基于配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備的接地故障處理方案研究

曾先鋒，任百群，宋 兵，石 勇，朱中華

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

中國(guó)的配電網(wǎng)大多是小電流接地系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來單相接地故障的檢測(cè)一直是困擾配電網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)難題[1-2]。近年來，隨著一二次融合成套設(shè)備的推廣應(yīng)用及小電流接地故障保護(hù)技術(shù)的逐步成熟[3-4],國(guó)家電網(wǎng)有限公司和中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司均根據(jù)新的運(yùn)行規(guī)程,要求提升配電網(wǎng)單相接地故障快速處理能力,以消除事故擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)一步提高供電安全性與可靠性[5-6]。

基于一二次融合的配電網(wǎng)成套設(shè)備的推廣使用，為解決單相接地故障問題提供了良好的基礎(chǔ)。首先，規(guī)范了現(xiàn)場(chǎng)電壓及電流互感器配置模式，具備零序PT和零序CT采集功能；其次，采用標(biāo)準(zhǔn)化航插接口設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化定義，有效避免PT、CT極性錯(cuò)接等問題[7]；最后，完善了配電終端接地故障處理功能的部署，為單相接地故障的檢測(cè)和快速隔離提供了有利條件。

下面針對(duì)配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)和快速隔離的難題，首先，對(duì)配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備的傳感器進(jìn)行了研究；其次，根據(jù)一二次融合成套設(shè)備具備高精度零序傳感器特點(diǎn)，研究了基于小波包的接地算法，并闡述了基于一二次融合和暫態(tài)零序功率方向、故障路徑優(yōu)先方法的接地故障處理方案；最后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例，說明了所提方案可有效解決多分支、多供電方式下單終端選線選段和故障快速隔離的難題，具有普遍的適用性。

1 配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備零序電壓傳感技術(shù)

配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備在小電流接地上運(yùn)用，主要實(shí)現(xiàn)了零序電壓的采集，同時(shí)對(duì)三相電流和零序電流的采集精度提出了更高的要求，為小電流接地選線提供了物理和技術(shù)條件。

1)柱上開關(guān)(指斷路器或負(fù)荷開關(guān)，下同)零序電壓小信號(hào)傳感技術(shù)的應(yīng)用。由于柱上開關(guān)體積和結(jié)構(gòu)的限制，內(nèi)部很難加裝常規(guī)電磁式原理的零壓互感器，因此常規(guī)柱上開關(guān)一般沒有零序電壓采集。為了實(shí)現(xiàn)零序電壓的采集，一二次融合成套柱上開關(guān)一般使用電容分壓形式的小信號(hào)傳感器，采用類似CVT互感器結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜電容，圖1為電容型零序電壓傳感器示意圖。

圖1 電容型零序電壓傳感器

2)電容型零序電壓傳感器原理。如圖2所示，電容分壓器由安裝在A、B、C三相的高壓耐受電容C1、C2、C3和低壓信號(hào)電容C4構(gòu)成。其中高壓耐受電容C1、C2、C3電容值相同，典型參數(shù)為600 pF，電容C4的典型參數(shù)為1.6 μF。當(dāng)三相電壓對(duì)稱平衡時(shí)，此時(shí)電容C4兩側(cè)的電壓為0，當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時(shí)，電容C4兩側(cè)的電壓約為6.5 V。

圖2 電容型零序電壓傳感器原理

3)一二次融合成套設(shè)備內(nèi)采用高精度零序CT,變比一般為20 A/1 A，一次側(cè)零序電流不到1 A時(shí)也有很高的采集精度，保證高阻接地時(shí)接地特征的有效提取。

應(yīng)用以上關(guān)鍵技術(shù)的配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備的推廣使用，為解決配電網(wǎng)單相接地故障問題提供了良好的物理和技術(shù)條件。

2 接地故障小波包選線技術(shù)

接地故障處理的關(guān)鍵是把故障時(shí)的特征量選出來進(jìn)行分析。針對(duì)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)穩(wěn)態(tài)故障特征不明顯的問題，采用小波包變換方法，可以提取暫態(tài)零序功率方向作為選線判據(jù)，識(shí)別是否發(fā)生單相接地故障[8-10]。

2.1 小波包變換理論分析

多分辨率分析(multi-resolution analysis,MRA)理論作為小波分析中的基本框架[7]，滿足二尺度方程：

(1)

(2)

式中：φ(t)為尺度函數(shù)；ψ(t)為小波函數(shù)；h(n)和g(n)為小波分解濾波器組系數(shù)。在分解濾波器組系數(shù)已知的情況下，原始信號(hào)的小波分解可以通過Mallat快速算法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于正規(guī)性條件較好的db10正交小波，h(n)和g(n)構(gòu)成一個(gè)共軛正交濾波器組(conjugate quadrature filter,CQF)，具有劃分較高頻率倍頻程的能力，能提高頻域分辨率，同時(shí)降低計(jì)算的復(fù)雜度。

