提出了一種采用特征暫態(tài)頻帶零序電流幅值法實現(xiàn)故障分界的算法，重點解決中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，分界開關(guān)的拒動問題。最后，建模仿真驗證了方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：區(qū)內(nèi)故障；消弧線圈；暫態(tài)法；單相接地

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.174

0 引言

本文提出了一種通過選取特征頻段內(nèi)零序電流有效值，并與動作值比較判別故障的方法，利用該方法檢測故障區(qū)段，可使靈敏度顯著提高，研究基于現(xiàn)有硬件條件，具有較高的實際應(yīng)用價值，并通過仿真驗證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 基于暫態(tài)信息的分界技術(shù)

暫態(tài)零序電流法的分界依據(jù)是根據(jù)故障時，故障線路的暫態(tài)零序電流幅值遠(yuǎn)大于本線路區(qū)外故障時零序電流幅值的原理進(jìn)行區(qū)段定位。暫態(tài)電流幅值可達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流幅值幾倍到幾十倍，靈敏性高，且暫態(tài)零序電流不受消弧線圈影響，利用暫態(tài)暫態(tài)電流判別故障可以提高分界技術(shù)的可靠性，能夠克服消弧線圈影響拒動的問題，因此該方法適用于中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。

在SFB（特征頻帶）范圍內(nèi)，零序電流存在下述分布規(guī)律：①故障線路零序電流幅值最大；②所有健全線路零序電流極性相同，而故障線路與之相反。因此，利用特征頻帶內(nèi)的零序電流幅值檢測的方法判別故障，具有較高的準(zhǔn)確性。在消弧線圈接地系統(tǒng)，或者為同時適用于兩種接地系統(tǒng)，SFB必須選為～的頻帶[1-3]。

其中，選擇3-5倍工頻，可有效去除消弧線圈影響。可選為所有線路自身串聯(lián)諧振頻率的最小值。按上述步驟確定SFB范圍后，規(guī)律①、②仍舊成立，并且依然包含暫態(tài)信號中大部分能量。暫態(tài)過程的起始時間可確定為故障發(fā)生時間。從SFB分量末端向前進(jìn)行搜索，第一次超越設(shè)定閾值的時間確定為故障結(jié)束時間。

當(dāng)系統(tǒng)側(cè)故障時，暫態(tài)零序電流峰值不大于整定值。當(dāng)用戶側(cè)故障時，暫態(tài)零序電流峰值接近系統(tǒng)暫態(tài)電容電流峰值，且遠(yuǎn)大于整定值[4-5]。

（1）

式中為用戶側(cè)故障時，零序電流峰值；為系統(tǒng)暫態(tài)電容電流峰值；為動作電流。

故障后，對零序電流進(jìn)行采樣。暫態(tài)電流幅值法中，對采集的暫態(tài)零序電流值取暫態(tài)零序電流有效值作為比較值，與動作值進(jìn)行比較計算，其計算公式為：

（2）

式中是故障后零序電流第j個采樣點；為第T條線路暫態(tài)零序電流有效值；N為總的采樣點個數(shù)。

零序電流動作整定值為：

（3）

式中K為可靠系數(shù)（K可取為1.3-1.5）；為區(qū)外故障時流過本線路的暫態(tài)零序電流峰值。則接地故障的判斷依據(jù)為：

≥時，接地故障位于用戶側(cè)，分界開關(guān)動作；

<時，接地故障位于系統(tǒng)側(cè)，分界開關(guān)不動作。

區(qū)段定位時按躲過負(fù)荷側(cè)最大電容電流暫態(tài)峰值整定，暫態(tài)峰值可取為大于穩(wěn)態(tài)電容電流幅值的8-12倍整定。

（4）

為常數(shù)，可取為8-12；為穩(wěn)態(tài)電容電流幅值。

其穩(wěn)態(tài)電容電流幅值為：

（5）

式中為零序電壓幅值，等于正常運行時故障點電壓幅值；為工頻角頻率；C為用戶側(cè)單相對地電容。

2 仿真驗證

本文主要針對經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中的故障進(jìn)行仿真實驗，并分析驗證經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的小電流接地故障定位的可靠性。

2.1 仿真模型線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)

在ATP建立如圖1中所示仿真模型，計算步長10，采樣頻率50，暫態(tài)零序電流選取一周波1000采樣點。故障點分別取在線路1、線路2中間位置。線路1為0.24km架空線電容電流0.0054A，線路2為1km電纜線電容電流 2.5979A。接地電阻分別采用10Ω，500Ω仿真。初相角分別選取0°、45°、90°進(jìn)行仿真。

含有多條出線的10kV配電網(wǎng)中，系統(tǒng)接地方式為中性點經(jīng)消弧線圈接地，全系統(tǒng)電容電流為30A。系統(tǒng)消弧線圈過補(bǔ)償度10%，消弧線圈大小為685mh并聯(lián)電阻3000Ω補(bǔ)償后接地電流為3A。

將ATP模型仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，利用編寫的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并加入FIR濾波器，采用2000Hz低通濾波，得到濾波后的波形。

2.2 暫態(tài)電流幅值法仿真結(jié)果

（下轉(zhuǎn)第153頁）

（上接第193頁）

圖2中分別得到接地電阻10Ω、500Ω初相角45°單相接地故障時的暫態(tài)仿真波形。故障發(fā)生時，故障線路暫態(tài)零序電流幅值很大，遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)時電容電流幅值10倍以上，容易判斷識別故障，可以準(zhǔn)確迅速跳閘隔離故障區(qū)段。對比故障發(fā)生時前兩周波波形，在低電阻接地故障時震蕩頻率很高，而高阻接地故障的振蕩頻率很低，并且接地電阻之比近似等于振蕩頻率的比值。

圖3仿真接地電阻10Ω，初相角分別為0°、90°時的單相接地故障波形。隨著故障相角變大，暫態(tài)零序電流幅值也變大，金屬性接地時，零序電流幅值都很大，容易判斷故障。

為了驗證該方法的可靠性與準(zhǔn)確性，仿真分析經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中用戶側(cè)故障時，應(yīng)當(dāng)對架空線路、電纜線路分開驗證，在完成以上不同情況的仿真實驗后得到了大量實驗數(shù)據(jù)，用于驗證方法的準(zhǔn)確性，暫態(tài)電流幅值法對在經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，判斷金屬性故障有很好的靈敏性和可靠性。

3 結(jié)語

SFB內(nèi)保留了暫態(tài)零序電流的大部分能量，采用SFB內(nèi)暫態(tài)零序電流幅值法，能夠消除消弧線圈補(bǔ)償電流的影響，且能夠極大的提高靈敏性和可靠性，該方法適用于中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。通過仿真實驗驗證，能夠有效解決經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)分界開關(guān)拒動的問題。該方法有很高的實用性，能顯著提高分界開關(guān)工作效能，在配電網(wǎng)中可減少停電次數(shù)和停電時間，便于查找故障，恢復(fù)故障區(qū)段供電，提高供電可靠性。

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