對(duì)于基本小波ψ(t)經(jīng)伸縮與位移引出的函數(shù)族，如果滿足框架條件則原始信號(hào)x(t)可以根據(jù)小波變換結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定的重構(gòu)。重構(gòu)公式為

(3)

式中，h′(n)和g′(n)分別為與h(n)和g(n)相對(duì)應(yīng)的小波重構(gòu)濾波器組系數(shù)。

通過上述小波重構(gòu)方法，可以得到原始信號(hào)在不同頻段下的信息，這就為接地故障時(shí)的暫態(tài)特征信號(hào)的提取和分析提供了基礎(chǔ)。

2.2 故障特征提取

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障支路的暫態(tài)零序電流與暫態(tài)零序電壓相位相反，非故障支路暫態(tài)零序電流與暫態(tài)零序電壓相位相同，暫態(tài)零序功率方向與故障支路相反。利用小波包對(duì)零序電壓和零序電流的暫態(tài)特征進(jìn)行db10正交小波分解，得到原始信號(hào)在不同頻段下的信息，濾除工頻區(qū)域頻帶，剩余頻帶中高頻能量包含暫態(tài)零序電壓和零序電流的接地特征，根據(jù)暫態(tài)零序功率方向判斷本支路是否發(fā)生單相接地故障。

圖3所示為某小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的原始錄波波形經(jīng)小波包變換后提取的暫態(tài)零序電流和暫態(tài)零序電壓故障特征，顯而易見故障支路和非故障支路的暫態(tài)零序功率方向相反。

圖3 小波包變換后暫態(tài)零序功率方向?qū)Ρ?/p>

應(yīng)用以上基于小波包變換的暫態(tài)零序功率方法法后，可以有效提高頻域分辨率，更好提取故障特征，根據(jù)接地時(shí)暫態(tài)零序電流與零序電壓的相位關(guān)系，計(jì)算暫態(tài)零序功率方向，進(jìn)而可以識(shí)別本線路是否為單相接地故障線路。

3 一二次融合成套設(shè)備接地故障處理

通過自適應(yīng)型饋線自動(dòng)化“無壓分閘、來電延時(shí)合閘”方式，配合變電站出線斷路器重合閘[11]，實(shí)現(xiàn)多分支多聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)架的故障定位與隔離，自動(dòng)完成接地故障的選線、定位及隔離，非常適用于主站與終端間通信條件不可靠或不具備通信條件的區(qū)域。

以圖4所示典型主接線為例說明單相接地故障處理邏輯，每條出線配置一定數(shù)量的柱上開關(guān)一二次成套設(shè)備。

圖4 主接線

主接線圖元含義如表1所示。

表1 主接線圖元含義

主接線中成套分段開關(guān)采用負(fù)荷開關(guān)一二次融合成套設(shè)備或斷路器一二次融合成套設(shè)備，即FS11—FS16、FS21—FS22、FS31—FS33均為一二次融合成套分段開關(guān)。

配電網(wǎng)線路首開關(guān)FS11、FS21、FS31處的饋線終端(feeder terminal unit,FTU)設(shè)置為首開關(guān),自動(dòng)適應(yīng)首開關(guān)接地選線模式。其余非首開關(guān)的分段開關(guān)處FTU設(shè)置為非首FTU,自動(dòng)選段，聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的FTU則為聯(lián)絡(luò)模式，在單側(cè)長(zhǎng)時(shí)間失壓后可自動(dòng)或人工合閘轉(zhuǎn)換供電方式。

以FS12、FS13、FS16間發(fā)生單相接地故障為例，說明單相接地故障的處理過程。

1)感受到接地故障的FS11—FS16、FS21—FS22、FS31—FS33，根據(jù)暫態(tài)零序功率方向開始判斷該線路下游是否發(fā)生接地故障，若接地故障在其后端則自動(dòng)記憶，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)本開關(guān)來電合閘延時(shí)。

圖5中FS11和FS12判斷出在其后端發(fā)生接地故障，F(xiàn)S13—FS16、FS21—FS22、FS31—FS33判斷出其后端未發(fā)生接地故障。

圖5 單相接地故障邏輯判斷

2)首開關(guān)FS11經(jīng)整定延時(shí)后選線跳閘，F(xiàn)S11跳閘后，F(xiàn)S12—FS16因?yàn)楦惺艿绞憾珠l，主線失電跳閘(如圖6所示)。

圖6 FS11選線跳閘，F(xiàn)S12—FS16失壓跳閘

3)首開關(guān)FS11選線跳閘后，經(jīng)整定延時(shí)重合閘。FS11重合閘后，若在一段時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到故障，說明故障不在緊臨FS11的下游，F(xiàn)S11將自動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)閉鎖接地跳閘，避免頻繁跳閘和重合閘，同時(shí)減少線路供電恢復(fù)時(shí)間。由于首開關(guān)有重合閘，極端情況下，即使選線失誤，也可保證恢復(fù)正常供電(如圖7所示)。

圖7 FS11重合閘

4)其他開關(guān)檢測(cè)到來電后根據(jù)故障記憶狀態(tài)執(zhí)行動(dòng)態(tài)時(shí)間來電合閘邏輯，F(xiàn)S12因?yàn)橛泄收嫌洃洠?jīng)短延時(shí)合閘，F(xiàn)S15無故障記憶，經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)合閘。在逐級(jí)合閘過程中，F(xiàn)S12合閘后合于故障，由此可定位故障點(diǎn)位于FS12下端。

5)FS12合閘后會(huì)立即檢測(cè)到接地故障。由于合于故障，F(xiàn)S12加速保護(hù)動(dòng)作跳閘(單相接地時(shí)故障電流很小，負(fù)荷開關(guān)可直接跳閘)，并正向閉鎖來電合閘，防止再次合于故障；FS13和FS16因?yàn)闄z測(cè)到來電后迅速失電，執(zhí)行反向閉鎖邏輯，防止反向來電時(shí)合于故障(如圖8所示)。

圖8 FS12跳閘并正向閉鎖，F(xiàn)S13、FS16反向閉鎖

6)其他非故障區(qū)段開關(guān)FS15自適應(yīng)長(zhǎng)延時(shí)合閘，逐級(jí)恢復(fù)非故障區(qū)域供電(如圖9所示)。

圖9 其他非故障區(qū)段開關(guān)逐級(jí)合閘，恢復(fù)供電

7)聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW1和LSW3在單側(cè)失壓后經(jīng)整定延時(shí)后自動(dòng)合閘(若擔(dān)心聯(lián)絡(luò)開關(guān)自投會(huì)導(dǎo)致線路過載發(fā)生，亦可退出聯(lián)絡(luò)開關(guān)自投模式轉(zhuǎn)為人工模式)，F(xiàn)S14執(zhí)行來電合閘邏輯，F(xiàn)S13和FS16因?yàn)橛蟹聪蜷]鎖不合閘，最后完成故障區(qū)段的隔離和非故障區(qū)段的供電恢復(fù)。

上述接地故障處理過程表明，通過一二次融合成套設(shè)備可靠實(shí)現(xiàn)了接地故障的準(zhǔn)確選線選段和快速隔離。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)上述暫態(tài)零序功率方向作為選線選段判據(jù)的一二次融合配電網(wǎng)成套設(shè)備已在多個(gè)省份投入運(yùn)行，在華中某市的現(xiàn)場(chǎng)真型接地測(cè)試中，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式下，模擬2500 Ω、1500 Ω、500 Ω、金屬性、破損絕緣子以及樹枝等接地故障情形，一二次融合成套設(shè)備均能準(zhǔn)確可靠選線選段。

該市紅蓮湖站主接線如圖10所示，在蓮2301和蓮2304區(qū)間內(nèi)發(fā)生單相接地故障后，由該支路蓮2303處的一二次融合成套設(shè)備準(zhǔn)確選線選段并隔離了故障。

圖10 紅蓮湖站主接線

此次故障發(fā)生時(shí)，蓮2303處的一二次融合成套設(shè)備核心單元(饋線終端)的動(dòng)作情況及錄波波形如圖11和圖12所示。

圖11 蓮2303饋線終端動(dòng)作情況

由此可見，基于配電網(wǎng)一二次融合成套設(shè)備，采用小波包暫態(tài)零序功率方向法、故障路徑優(yōu)先的接地故障選線選段關(guān)鍵技術(shù)能有效解決小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線選段的難題，方案具有普遍的適用性。

5 結(jié) 論

針對(duì)配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障檢測(cè)和快速隔離的難題，提出了基于配電網(wǎng)一二次融合技術(shù)的接地故障處理方案，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)可以避免或減少人為參與，不依賴主站、不依賴通信，由配電終端自動(dòng)完成接地故障的選線、定位及隔離，可實(shí)現(xiàn)單相接地故障的秒級(jí)定位、數(shù)十秒隔離和供電恢復(fù)，極大減少故障處理時(shí)人力物力消耗，大大提高供電可靠性。

2)不需要監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)或單獨(dú)的選線裝置，不用增設(shè)信號(hào)注入源設(shè)備。

3)相比于電壓時(shí)間型或電壓電流時(shí)間型饋線自動(dòng)化，自適應(yīng)型可實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)段延時(shí)的自調(diào)整，能適應(yīng)多電源聯(lián)絡(luò)、多分支一次網(wǎng)架等更多運(yùn)行場(chǎng)合。

4)首開關(guān)選線重合閘保證極端情況下即使選線不準(zhǔn)，該線路其他開關(guān)也能在短時(shí)間內(nèi)來電合閘恢復(fù)正常供電；通過非故障區(qū)段延時(shí)自調(diào)整，饋線自動(dòng)化邏輯自適應(yīng)多電源聯(lián)絡(luò)、多分支一次網(wǎng)架。